考虑洪水风险和发电损失的水库泥沙管理.pdf

第卷第 期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年 月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gO c t,阿德阿布拉考虑洪水风险和发电损失的水库泥沙管理J水利科学与寒区工程,():考虑洪水风险和发电损失的水库泥沙管理阿德阿布拉(新疆塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 )摘要:水库泥沙淤积是威胁水电站长期稳定运行的重要问题之一.水库泥沙淤积会引起两个严重问题,一是水库周边基础设施洪水风险增加,二是水库有效库容降低,导致发电量减少.本文结合水库沉积特性、设施条件、水库周边基础设施等方面,提出了若干措施,并对其可行性进行了验证.针对第二个问题进行了进一步的研究,评价了水库泥沙淤积对发电损失的影响,并探讨了解决问题的措施.关键词:水库淤积;水电站;洪水风险增加;发电损失中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:阿德阿布拉(),男,维吾尔族,新疆库尔勒人,工程师,研究方向为水利工程、防汛、水利标准化和自动化和河流生态变化.E m a i l:A D c o m.在我国华北地区的黄河和海河水系,水流含沙量很大,库区泥沙淤积也就相对较高.例如黄河三门峡水库多年均匀含沙量高达 k g/m,水库总淤积泥沙量为 亿t,泥沙大量淤积导致库区的库容丢失高达 .中国水电部门很重视水库泥沙淤积问题,制定了 水电工程泥沙设计规范(N B/T ),强制执行水库泥沙调度,并对 座大坝高度超过 m或水容量超过 万m的水库进行了研究,以分析泥沙淤积增加的影响.其中 座水库受到泥沙淤积增加的主要影响是洪水风险增加,发电损失不是主要问题.为解决洪水风险增加的问题,本文通过考虑蓄水型和调节型两种水电站的差异,探讨了当前的泥沙淤积问题,并根据分析结果提出了以水库降水位运行为主的水库泥沙管理措施,该措施经济有效.本文还着重研究了目前淤积问题尚不严重的水电站,探讨其因泥沙淤积造成的发电损失问题.通过分析水库有效库容中泥沙淤积与水利用效率的关系,指出了水库泥沙淤积对水电站运行的影响.还发现为了防止水电站运行损失,有些水库需要进行泥沙控制.增加洪水风险的泥沙管理措施 蓄水水库和调节水库梯级水电站通常布置在如图所示的流域中.其中,用于电力峰值的大蓄水水库的大型发电机布置在上游,用于水平电力需求的小蓄水水库的小型发电机布置在河流下游.调节水库的设置是为了在短期内以每天或一周的时间来调整供水和电力需求.图水电站的布置蓄水水库和调节水库在两种观点上有很大不同.图为水库库容与调节库容的关系.通过比较两种类型的总容量,蓄水类型大约是调节类型的 倍.就发电所需的有效水容量而言,蓄水类型大约是调节类型的 倍.这些差异是由于活性水容量的有效下降深度不同造成的.蓄水水库型水库平均消落深度 m,调节性水库平均消落深度m.图水库库容与调节库容比较 水库沉积特征与大坝设施条件为了根据水库条件选择合适的泥沙管理策略,本文基于 个蓄水水库和 个调节水库,测量了水库泥沙特性(位置、泥沙流入速度)和大坝设施条件,其中水库平均年龄为蓄水型 a,调节型 a.图显示了水库中泥沙垂直剖面沉积的速率.图沉积分布速率蓄水水库A和调节水库B位于同一条河流中.研究发现,调节水库在高水位时泥沙沉积率高,造成了高洪水位.将有效水位沉降深度与泥沙垂向沉积剖面进行了对比,发现通过水位控制可以有效控制泥沙沉积.水库寿命可以定义为水库库容与年入库泥沙量的比值.图中的关系曲线将蓄水水库和调节水库的地块分开,虚线圆圈突出显示水库受沉积控制.值得关注的是许多调节水库在高水位附近沉积量巨大.此外,泥沙流入量并非控制泥沙的必要因素,水库寿命的缩短是造成控制泥沙的必要因素.图水库泥沙流入量与水库寿命的关系表说明了水库泥沙淤积对周边基础设施的影响,如桥梁和道路.洪水水位是指设计洪水流量下的最大水位.从表中可以看出,调节水库比蓄水水库的泥沙沉积问题更为严重.例如,调节水库的淹没面积约为蓄水水库的倍,受影响桥梁的数量约为蓄水水库的 倍.此外,在蓄水水库中没有发现受影响的道路.造成这些差异的原因有二:一是水库的位置,二是水库运行所决定的沉积条件.与蓄水水库相比,调节水库相对位于河流下游的大城市附近,水库周围存在着更多的道路、桥梁、农场、工厂和房屋等基础设施.由于表水库泥沙淤积对周边基础设施的影响项目总水容量(平均)/m有效容量(平均)/m总水容量的沉降率/沉降速率与有效容量/水库淹没面积率/淹没面积/m水库淹没道路长度/m水库受洪水水位影响的桥梁/桥水库蓄水水库()调节水库()第 期阿德阿布拉考虑洪水风险和发电损失的水库泥沙管理调节水库通常有很少的可用下降深度,流入的泥沙将沉积在更高的水位.由此可见,调节水库的泥沙控制比蓄水水库的泥沙控制更为重要.有效的管理措施 水库泥沙沉积类型调节水库的泥沙管理是非常重要的,必须结合水库的沉积特性和水库运行情况制定有效的管理措施.调节水库按洪水水位形状和沉积条件可分为类:河流型、湖泊型和中间型.根据 规 范N B/T 及 相 关 文 献,表总结了调节水库种类型的特征,还显示了每种类型水库的有效泥沙管理措施.根据洪水发生时每种类型的条件、剪切速度、泥沙沉积和侵蚀位置,提出了相应的泥沙管理措施.并通过数值分析,验证了这些管理措施在物理上都是有效的.表种调节水库类型的有效泥沙管理措施类型洪水水位形态泥沙沉积情况大坝高度/m设计泄洪流量/ms泄洪闸高度与坝高之比/大坝数量有效的沉积管理措施河流型 ()在洪水期间进行降水操作,引导沉降以降低死区.增加了泥沙绕道或泥沙截留坝等设施湖泊型 ()洪水期间进行引淤作业,引淤至下死区或过闸.挖掘泥沙进行全面管理中间型 ()在洪水期间进行降水操作,并将泥沙通过闸门湖泊型水库规模较大,即使在洪水发生时也与湖泊相似,水库上游局部有泥沙沉积.湖泊型水库一般为大型水库,平均坝高 m.在这种情况下,设计泄洪流量较小,约 m/s,溢洪道闸门高度与坝高的平均比值约为.河流型水库规模较小,形似河流,库区泥沙沉积严重.大坝相对较小,平均坝高 m.在这种情况下,设计泄洪流量约为 m/s,溢洪道闸门高度与坝高之比约为.中间型水库在洪水期间呈现为介于湖泊型和河流型之间的水库形态,并且整个水库区域均有泥沙沉积.大坝的平均高度是 m.在这种情况下,设计泄洪流量约为 m/s,溢洪道闸门高度与坝高之比约为.降水作业的效果取决于水库的类型.在河流型水库中,推移质很容易通过溢洪道,而在湖泊型水库中沉积.在湖泊型水库和中间型水库中,即使在降水作业后,水库上游区域仍会有残留泥沙,需要结合开挖进行全面泥沙管理.利用降水作业管理泥沙调节水库通常在较小有效水深的情况下运行,这会造成在同一水库区域内泥沙大量沉积.另一方面,调节水库处于这种运行状态时,将大坝水位降至正常有效水深以下是非常有效的.降水作业降低了发电水头,损失了部分发电量,但仍比开挖作业经济.泥沙对发电的影响评价图为水库泥沙沉积和有效容量示意图.图显示水库的泥沙沉积在增加,一些水电站的有效容量减少,但水电站运行时受泥沙影响的程度较小.主要有两个原因:一是发电厂的运行能力几水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷乎可以弥补有效容量的小损失;二是发电损失小,在每年河流量的大波动中很难找到实际损失,因此很难认识到发电量的损失.图水库泥沙沉积与有效容量示意图图沉降与有效水之间的关系本文选取了一些水电站来分析泥沙沉积过程与发电损失之间的关系.并根据分析结果提出了相应的对策.泥沙沉积与发电的关系图为C水库中有效容量沉降与水资源利用效率的关系.在垂直轴上,水利用效率是指水轮机涡轮总排放量与总进水量的年比值.该图表明,水的利用效率随有效水容量的减少而降低,因此实际上沉积对水电站的运行产生了影响.这一数字表明,泥沙淤积实际上影响了水电站的运行,因为水的利用效率随着有效水容量的减少而降低.它不仅是由沉积作用引起的,还受到其他因素的影响,如操作规则的改变、维护和气候变化.图有效水中的沉降与水利用效率的关系图有效水容量沉降与水利用效率关系的时间历程表用于分析有效水容量与水利用效率关系的水库特征水库作用有效水容量/m水库水的年周转率A蓄水 B蓄水 C蓄水 D蓄水 E蓄水 F调节 G调节 选取表所示的座水库,分析了图中所描述的有效水容量沉降与水利用效率之间的历史关系.表中水库水的年周转率定义为水库总库容与年进水量之比.图中,有效水容量和水利用效率每十年取平均值(、第 期阿德阿布拉考虑洪水风险和发电损失的水库泥沙管理 、),且各大坝间的关系是不同的.如图所示,随着时间的推移,C水库的泥沙沉积呈增加趋势,水资源利用效率逐渐下降.C水库的水资源利用效率较高,在汛期蓄水期间尽可能保持水库库容不发生泥沙沉积是非常重要的.此外,发电站的日常运行是根据每个时期大坝的标准水位进行的.如果大坝水位高于标准水位,则需要加大涡轮机的日排放量.因此,水库的有效库容中泥沙越多,对发电的运行就越严格.A水库和B水库在泥沙淤积增加的情况下,水资源利用效率基本持平.近 a来,两座水库的水利用效率逐渐下降.B水库的水利用效率较高,以后可能会像C水库一样丧失水分利用效率.A水库的水利用效率不高,但水库水的年周转率较低,如表所示.对于A水库来说,与C水库一样蓄水也很重要.在F水库和G水库中,有效水库容的沉降量与水资源利用效率之间不存在相关性.由于水库水的年周转率高,而且经常有大量的水流入水库,因此水库不需要相对蓄水.在D水库中,虽然泥沙淤积不断增加,但水的利用效率保持在同一水平.D水库足够大,即使水库淤积增加,也能继续进行相同的运行.E水库泥沙淤积基本保持不变,a来水利用效率下降约.这说明除沉积作用外,还有其他原因降低了水的利用效率.有效水容量中的泥沙淤积与水利用效率之间的关系是不同的.一些水库的发电受到沉积作用的影响,而其他水库则没有.但一些水库现在或将来都需要采取泥沙管理措施.泥沙对发电的影响研究发现,部分水库的有效库容沉降量与水资源利用效率之间存在一定的关系.水库水的年周转率较低时,泥沙淤积会影响水的利用效率.水资源利用效率的降低不仅是由于泥沙淤积,还与运行规律的改变、维护和气候变化有关.为了规划水电站发电损失对策,必须继续分析有效库容泥沙淤积与水资源利用效率的关系,并将分析范围扩大到河流的大坝运行和梯级水电系统.结论()调节水库比蓄水水库更要重视泥沙控制,因为调节水库的泥沙对周围基础设施的影响大于蓄水水库.()水库运行与泥沙淤积有明显的关系.()将调节水库分为类:湖泊型、河流型和中间型,并根据每种情况提出相应的对策.河流型和中间型水库采取的主要措施是降水作业,与其他替代措施相比,降水作业在物理上有效、经济上可行.()有效水容量中的泥沙淤积与水资源利用效率之间存在着明显的关系.水库水的年周转率较低时,泥沙淤积会影响水的利用效率.()有些水库需要进行泥沙管理,以减少发电损失.参考文献:侯素珍,胡恬,杨飞,等三门峡水库汛期排沙效果研究J水利学报,():陶国武,周泽宇国内水库泥沙淤积治理综述J吉林水利,():国家能源局水电工程泥沙设计规范:N B/T S北京:中国水利水电出版社,田勇,李小平,孙一,等泥沙淤积对黄河下游中小洪水风险影响评价J泥沙研究,():刘磊多泥沙河流水库优化调度研究D郑州:郑州大学,水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷