張永勝，韓宏韜，麻長信，張 軍，胡 鑫

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130021；2.遼寧蒲石河抽水蓄能有限公司，遼寧 丹東 118216）

1 蒲石河流域洪水、泥沙的主要特性

蒲石河為鴨綠江下游右岸的一級支流，全長121.8 km，流域面積1 212 km2。蒲石河洪水一般發(fā)生在6月～9月，多由暴雨形成，且以7月、8月出現(xiàn)的次數(shù)最多，量級最大。蒲石河河道比降和坡面平均坡度均較大，加之地處遼東暴雨中心，致使其洪水過程具有陡漲陡落，峰高量大，一次洪水過程主要集中在1～2 d內(nèi)，從起漲到峰頂約6～12 h，洪峰持續(xù)時(shí)間很短的特點(diǎn)。蒲石河流域泥沙主要源于暴雨對地表的侵蝕，蒲石河下游砬子溝水文站多年平均懸移質(zhì)沙量為43.9萬t，多年平均含沙量為0.587 kg/m3。流域輸沙過程與洪水過程相應(yīng)，但沙量較洪量更為集中，輸沙量主要集中在幾場大洪水過程中的幾天內(nèi)。例如，1979年最大一日輸沙量約占年輸沙量的70.3%，最大兩日輸沙量約占年輸沙量的97.3%。

2 設(shè)計(jì)采取的主要工程措施

蒲石河抽水蓄能電站下水庫壩址位于蒲石河下游王家街村附近，壩址以上集水面積為1 141 km2。下水庫正常蓄水位66.00 m，總庫容2 871萬m3，死水位62.00 m，死庫容1 616萬m3，有效庫容為1 255 萬 m3。

蒲石河抽水蓄能電站下水庫庫沙比為68，庫容系數(shù)僅為0.018，調(diào)節(jié)庫容較小，如果僅采用維持正常蓄水位不變的調(diào)洪方式，50年后有效庫容將因泥沙淤積損失28%以上。為減小有效庫容淤損和下水庫進(jìn)、出水口泥沙淤積，充分發(fā)揮電站效益，工程設(shè)計(jì)采取了在壩址處主河槽布置泄流能力大、堰頂高程較低的泄洪排沙閘方案。泄洪排沙閘段全長136 m，堰頂高程48.00 m，共設(shè)置7孔泄洪排沙閘，校核洪水位時(shí)最大泄量為12 400 m3/s，與校核洪水標(biāo)準(zhǔn)入庫洪峰流量12 400 m3/s（p=0.1%）一致。擬通過泄洪排沙閘的靈活調(diào)度運(yùn)行，在大洪水時(shí)降低水庫運(yùn)行水位，使進(jìn)、出水口上游河段接近河道的天然水流狀態(tài)，達(dá)到大洪水時(shí)的大量來沙隨洪水下泄，增加水庫排沙比，減小庫內(nèi)泥沙淤積的目的。

3 啟用水沙調(diào)度進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙的條件

（1）流域輸沙過程與洪水過程相應(yīng)，短時(shí)段含沙量較大，水沙極為集中。根據(jù)壩址下游約6 km的砬子溝水文站實(shí)測水沙資料統(tǒng)計(jì)，砬子溝站含沙量G過程與流量Q過程形狀基本一致，沙峰出現(xiàn)時(shí)間與洪峰出現(xiàn)時(shí)間對應(yīng)關(guān)系好，典型水沙過程線見圖1。流域水沙集中，輸沙量主要集中在幾場大洪水過程中的幾天內(nèi)，其余絕大部分時(shí)間水流含沙量很小。砬子溝站1958年～1993年共36年資料統(tǒng)計(jì)顯示，汛期6月～9月輸沙量占全年輸沙量的97.4%，其中共有59天出現(xiàn)瞬時(shí)洪峰流量大于1 000 m3/s，這59天的輸沙量占36年總輸沙量的76.4%。流域的水沙特性為電站開展水沙調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。即，通過洪水調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)泥沙的目的。

圖1 砬子溝站典型水沙過程線

（2）水庫不承擔(dān)防洪任務(wù)，泄洪建筑物泄流能力大。根據(jù)設(shè)計(jì)采取的主要工程措施，蒲石河抽水蓄能電站以水庫死水位62.00 m起調(diào)，設(shè)計(jì)洪水、校核洪水的調(diào)洪最高庫水位均不超過正常蓄水位，因此洪水對工程本身的威脅并不大。如果采用汛期大洪水來臨時(shí)降低庫水位運(yùn)用，假使遇到設(shè)計(jì)或校核標(biāo)準(zhǔn)洪水，其泄流能力滿足大壩自身安全運(yùn)行的要求，從而為水庫靈活的排沙調(diào)度運(yùn)行方式創(chuàng)造了條件。

（3）電站已建有完善的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，可及時(shí)、準(zhǔn)確掌握入庫洪水。蒲石河抽水蓄能電站下水庫壩址以上流域已建有完善的水情自動(dòng)測報(bào)系統(tǒng)，洪水預(yù)報(bào)方案由降雨徑流預(yù)報(bào)和新安江模型預(yù)報(bào)組成，又對預(yù)見期3、6 h和12 h 3種預(yù)報(bào)方案進(jìn)行了論證，最終6 h預(yù)見期的降雨徑流預(yù)報(bào)方案預(yù)報(bào)效果最好，其預(yù)報(bào)精度和預(yù)見期均能夠滿足預(yù)報(bào)調(diào)度的需要，為制定可操作性強(qiáng)的水沙調(diào)度方案提供了可能。

4 調(diào)度方案及實(shí)施效果分析

4.1 調(diào)度方案擬定

綜合電站調(diào)水調(diào)沙條件分析成果，下水庫宜采用非汛期抬高運(yùn)行水位、汛期降低運(yùn)行水位的 “蓄清排渾”運(yùn)行方式。據(jù)此，按分級入庫流量控制，擬定了4個(gè)運(yùn)行方案 （見表1）。

表1 下水庫擬定的水沙調(diào)度運(yùn)行方案

4.2 實(shí)施效果分析

采用考慮抽水蓄能電站抽放水運(yùn)行的一維不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，以蒲石河1958年～1993年共36年水沙系列為基礎(chǔ)進(jìn)行各方案水庫泥沙沖淤計(jì)算，從下水庫泥沙淤積量、過機(jī)沙量和粒徑、上水庫泥沙淤積量等3個(gè)方面分析蒲石河抽水蓄能電站下水庫水沙調(diào)度方案的實(shí)施效果。

（1）下水庫泥沙淤積量。不同方案泥沙淤積計(jì)算成果表明，運(yùn)行水位高，泥沙淤積量大，運(yùn)行水位低，泥沙淤積量小。由于各方案運(yùn)行水位相差較小，下水庫泥沙總淤積量相差相對不大，但有效庫容內(nèi)的泥沙淤積量相差較大。維持正常蓄水位不變的方案Ⅰ有效庫容內(nèi)泥沙淤積量最大，運(yùn)行50年有效庫容內(nèi)淤積量為358萬m3，占有效庫容的28.5%。采用汛期大洪水來臨時(shí)降低庫水位的方案Ⅲ、方案Ⅳ運(yùn)行方式，排沙比增大，庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容內(nèi)淤積量大幅度減少，方案Ⅲ運(yùn)行50年有效庫容內(nèi)淤積量為66.3萬m3，方案Ⅳ運(yùn)行50年有效庫容內(nèi)淤積量為33.3萬m3，較方案Ⅰ減小324.7萬m3，僅占有效庫容的2.65% （見表2）。

表2 蒲石河下水庫泥沙淤積量成果

（2）過機(jī)沙量和粒徑。下水庫低水位運(yùn)行方案與高水位運(yùn)行方案相比，過機(jī)沙量有所增加，顆粒組成略有變粗，但不同方案對過機(jī)沙量和粒徑的影響不明顯，且總的過機(jī)沙量不大。以方案Ⅳ為例：運(yùn)行50年過機(jī)總沙量為70.1萬t，多年平均過機(jī)含沙量僅為0.005 7 kg/m3；最大過機(jī)含沙量為16.8 kg/m3，小于天然實(shí)測最大含沙量19.0 kg/m3，且高含沙出現(xiàn)的歷時(shí)極短，50年內(nèi)過機(jī)含沙量大于15 kg/m3總歷時(shí)僅為2 h，大于5.0 kg/m3的總歷時(shí)為22 h，大于1.0 kg/m3的總歷時(shí)為140 h，平均每年僅為2.8 h；運(yùn)行50年過機(jī)泥沙中值粒徑為0.061 mm，與天然狀態(tài)的顆粒組成 （中值粒徑為0.061 mm）相近。蒲石河抽水蓄能電站下水庫不同運(yùn)行方案過機(jī)沙量和粒徑計(jì)算成果見表3。

表3 過機(jī)沙量和粒徑計(jì)算成果

（3）上水庫泥沙淤積量。蒲石河抽水蓄能電站下水庫各運(yùn)行方案上水庫的淤積量均很小，運(yùn)行50年上水庫總淤積量在13萬～24萬t之間，方案Ⅳ上水庫淤積量為20萬t，僅占上水庫調(diào)節(jié)庫容的2%，多年平均淤積量僅為0.4萬t，對上水庫有效庫容無明顯影響 （見表4）。

表4 上水庫泥沙淤積量成果

（4）實(shí)施效果分析。由不同水沙調(diào)度方案的水庫泥沙沖淤計(jì)算成果可知，采用汛期大洪水來臨時(shí)降低庫水位至死水位的運(yùn)行方式，排沙比明顯增大，庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容淤損大幅度減少，僅為33.3萬～66.3萬m3；而且降低水位運(yùn)行對過機(jī)沙量和粒徑影響不明顯，可滿足水泵水輪機(jī)組運(yùn)行要求。由此可見，如果水庫采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)用方式，在汛期適時(shí)地降低水位運(yùn)用，對減少水庫有效庫容的淤積是有效的。

5 風(fēng)險(xiǎn)分析

由前述分析可知，采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)行方式可使下水庫庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容淤損大幅度減少。但啟用水沙調(diào)度進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，亦存在一定的風(fēng)險(xiǎn)：

（1）本流域水沙非常集中，高含沙水流主要集中在汛期大洪水期間的數(shù)小時(shí)內(nèi)，充分利用該特點(diǎn)合理進(jìn)行水沙調(diào)度可以達(dá)到較理想的減淤效果。但如果在大洪水來臨時(shí)泄洪排沙閘開啟不及時(shí)，將導(dǎo)致水庫水位無法及時(shí)降低，使高含沙水流挾帶的泥沙大量淤積在有效庫容內(nèi)，水庫淤積損失嚴(yán)重。特別是在水庫運(yùn)用初期，該種風(fēng)險(xiǎn)更大。

（2）采用汛期大洪水來臨時(shí)降低庫水位排沙運(yùn)行，需要在洪水過后退水階段盡快回蓄水量，以滿足發(fā)電用水要求。本流域洪水過程漲落急劇，洪水歷時(shí)較短。如果在退水階段選擇的回蓄時(shí)機(jī)不恰當(dāng)，則存在不能保證電站正常用水而影響電站經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)語

本文所作分析表明，蒲石河抽水蓄能電站采用汛期大洪水來臨時(shí)降低庫水位至死水位的運(yùn)行方式，排沙比明顯增大，庫內(nèi)淤積明顯減少，特別是有效庫容淤積損失大幅度減少。如果水庫采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)用方式，對減少水庫有效庫容淤積是有效的；但啟用水沙調(diào)度進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，亦存在一定潛在風(fēng)險(xiǎn)，建議下一步根據(jù)流域的水沙特性和水庫運(yùn)行特點(diǎn)開展水沙調(diào)度專題研究，制定完整、具體且可操作性強(qiáng)的水沙調(diào)度方案，用于指導(dǎo)水庫的實(shí)際調(diào)度。