吳 萌

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

死水位是指水庫在正常運用情況下允許消落的最低水位。水庫在正常運行期間，水位將在正常蓄水位與死水位之間變動，其變幅即為水庫的消落深度。在一定的正常蓄水位下，降低死水位，加大有效庫容，可以提高徑流利用程度，滿足發(fā)電及綜合利用部門的需要，但水電站將在較低的平均水頭下工作，因此從能量觀點來看，應(yīng)進行方案比較，然后按保證出力或年發(fā)電量最優(yōu)原則，確定經(jīng)濟上最有利的死水位。死水位選擇除考慮各有關(guān)經(jīng)濟部門的綜合效益外，還應(yīng)考慮泥沙淤積的影響、水輪機運行情況及閘門制造條件等，通過綜合分析比較后加以確定。

目前，國內(nèi)對于死水位選擇的研究主要集中在以下幾個方面：一是以發(fā)電為主的水電站及梯級水電站的死水位確定研究[1- 4]，該類工程的死水位論證主要考慮以電站或梯級電站的保證出力或年發(fā)電量最優(yōu)為主要原則；二是以黃河流域為代表的多沙河流，死水位確定時應(yīng)滿足較大的泄流排沙能力[5- 6]；三是以綜合利用為主的水庫死水位的選擇研究[7- 8]，死水位選擇時需考慮各用水部門對死水位的要求，尤其應(yīng)著重考慮和分析主要部門對死水位的要求。上述研究幾乎涵蓋了死水位研究的各個方面，為死水位的論證和選擇提供了很好的理論和技術(shù)指導；但針對新疆多泥沙河流、承擔綜合利用水庫高庫大壩死水位論證的研究還較為鮮見，本次研究工作以YL水利樞紐工程為例，對多泥沙河流高壩型綜合利用水庫的選擇進行分析論證，可為今后該類型河流高壩型綜合利用水庫死水位的論證提供技術(shù)參考。

1 研究方法

死水位論證方法的核心為死水位方案的技術(shù)經(jīng)濟合理性，按照工程開發(fā)任務(wù)的不同，對工程效益和投資進行技術(shù)論證。在規(guī)劃階段，對于梯級水電站死水位的確定，常以出力、電量為目標采用“網(wǎng)絡(luò)模型法”“動態(tài)規(guī)劃法”進行死水位確定；對于黃河流域為代表的多沙河流，死水位確定時主要以滿足較大的泄流排沙能力為目標；對于承擔綜合利用任務(wù)的水庫，應(yīng)在滿足綜合利用任務(wù)的前提下進行經(jīng)濟技術(shù)綜合比較，確定水庫死水位。

YL水庫工程是一座具有生態(tài)、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程，在滿足綜合利用任務(wù)的前提下，死水位論證采用多方案技術(shù)經(jīng)濟比較來確定。

1.1 水庫工程動能指標計算

(1)計算方法。水庫工程動能指標計算采用時歷法長系列徑流調(diào)節(jié)計算完成，計算時段每年10月—次年5月以月為計算時段，每年6—9月以旬為計算時段。該方法的核心為水量平衡原理，同時結(jié)合出力和電量計算，依托的軟件平臺為EXCELVBA。

(2)基礎(chǔ)資料。徑流資料采用水文專業(yè)提供的YL壩址1957—2016年共60年徑流資料。灌區(qū)綜合用水由農(nóng)業(yè)灌溉用水、工業(yè)、生活和牲畜用水組成。YLKS河綜合用水過程線見表1。

表1 YLKS河綜合用水過程線 單位:萬m3

(3)YL壩址斷面生態(tài)基流量過程見表2。

表2 YL壩址斷面生態(tài)基流量過程 單位：m3/s

(4)庫容曲線采用新疆水利水電勘測設(shè)計研究院測量隊2015年調(diào)繪的1∶10000地形圖量算，YL水位-庫容關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 YL水位-庫容關(guān)系曲線

(5)YL水電站不同過機流量時的水頭損失(含沿程損失和局部損失)情況見表3。

表3 YL水電站發(fā)電水頭損失表

(6)電站綜合出力系數(shù)取8.6。

(7)YL水電站下游尾水位-流量關(guān)系見表4。

表4 YL水電站下游尾水位-流量關(guān)系表

1.2 泥沙淤積計算

泥沙沖淤計算采用一維懸移質(zhì)不平衡輸沙數(shù)學模型。采用的計算方法為不平衡有限差分法。

1.2.1懸移質(zhì)平均含沙量沿程變化方程

(1)

1.2.2水流挾沙力方程

對于數(shù)模計算，主要為長系列年研究，因而更有必要考慮懸移質(zhì)泥沙的淤積影響。本數(shù)模進行懸移質(zhì)水流輸沙能力計算采用張紅武水流挾沙力公式：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Sv—體積比含沙量；κ—卡門常數(shù)；γs—泥沙容重，t/m3；γm—清水容重，t/m3；h—水深，m；ωs—泥沙群體沉速，m/s；ωsk—第k組粒徑泥沙在渾水中沉速，m/s；ωok—第k組粒徑泥沙在清水中沉速，m/s；D50—床沙中值粒徑,mm；d50—懸沙中值粒徑，mm；psk—第k組粒徑泥沙的重量百分數(shù)；n—非均勻沙的分組數(shù)。

經(jīng)清華大學舒安平、黃委會江恩惠、朱太順、王嚴平等學者以及國家自然科學基金重點項目“高含沙水流紊動結(jié)構(gòu)和泥沙運動規(guī)律的研究”(項目編號：59339170)，通過大量實測資料檢驗，證實公式是現(xiàn)有公式中最適用于天然河流的水流挾沙力公式，目前已得到廣泛應(yīng)用。因此，采用該水流挾沙力公式，可保證我們所建立泥沙數(shù)學模型正確模擬懸移質(zhì)泥沙沖淤影響。

分組挾沙力可由下式計算：

(6)

1.2.3推移質(zhì)水流挾沙力方程

對于數(shù)學模型中各斷面推移質(zhì)輸沙率的計算采用與懸移質(zhì)邊連續(xù)方程相類似的方法計算，即：

(7)

入庫區(qū)斷面的推移質(zhì)輸沙率采用懸移質(zhì)輸沙率的20%計算。

Qs0=0.2Q0S

(8)

式中，Qs0—進口斷面推移質(zhì)輸沙率，kg/s；Q0—進口斷面流量，m3/s；其他符號含義同前文。

推移質(zhì)主要在主河槽淤積，在水庫淤積三角洲中推移質(zhì)與懸移質(zhì)混合堆積，推移質(zhì)主要堆積在三角洲的尾坡段和頂坡段，隨著淤積年限增加推移質(zhì)淤積面逐漸抬高。

1.2.4水流連續(xù)方程

Qi+1=Qi+Q1

(9)

式中，i—子斷面編號；Qi、Qi+1—進出口斷面流量，m3/s。

1.2.5水面線方程

(10)

1.2.6床變形方程

(11)

式中，a—河床變化面積，；γs—泥沙容重，t/m3；Δt—計算時段，s；其他符號含義同前文。

1.2.7斷面特性曲線處理

淤積時，斷面按濕周等厚分布；沖刷時，沖槽不沖灘，按水平狀態(tài)進行沖刷。

1.3 經(jīng)濟評價指標

本次研究采用經(jīng)濟凈現(xiàn)值指標對各方案的經(jīng)濟性進行評價。

2 工程實例

2.1 工程概況

YL水庫位于KS河中游河段上，是一座具有生態(tài)、灌溉、防洪、發(fā)電等綜合利用任務(wù)的Ⅱ等大(2)型水利樞紐工程[9]。工程樞紐布置由混凝土面板堆石壩(最大壩高233.5m)，1#深孔放空沖沙洞，導流洞、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、2#深孔放空沖沙洞、發(fā)電引水洞，電站等建筑物組成[10]。工程所處流域氣候干燥，植被稀疏，水土流失嚴重，泥沙含量較大。水庫多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量790萬m3，多年平均入庫推移質(zhì)輸沙量86萬m3，庫沙比為60.3，屬于泥沙問題嚴重的水庫[11]。

2.2 死水位方案擬定

死水位論證的核心為在滿足綜合利用任務(wù)的前提下，實現(xiàn)技術(shù)上合理，經(jīng)濟上可行，效益最大，投資最省。針對YL水利樞紐，死水位的選擇難點在于若死水位選擇過高，雖然可以提高發(fā)電效益、降低金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備制造難度、有利于機組選型和運行；但有可能造成水庫泥沙淤積嚴重、縮短水庫使用年限，以及壩高增加而帶來的工程直接費及工程風險加大。若死水位選擇較低，雖然可以減少泥沙淤積，降低壩高、減小工程運行風險；但由于水庫消落深度較大，造成金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備設(shè)計、制造難度增加，機組選型困難，并嚴重影響電站的發(fā)電效益，增加工程運行風險且不利于水庫實際調(diào)度[12]。因此，如何諸多因素中找到死水位選擇的平衡點，是本文研究的重點和難點。

死水位上、下限的擬定應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)條件、泥沙淤積、水工布置和承擔的任務(wù)等方面綜合考慮。YL水庫死水位的下限應(yīng)滿足水工布置要求，水庫壩址斷面河床平均高程1969m，結(jié)合深孔放空沖沙洞、發(fā)電引水洞等水工布置要求，并考慮適當留有余度，水庫死水位最低為2005m。死水位上限從水庫庫容特性分析確定，庫水位2090m以上庫容增幅逐漸增大，抬高死水位，正常蓄水位增加較快，工程投資相應(yīng)增加，而效益增幅較小，因此，死水位上限擬定為2090m。根據(jù)死水位上下限要求，在2005～2090m比選范圍內(nèi)，按水位間隔10m考慮，擬定了10組方案，各方案按同等興利調(diào)節(jié)庫容的原則擬定正常蓄水位，按同等利用小時數(shù)擬定裝機容量。

2.3 結(jié)果與分析

根據(jù)YL水利樞紐工程工程泥沙含量大、壩較高、水庫消落深度大、綜合利用任務(wù)繁重等特點，死水位的選擇應(yīng)充分考慮水庫排沙效果，從而延長水庫使用壽命；工程位于高山峽谷區(qū)，河道狹窄，岸坡陡峻，場地地震基本烈度為Ⅷ度，大壩地震設(shè)防烈度值為Ⅸ度，為強震、寒冷峽谷山區(qū)河段上的230m級高混凝土面板壩，死水位的選擇應(yīng)在滿足興利要求的基礎(chǔ)上，從泥沙淤積、電站動能指標和經(jīng)濟指標等多方面進行綜合比選，合理確定死水位。

2.3.1從泥沙淤積分析

對擬定的10組死水位方案進行水庫泥沙淤積計算，在滿足同等興利庫容條件下，死水位依次增高10m，正常蓄水位增幅為0.5～2m。死水位2005～2050m方案，壩前淤積高程高于死水位，死庫容淤損率均達到100%，正常蓄水位以下淤損率43%～47%；死水位2060～2090m方案，壩前淤積高程低于死水位，死庫容淤損率為97%～86%，正常蓄水位以下淤損率為48%～49%。從水庫泥沙淤積分析，隨著死水位的抬高，泥沙淤積量逐步加大。因此，從泥沙淤積的角度分析，死水位至少應(yīng)該高于一定淤積年限的壩前淤積高程以上，即死水位不宜低于2060m。YL水利樞紐不同死水位方案壩前淤積高程如圖2所示。

圖2 YL水利樞紐不同死水位方案壩前淤積高程圖

2.3.2從電站電量指標分析

隨著水庫死水位的抬高，電站加權(quán)平均水頭增大，水庫消落深度減小，電站受阻減弱，多年平均年發(fā)電量隨之增加，即死水位從2005m抬高到2090m，庫水位消落深度從155m減小至82m，電站多年平均年發(fā)電量從2.80億kW·h增加到5.17億kW·h。因此，從電站動能指標分析，死水位2090m方案較優(yōu)。

2.3.3從經(jīng)濟指標分析

從投資來看，死水位2005m方案投資最大，2070m方案投資最小；從經(jīng)濟凈現(xiàn)值來看，死水位2080m方案經(jīng)濟凈現(xiàn)值最大。因此，從經(jīng)濟指標分析，死水位2080m方案較優(yōu)。YL水庫不同死水位方案動能經(jīng)濟指標比較見表5。

表5 YL水庫不同死水位方案動能經(jīng)濟指標比較表

2.3.4死水位比選分析

根據(jù)SL 104—2015《水利工程水利計算規(guī)范》和《水能設(shè)計》相關(guān)要求，死水位比選時應(yīng)對計算成果進行綜合分析，確定合理的死水位。必要時應(yīng)進行經(jīng)濟比較和分析。

(1)指標綜合評價

從綜合利用要求滿足程度分析，上述10組死水位比選方案，調(diào)節(jié)庫容相同，各死水位方案均可同等程度地滿足工程建設(shè)的綜合利用要求。

從泥沙淤積程度分析，死水位至少應(yīng)該高于一定淤積年限的壩前淤積高程以上，即死水位不宜低于2060m；2060～2090m死水位方案正常蓄水位以下泥沙淤積率為48%～49%，相差不大。

從工程建成后所獲得的電量指標分析，死水位越高，電量指標越優(yōu)，考慮受阻后的多年平均年發(fā)電量為2.80億 ～5.17億kW·h，電量增幅在死水位2020m出現(xiàn)拐點，隨著死水位的增加，電量增幅逐漸減小。

從工程投資分析，工程靜態(tài)總投資隨著死水位的抬高逐漸降低，但在死水位2070m出現(xiàn)拐點。

通過對上述指標的綜合分析，隨著死水位的抬高，工程電量指標逐漸增加；工程靜態(tài)總投資逐漸降低，在死水位方案2020～2070m方案中，死水位2070m方案相對較優(yōu)，但無法判斷與其他方案的優(yōu)劣性。

(2)經(jīng)濟指標比較

采用經(jīng)濟凈現(xiàn)值對各方案進行經(jīng)濟指標計算，從各方案經(jīng)濟指標分析，死水位2080m方案工程經(jīng)濟凈現(xiàn)值最大，為35901萬元，經(jīng)濟指標最優(yōu)。

綜合上述分析，本次YL水庫死水位選擇經(jīng)濟指標最好的死水位方案，在技術(shù)可行的情況下，經(jīng)濟上最合理，推薦死水位為2080m。

3 結(jié)論

通過對YL水利樞紐死水位的比選論證工作，主要得出以下結(jié)論：

(1)一般而言，多泥沙河流死水位選擇時死水位越低沖沙效果越好，但要注意死水位應(yīng)高于壩前淤積高程，YL水庫死水位在2060m以上時，死水位高于壩前淤積高程，且2060～2090m方案正常蓄水位以下庫容淤積率相差不大(48%～49%)。

(2)YL水庫庫容特性較差，壩高較高，屬于消落深度較大的水庫，死水位的選擇應(yīng)充分考慮發(fā)電運行受阻情況；死水位越高，電站消落深度越小，電站發(fā)電受阻越小。YL水庫不同死水位方案下，均存在電量受阻情況，各方案受阻電量占理論發(fā)電量的比例范圍為41.2%～13.1%。本次推薦方案下2080m方案受阻電量占理論發(fā)電量的比例為13.9%。

(3)承擔綜合利用任務(wù)的水庫，由于效益指標和投資指標的相對變化，一般難以通過某類指標的綜合比選來確定，在此情況下應(yīng)通過經(jīng)濟比較綜合確定。本次YL水庫死水位選擇2080m方案，在泥沙淤積、電量效益以及工程投資方面均非最優(yōu)指標，但該方案下經(jīng)濟指標最優(yōu)。

綜上，在多泥沙河流高壩型綜合利用水庫死水位選擇時應(yīng)充分考慮死水位對泥沙淤積、電量受阻的影響，在滿足綜合利用要求的前提下，選擇經(jīng)濟上最合理的方案。