魯布革水庫泥沙淤積及泥沙調(diào)度方式

1、魯布革水庫泥沙淤積及泥沙調(diào)度方式梅志宏1 張小峰2（1中國水電顧問集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院 2武漢大學(xué) ）摘要：本文通過魯布革水庫蓄水以來的實(shí)測資料，分析了水庫淤積狀況和特點(diǎn)，并對原設(shè)計(jì)的泥沙調(diào)度方式進(jìn)行了評價(jià)。在此基礎(chǔ)上，為了更好地兼顧發(fā)電與控制水庫泥沙淤積兩者的關(guān)系，用一維不平衡輸沙模型進(jìn)行水庫泥沙淤積預(yù)測，對水庫汛期排沙水位進(jìn)行優(yōu)化。在考慮水位降低速度受壩前滑坡體穩(wěn)定要求限制的前提下，研究了魯布革水庫降低水位沖沙方式和效果。關(guān)鍵詞：水庫，淤積，泥沙調(diào)度概況魯布革電站是珠江上源南盤江左岸支流黃泥河的最下游一個(gè)梯級，開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，電站裝機(jī)容量600MW。開發(fā)方式為混合式，具有高壩、長引水道、

2、高水頭、全地下式廠區(qū)建筑物等特點(diǎn)。大壩為心墻堆石壩，最大壩高103.8m，壩頂高程1138.0m，引水隧洞全長9387m，引用流量214m3/s，利用落差372.5m。電站引水系統(tǒng)工程于1984年11月24日開工，1988年8月16日完工。電站第一臺(tái)機(jī)于1988年12月27日投產(chǎn)，全部工程于1992年12月完建。魯布革壩址控制流域面積7300 km2，占黃泥河流域的88.3%。水庫正常蓄水位為1130m，此時(shí)水庫長度19.4km，庫容1.11108m3；死水位為1105m，此時(shí)水庫長度16km，庫容0.37108m3。水庫庫區(qū)兩岸山坡陡峻，無較大支流匯入，庫區(qū)河谷狹窄，正常蓄水位時(shí)水庫平均寬度

3、約203m，河床平均比降5.4，是典型的山區(qū)河道型水庫。設(shè)計(jì)的泥沙調(diào)度方式2.1泥沙調(diào)度原則魯布革水庫庫容小，來沙量大，總庫容與入庫沙量的比值為35，死庫容與入庫沙量的比值為11。為了控制泥沙淤積，長期保持調(diào)節(jié)庫容，根據(jù)水庫來沙集中于汛期、汛期發(fā)電棄水多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求汛期降低水位排沙運(yùn)行。設(shè)置水庫汛期排沙水位為1105m（與死水位相同），使大部分的泥沙淤積在死庫容內(nèi)，減少調(diào)節(jié)庫容內(nèi)的泥沙淤積。同時(shí)，每隔3至5年放空水庫沖沙一次，恢復(fù)部分死庫容，用死庫容進(jìn)行固體徑流調(diào)節(jié)，降低壩前淤積高程，減少電站的過機(jī)含沙量。2.2泄洪排沙設(shè)施的運(yùn)用泄洪排沙建筑物主要有溢洪道、左岸泄洪洞、右岸泄洪洞和排沙洞。

4、排沙洞位于電站取水口下方，1105m水位時(shí)最大泄量257 m3/s，閘門小但啟閉靈活，可經(jīng)常開啟微調(diào)庫水位，利用電站棄水及時(shí)排沙，減少過機(jī)含沙量。為了達(dá)到汛期控制水位運(yùn)行的要求，需要根據(jù)來流情況，根據(jù)各泄洪排沙建筑物的特點(diǎn)，控制庫水位在1105m。當(dāng)汛期入庫流量大于電站引用流量214 m3/s，小于471 m3/s時(shí)，開啟排沙洞下泄多余水量；當(dāng)入庫流量大于471 m3/s后，在優(yōu)先使用排沙洞情況下，及時(shí)先開啟右泄洪洞而后再開左泄洪洞。左、右泄洪洞和排沙洞的聯(lián)合泄流能力達(dá)到2753m3/s，相當(dāng)于P=10%的洪峰流量。在發(fā)生的洪水小于P=10%的洪水時(shí)，水庫可以將水位控制在1105m，盡量減少1

5、105m以上調(diào)節(jié)庫容的淤積損失。左右泄洪洞除控制水位外，還能迅速地放空水庫沖沙，特別是右泄洪洞底板高程1060m，僅比原河床高出10m，是排沙的主要通道。水庫實(shí)際運(yùn)行情況3.1 水庫來水來沙岔江水文站位于魯布革水庫庫尾，控制流域面積6950km2。統(tǒng)計(jì)魯布革水庫運(yùn)行以后岔江水文站1988-2003年實(shí)測資料，平均流量144 m3/s，平均輸沙率123kg/s，平均沙量387104t，含沙量0.854 kg/m3。分析該站的實(shí)測資料有以下特點(diǎn)：來沙量高度集中，沙峰與洪峰基本相應(yīng)：汛期水量占全年79.3%，但沙量占全年的95.9%。月平均輸沙量、含沙量最大值出現(xiàn)在6月，最小值出現(xiàn)在10月。各年最大

6、日輸沙量占當(dāng)年輸沙量的比例為5.17%26.7%，平均值為13.3%；實(shí)測日平均最大輸沙率為23840kg/s（1997年7月15日），同日平均流量為2020m3/s，居實(shí)測段流量第二位。沙量年際變幅大最大年沙量為960104t（1994年），最小年沙量為132104t（1989年），最大最小比為7.27。顯然，設(shè)計(jì)的泥沙調(diào)度原則，充分考慮到了來沙高度集中于汛期的特點(diǎn)，汛期降低水位排沙，可以有效控制水庫淤積量和淤積部位。與設(shè)計(jì)的入庫沙量相比，來沙量明顯增加，1988-2003年平均沙量為387104t，較設(shè)計(jì)值344104t增加了12.5%。3.2運(yùn)行水位水庫實(shí)際運(yùn)行時(shí)，如果汛期水位嚴(yán)格按設(shè)計(jì)

7、要求運(yùn)行在死水位1105m附近，存在如下問題：魯布革電站承擔(dān)著南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，如果汛期水位維持在1105m運(yùn)行，基本沒有調(diào)節(jié)庫容，遇到來水小于發(fā)電流量時(shí)，發(fā)電出力不能滿足電網(wǎng)需要，這種情況實(shí)際出現(xiàn)的天數(shù)仍較多，需要協(xié)調(diào)泥沙調(diào)度和發(fā)電調(diào)度的矛盾。閘門頻繁啟閉，增加事故機(jī)率。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，平均每年有90天日平均流量大于214 m3/s，有30天大于471 m3/s。水庫入庫洪水陡漲陡落，要隨時(shí)調(diào)整泄洪洞的閘門開度來維持庫水位，稍有不慎，水庫有被拉空的危險(xiǎn)，威脅著電站運(yùn)行的安全。溢洪道堰頂高程1112.6m，當(dāng)水庫在1112.6m以下運(yùn)行時(shí)，水庫漂浮物不能及時(shí)排放，攔污柵隨時(shí)有被堵塞的可能，嚴(yán)

8、重威脅引水隧洞的安全。因此，實(shí)際運(yùn)行中，為解決以上問題，電站難以嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)的泥沙調(diào)度要求執(zhí)行。但是，仍然按照設(shè)計(jì)的泥沙調(diào)度原則，汛期降低水位排沙，只不過由于上述原因，不可能一直維持在死水位1105m。表1統(tǒng)計(jì)了電站運(yùn)行以來汛期水位，6月-9月的運(yùn)行水位范圍一般在1105m-1115m，平均值為1110.13m。表1 魯布革電站汛期運(yùn)行水位統(tǒng)計(jì) 單位：m年汛期最高日運(yùn)行水位汛期最低日運(yùn)行水位6月9月平均6月10月平均19891112.561104.391107.251107.7519901123.671105.581110.821112.6319911129.941105.421112.531

9、115.0819921129.561104.931110.091113.6319931125.111105.521114.481116.1319941129.011106.331110.411113.1419951126.641105.511109.391111.4519961129.781105.851110.261113.3819971129.651090.391108.551110.8919981127.621106.131109.301111.9919991128.841105.631110.581113.1320001126.851106.881109.971112.09200111

10、28.781107.801110.851112.3320021128.941105.701108.371111.0420031125.111105.971109.201111.82平均1126.801104.801110.131112.433.2 泥沙淤積（1）淤積形態(tài)為三角洲型（見圖1）。淤積的分布與水庫地形關(guān)系密切。由于水庫為啞鈴狀，壩前和庫尾開闊，而庫中為峽谷段，故壩前段泥沙淤積較多，庫區(qū)中段泥沙淤積較少；隨著時(shí)間的推移，壩前庫段淤積高程逐步增大，表現(xiàn)為累積淤積。庫尾段雖然總體上也在淤積，但有隨著水庫汛期運(yùn)行水位變化而變化的特點(diǎn)，如1993年的汛期平均水位1116.13m是水庫運(yùn)行以來汛

11、期平均最高水位，庫尾淤積面也達(dá)到了最高點(diǎn)。（2）總庫容、死庫容的變化趨勢為逐年減小，死庫容淤損的速度最快，調(diào)節(jié)庫容基本保持穩(wěn)定（見圖2）；電站運(yùn)行至2003年，水庫總庫容由建庫初期的為11100104m3，減少到7714104m3，總庫容損失約30.5%，平均每年損失226104m3。死庫容由建庫初期的為3700104m3，減少到1090104m3，死庫容損失約70.5%，平均每年損失174104m3。水庫調(diào)節(jié)庫容由建庫初期的為7400104m3，到2003年變?yōu)?624104m3，調(diào)節(jié)庫容損失約10.5%，平均每年損失52104m3。從1993年到2003年，調(diào)節(jié)庫容變化不大，變化范圍在64

12、71104m3 6696104m3。調(diào)節(jié)庫容損失最大的一年是1993年，調(diào)節(jié)庫容損失了226104m3。1993年入庫水文站的平均流量和沙量分別為130 m3/s、401104t，來水來沙與正常年份相近。但1993年水庫汛期6-9月平均水位高達(dá)1114. 48m，庫尾淤積面也達(dá)到建庫以來最高值。上述數(shù)據(jù)說明，一旦汛期水位偏高時(shí)，泥沙淤積增加，庫容損失明顯。因此，要控制水庫泥沙淤積面高程，必須控制水庫汛期運(yùn)行，要長期保持調(diào)節(jié)庫容，電站汛期降低水位運(yùn)行是必要的。汛期降低水位運(yùn)行，泥沙淤積在死庫容內(nèi)，故死庫容的淤積損失嚴(yán)重。顯然，通過空庫沖沙恢復(fù)部分調(diào)沙庫容是必要的。3.3 1997年沖沙魯布革水庫

13、于1997年7月13日17日進(jìn)行了第一次停電沖沙。沖沙歷時(shí)112小時(shí)，大致過程為： 7月13日6時(shí)15分，水庫運(yùn)行水位為1105.46m；13日12時(shí)，水位降到1094.96m。此后，為了大壩和位于壩前1.4km2km處發(fā)耐滑坡體的穩(wěn)定，庫水位在1095m左右維持24小時(shí)；但13日14點(diǎn)15點(diǎn)發(fā)耐滑坡體下滑，約有150104m3的滑坡體發(fā)生坍塌，在沖沙水位、流量沒有突變的情況下，出庫含沙量出現(xiàn)了29.4kg/m3的峰值。從14日12時(shí)起，經(jīng)過9個(gè)小時(shí)，水位由1094.37m持續(xù)降低到1082.53m，出庫流量從1072m3/s減少到664m3/s，出庫含沙量出現(xiàn)了整個(gè)沖沙過程中的最大值64kg

14、/m3（14日21時(shí)）。 此后，水位緩慢降落，經(jīng)過10個(gè)小時(shí)（15日7時(shí)），庫水位降至最低值1079.84m，出庫含沙量出現(xiàn)了另一個(gè)峰值61.6kg/m3。15日7時(shí)之后，由于入庫洪峰大，水位持續(xù)上漲14個(gè)小時(shí)，至15日21時(shí)達(dá)到1106.78m，出庫含沙量則從61.6kg/m3降低到12.4 kg/m3。隨后2天水位回落，出庫流量從2833m3/s減少到1563m3/s，17日20時(shí)水位降至1089.42m，但出庫含沙量一般在57kg/m3，沒有出現(xiàn)大的峰值。之后水庫蓄水，水位逐漸回升，在18日1時(shí)達(dá)到1104.53m并恢復(fù)發(fā)電。沖沙情況見表2：表2 魯布革電站1997年空庫沖沙情況表項(xiàng) 目

15、單位數(shù)值沖沙時(shí)段1997年7月13日4時(shí)17日20時(shí)入庫流量范圍m3/s554 3221（峰值達(dá)到20年一遇）出庫流量范圍m3/s550 2833庫水位范圍m1079.841108.79入庫含沙量范圍kg/m30.27 19.5出庫含沙量范圍kg/m32.75 64庫水位最大變幅m/h4.82 （7月15日9時(shí)10時(shí)）入庫沙量104t367排沙總量104t774凈沖刷量104t407由以上過程可知，在降低水位過程中沖沙（14日12時(shí)-14日21時(shí)），或持續(xù)時(shí)間較長低水位沖沙（14日21時(shí)-15日7時(shí)），流量不超過1100m3/s的條件下，沖沙效果較好。而來水太大（15日7時(shí)后，入庫洪水增加，5

16、日21時(shí)洪峰值達(dá)到20年一遇），沖沙水位降低后被迫壅高水位，影響了沖沙效果。即使再次降低水位沖沙（15日21時(shí)-17日20時(shí)），但流量較大（大于1500m3/s），效果也不理想。本次沖沙，凈沖刷量為407104t，恢復(fù)的庫容接近2年淤積損失的庫容。淤積預(yù)測魯布革電站的溢洪道堰頂高程1112.6m，如果汛期水位略高于1112.6m運(yùn)行（例如1113.5m），可用溢洪道閘門控制庫水位，既可以減少泄洪洞的頻繁開啟，還可以及時(shí)排除漂浮物，并且可以方便電站的調(diào)峰運(yùn)行，增加發(fā)電效益。但汛期抬高水位運(yùn)行，意味著泥沙淤積增加，是否能長期保持必須的調(diào)節(jié)庫容，需要研究。我們采用武漢水利電力大學(xué)的一維不平衡輸沙數(shù)學(xué)

17、模型，進(jìn)行水庫泥沙淤積預(yù)測。淤積預(yù)測的假定如下：泥沙調(diào)度的原則不變，但汛期排沙水位提高到1113.5m。考慮入庫泥沙較設(shè)計(jì)值增加的情況，選用入庫水沙代表年。預(yù)測前首先對模型進(jìn)行了率定。41模型率定對魯布革水庫1993年2003年入庫水沙資料、庫區(qū)測量資料綜合分析發(fā)現(xiàn)，一些年份的入庫泥沙沙量與水庫斷面測量的淤積量存在不協(xié)調(diào)的情況，而1995年2000年的資料精度較高。再考慮到魯布革水庫1997年進(jìn)行過沖沙，因此選擇以1995年的實(shí)測地形為基礎(chǔ)，以1996年、1997年（沖沙前）的實(shí)測累積淤積量及縱橫剖面為基準(zhǔn)，率定模型參數(shù)，直到模型計(jì)算所得到的成果與實(shí)測成果較為接近。1997年汛前實(shí)測與計(jì)算成果

18、比較圖見圖3。42預(yù)測結(jié)果從2003年開始預(yù)測至2043年共40年，預(yù)測結(jié)果表明：（1）隨著時(shí)間的推移，泥沙淤積不斷增加，淤積三角洲不斷向壩前推進(jìn)，在2018年左右水庫淤積三角洲抵達(dá)壩前，水庫淤積形態(tài)由三角洲淤積轉(zhuǎn)變?yōu)殄F體淤積（圖4）。（2）壩前泥沙淤積高程不斷淤高。在2013年左右，壩前泥沙淤積高程約為1090.8m，接近電站取水口高程1091.5m，隨著時(shí)間增加，泥沙淤積必然影響電站取水，過機(jī)泥沙含量也將增加，水庫需要進(jìn)行敞泄沖沙。（3）根據(jù)魯布革設(shè)計(jì)報(bào)告，滿足電站月調(diào)節(jié)、日調(diào)節(jié)和事故備用共庫容需要約3000104m3的調(diào)節(jié)庫容。由表4知，到2043年，調(diào)節(jié)庫容可以滿足需要。表4 預(yù)測水庫

19、庫容損失情況年份總庫容（104m3）總庫容損失率（%）有效庫容（104m3）有效庫容損失率（%）死庫容（104m3）死庫容損失率（%）建庫前11100074000370002003年771430.5662410.5109070.52008年687538.1 630214.8 57384.5 2013年635242.8 598519.1 36790.1 2018年608545.2 582121.3 26492.9 2023年595246.4 570222.9 25093.2 2028年584047.4 559924.3 24193.5 2033年573448.3 550125.7 23393.7

20、 2038年563049.3 540427.0 22693.9 2043年556649.9 534527.8 22194.0 沖沙效果預(yù)測從表4知，魯布革水庫的死庫容損失非?？?，需要按照設(shè)計(jì)的泥沙調(diào)度原則，每隔幾年敞泄沖沙，恢復(fù)的死庫容，用于反復(fù)的淤沙，并減少過機(jī)含沙量。我們?nèi)匀徊捎蒙鲜瞿Ｐ?，對沖沙的效果進(jìn)行了預(yù)測。51模型率定以1997年的實(shí)際沖沙過程，進(jìn)行模型參數(shù)的率定。模型計(jì)算的整個(gè)沖沙時(shí)段（1997年7月13日4時(shí)17日20時(shí)）共出庫沙量677104t、凈沖刷326104t，與實(shí)測的1997年沖沙期間總出庫泥沙774104t、凈沖刷407104t相比分別偏小12.5%、19.9%，考慮

21、到實(shí)際沖沙時(shí)，在壩前的發(fā)耐滑坡體滑落約150104m3，其中部分泥沙被沖出庫，所以實(shí)測的出庫泥沙比計(jì)算的多一些是合理的。二者的出庫含沙量對比過程見圖5。計(jì)算的出庫含沙量在峰值上與實(shí)測的還是基本對應(yīng)的，計(jì)算的最大出庫含沙量為69.8kg/m3，比實(shí)測的64kg/m3僅大8.3%，實(shí)測中在7月13日15點(diǎn)出現(xiàn)出庫沙峰，是由于在1997年7月13日14點(diǎn)30分左右發(fā)生滑坡造成，所以計(jì)算中未能模擬出來。52沖沙方案及效果5.2.1方案擬定從1997年沖沙的情況看，沖沙流量不宜過大。根據(jù)其它水庫的沖沙經(jīng)驗(yàn)，一般選用25年一遇的洪水沖沙。從入庫站岔江水文站1993年2003年的實(shí)測洪水分析，選取1999年

22、（相當(dāng)于5年一遇的洪水）與2002年（相當(dāng)于2年一遇的洪水）兩個(gè)典型洪水過程沖沙，同時(shí)考慮迎峰和退水兩種情況。壩前1.4km2.0km處有發(fā)耐滑坡體，根據(jù)地質(zhì)專業(yè)的專題研究成果，沖沙時(shí)水位降幅每晝夜水位降幅不宜超過3米。因此，沖沙方案擬定時(shí)考慮發(fā)耐滑坡體的穩(wěn)定對水位降幅的限制，以每晝夜水位降幅不超過3米作為計(jì)算基本方案，初擬水位從1105m降至1090m；而以不考慮壩前有滑坡體影響，但考慮大壩穩(wěn)定要求，按1997年的沖沙經(jīng)驗(yàn)，水位從1105m降至1095m，在1095m穩(wěn)定一天，然后再降到1080m左右的方案作為對比方案。上述兩個(gè)沖沙水位過程，為實(shí)際沖沙水位控制的上下限方案。表5 沖沙計(jì)算方案表流量過程沖沙水位基本方案（考慮發(fā)耐滑坡對水位變幅的要求）對比方案（不考慮發(fā)耐滑坡對水位變幅的要求）1999年洪峰迎峰方案1方案A1999年洪峰退水方案2方案B2002年洪峰迎峰方案3方案C2002年洪峰退水方案4方案D5.2.1沖沙效果泥沙數(shù)學(xué)模型預(yù)測各方案沖沙的計(jì)算結(jié)果見表6。由表6可知：