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中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院 2武漢大學 ）摘要：本文通過魯布革水庫蓄水以來的實測資料，分析了水庫淤積狀況和特點，并對原設計的泥沙調(diào)度方式進行了評價。在此基礎上，為了更好地兼顧發(fā)電與控制水庫泥沙淤積兩者的關系，用一維不平衡輸沙模型進行水庫泥沙淤積預測，對水庫汛期排沙水位進行優(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梯級，開發(fā)任務為發(fā)電，電站裝機容量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。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。電站第一臺機于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，此時水庫長度19.4km，庫容1.11108m3；死水位為1105m，此時水庫長度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。設計的泥沙調(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，設計要求汛期降低水位排沙運行。設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，每隔3至5年放空水庫沖沙一次，恢復部分死庫容，用死庫容進行固體徑流調(diào)節(jié)，降低壩前淤積高程，減少電站的過機含沙量。2.2泄洪排沙設施的運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，利用電站棄水及時排沙，減少過機含沙量。為了達到汛期控制水位運行的要求，需要根據(jù)來流情況，根據(jù)各泄洪排沙建筑物的特點，控制庫水位在1105m。當汛期入庫流量大于電站引用流量214 m3/s，小于471 m3/s時，開啟排沙洞下泄多余水量；當入庫流量大于471 m3/s后，在優(yōu)先使用排沙洞情況下，及時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)合泄流能力達到2753m3/s，相當于P=10%的洪峰流量。在發(fā)生的洪水小于P=10%的洪水時，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。水庫實際運行情況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)計魯布革水庫運行以后岔江水文站1988-2003年實測資料，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。分析該站的實測資料有以下特點：來沙量高度集中，沙峰與洪峰基本相應：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、日輸沙量占當年輸沙量的比例為5.17%26.7%，平均值為13.3%；實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，設計的泥沙調(diào)度原則，充分考慮到了來沙高度集中于汛期的特點，汛期降低水位排沙，可以有效控制水庫淤積量和淤積部位。與設計的入庫沙量相比，來沙量明顯增加，1988-2003年平均沙量為387104t，較設計值344104t增加了12.5%。3.2運行水位水庫實際運行時，如果汛期水位嚴格按設計

7、要求運行在死水位1105m附近，存在如下問題：魯布革電站承擔著南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻任務，如果汛期水位維持在1105m運行，基本沒有調(diào)節(jié)庫容，遇到來水小于發(fā)電流量時，發(fā)電出力不能滿足電網(wǎng)需要，這種情況實際出現(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，增加事故機率。根據(jù)資料統(tǒng)計，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，威脅著電站運行的安全。溢洪道堰頂高程1112.6m，當水庫在1112.6m以下運行時，水庫漂浮物不能及時排放，攔污柵隨時有被堵塞的可能，嚴

8、重威脅引水隧洞的安全。因此，實際運行中，為解決以上問題，電站難以嚴格按照設計的泥沙調(diào)度要求執(zhí)行。但是，仍然按照設計的泥沙調(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)計了電站運行以來汛期水位，6月-9月的運行水位范圍一般在1105m-1115m，平均值為1110.13m。表1 魯布革電站汛期運行水位統(tǒng)計 單位：m年汛期最高日運行水位汛期最低日運行水位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行水位變化而變化的特點，如1993年的汛期平均水位1116.13m是水庫運行以來汛

11、期平均最高水位，庫尾淤積面也達到了最高點。（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1114. 48m，庫尾淤積面也達到建庫以來最高值。上述數(shù)據(jù)說明，一旦汛期水位偏高時，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行，要長期保持調(diào)節(jié)庫容，電站汛期降低水位運行是必要的。汛期降低水位運行，泥沙淤積在死庫容內(nèi)，故死庫容的淤積損失嚴重。顯然，通過空庫沖沙恢復部分調(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日進行了第一次停電沖沙。沖沙歷時112小時，大致過程為： 7月13日6時15分，水庫運行水位為1105.46m；13日12時，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；但13日14點15點發(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時起，經(jīng)過9個小時，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)了整個沖沙過程中的最大值64kg

14、/m3（14日21時）。 此后，水位緩慢降落，經(jīng)過10個小時（15日7時），庫水位降至最低值1079.84m，出庫含沙量出現(xiàn)了另一個峰值61.6kg/m3。15日7時之后，由于入庫洪峰大，水位持續(xù)上漲14個小時，至15日21時達到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時達到1104.53m并恢復發(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 目

15、單位數(shù)值沖沙時段1997年7月13日4時17日20時入庫流量范圍m3/s554 3221（峰值達到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10時）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-14日21時），或持續(xù)時間較長低水位沖沙（14日21時-15日7時），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時后，入庫洪水增加，5

16、日21時洪峰值達到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-17日20時），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，恢復的庫容接近2年淤積損失的庫容。淤積預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，還可以及時排除漂浮物，并且可以方便電站的調(diào)峰運行，增加發(fā)電效益。但汛期抬高水位運行，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的一維不平衡輸沙數(shù)學

17、模型，進行水庫泥沙淤積預測。淤積預測的假定如下：泥沙調(diào)度的原則不變，但汛期排沙水位提高到1113.5m?？紤]入庫泥沙較設計值增加的情況，選用入庫水沙代表年。預測前首先對模型進行了率定。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年進行過沖沙，因此選擇以1995年的實測地形為基礎，以1996年、1997年（沖沙前）的實測累積淤積量及縱橫剖面為基準，率定模型參數(shù)，直到模型計算所得到的成果與實測成果較為接近。1997年汛前實測與計算成果

18、比較圖見圖3。42預測結(jié)果從2003年開始預測至2043年共40年，預測結(jié)果表明：（1）隨著時間的推移，泥沙淤積不斷增加，淤積三角洲不斷向壩前推進，在2018年左右水庫淤積三角洲抵達壩前，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，隨著時間增加，泥沙淤積必然影響電站取水，過機泥沙含量也將增加，水庫需要進行敞泄沖沙。（3）根據(jù)魯布革設計報告，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 沖沙效果預測從表4知，魯布革水庫的死庫容損失非常快，需要按照設計的泥沙調(diào)度原則，每隔幾年敞泄沖沙，恢復的死庫容，用于反復的淤沙，并減少過機含沙量。我們?nèi)匀徊捎蒙鲜瞿Ｐ?，對沖沙的效果進行了預測。51模型率定以1997年的實際沖沙過程，進行模型參數(shù)的率定。模型計算的整個沖沙時段（1997年7月13日4時17日20時）共出庫沙量677104t、凈沖刷326104t，與實測的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、到實際沖沙時，在壩前的發(fā)耐滑坡體滑落約150104m3，其中部分泥沙被沖出庫，所以實測的出庫泥沙比計算的多一些是合理的。二者的出庫含沙量對比過程見圖5。計算的出庫含沙量在峰值上與實測的還是基本對應的，計算的最大出庫含沙量為69.8kg/m3，比實測的64kg/m3僅大8.3%，實測中在7月13日15點出現(xiàn)出庫沙峰，是由于在1997年7月13日14點30分左右發(fā)生滑坡造成，所以計算中未能模擬出來。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，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年的實測洪水分析，選取1999年

22、（相當于5年一遇的洪水）與2002年（相當于2年一遇的洪水）兩個典型洪水過程沖沙，同時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，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。上述兩個沖沙水位過程，為實際沖沙水位控制的上下限方案。表5 沖沙計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)學模型預測各方案沖沙的計算結(jié)果見表6。由表6可知：