孟明星 沈坤民 張利升

收稿日期：2023-10-25

作者簡介：

孟明星，男，高級工程師，主要從事水利水電規(guī)劃設(shè)計工作。E-mail：mengmingxing@cjwsjy.com.cn

引用格式：

孟明星，沈坤民，張利升.

西藏扎拉水電站排沙運行調(diào)度方式研究

［J］.水利水電快報，2024，45（6）：103-108.

摘要：

扎拉水電站主要任務(wù)為發(fā)電，水庫泥沙淤積問題較為嚴(yán)重將影響發(fā)電效益。為研究出能使水庫長期有效發(fā)揮發(fā)電效益的排沙調(diào)度方式，根據(jù)水庫水沙特點，研究了4種水庫排沙運行調(diào)度方式，分別為不設(shè)排沙運行控制水位方案、設(shè)排沙運行控制水位方案、設(shè)排沙運行控制水位+短時間敞泄排沙方案和不設(shè)排沙運行控制水位＋短時間敞泄排沙方案。結(jié)果表明：設(shè)排沙運行控制水位方案能在主要來沙期固定水位排沙，能較好地排沙并兼顧發(fā)電，是一種合理可行的排沙運行調(diào)度方式。研究成果可為同類型水電站泥沙調(diào)度提供參考。

關(guān)鍵詞：

水庫泥沙； 排沙調(diào)度； 蓄清排渾； 扎拉水電站； 西藏

中圖法分類號：TV679.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.018

文章編號：1006-0081（2024）06-0103-06

0? 引? 言

復(fù)雜多變的泥沙輸移運動是導(dǎo)致水庫淤積的主要原因。目前，國內(nèi)學(xué)者在水庫水沙問題上進(jìn)行了較多研究。姜利玲等［1］ 為提高入庫泥沙沙峰預(yù)報精度、制定更加科學(xué)合理的三峽水庫沙峰調(diào)度方案，基于三峽水庫蓄水以來長江上游主要控制性水文站水沙實測資料，分析了長江上游水沙組成，并對長江上游各主要控制性水文站沙峰傳播時間進(jìn)行了研究。王芳芳等［2］基于1∶60整體模型研究了大古水電站不同運行方式下庫區(qū)的排沙效果。郭榮福等［3］針對泥沙問題較為嚴(yán)重的阿爾塔什水庫，開展了庫內(nèi)泥沙淤積演變過程、淤積形態(tài)以及淤積量等試驗研究。劉娜等［4］采用泥沙沖淤數(shù)值模型，研究了不同排沙水位對烏弄龍電站效益的影響。水庫運行調(diào)度方式與水庫泥沙淤積密切相關(guān)，影響水庫興利作用的發(fā)揮。蔡淑兵等［5］針對巴基斯坦卡洛特水電站調(diào)節(jié)庫容小、入庫沙量大等工程特點，總結(jié)了水庫運行水位選擇和排沙調(diào)度運行方式研究成果，提出了合理可行的工程規(guī)劃方案。黃濤［6］以烏魯瓦提水庫工程為例，利用數(shù)值模型對 4 種不同調(diào)度方式下的泥沙淤積狀況進(jìn)行模擬研究，以盡可能保持有效庫容和利用棄水排沙。吳樂平［7］開展了兼顧排沙與發(fā)電效益的小浪底水庫水沙優(yōu)化調(diào)度研究。經(jīng)過多年探索研究，泥沙運動理論、淤積形態(tài)等研究已經(jīng)相對成熟，但仍需對水庫排沙運行調(diào)度方式進(jìn)行探討，以最大程度滿足水庫減於排沙的要求。

本文采用一維全沙數(shù)學(xué)模型，研究不同排沙運行調(diào)度方式對西藏扎拉水電站水庫運行的影響，推薦合適的運行方式，為該電站運行提供依據(jù)。

1? 工程概況

西藏扎拉水電站采用混合式開發(fā)方式，壩址位于昌都市左貢縣碧土鄉(xiāng)，廠址位于林芝市察隅縣察瓦龍鄉(xiāng)，利用水頭超過650 m。扎拉水電站正常蓄水位為2 815 m，相應(yīng)庫容為862萬m3，死水位和排沙運行控制水位均為2 811.5 m，調(diào)節(jié)庫容136萬m3。天然情況下扎拉水電站壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為91.9萬t，多年平均含沙量為0.266 kg/m3。來沙主要集中在6～9月，期間輸沙量占全年的89.6%。多年平均推移質(zhì)輸沙量為13.8萬t，庫沙比為10.6?？傮w來看，扎拉水電站具有水頭高、調(diào)節(jié)庫容小、入庫沙量相對較大等工程特點，泥沙問題較嚴(yán)重。為保證電站能長期運用，除了壩身布置排沙底孔外，需在汛期結(jié)合沖沙運行方式，將大部分泥沙排到下游，以在一定程度上解決泥沙淤積問題。

2? 調(diào)度方式擬定

以控制水庫泥沙淤積為目的的水庫運用方式主要有蓄洪運用、蓄清排渾運用、緩洪運用和多庫聯(lián)合運用等類型［8-9］。借鑒中國在多沙河流上的長期研究成果［10-13］，結(jié)合扎拉水電站工程特點，選擇“蓄清排渾”的運用方式處理水庫泥沙問題。根據(jù)水庫的水沙條件和工程任務(wù)，采用以下幾種運行調(diào)度方案［14-15］。

（1） 汛期控制庫水位，汛末蓄水。根據(jù)水庫來水和來沙情況，在滿足水庫興利的前提下，設(shè)置排沙水位。汛期水庫控制在排沙水位運行，汛末蓄水運用。一般兼顧發(fā)電或有發(fā)電要求的水庫可采用這種運行方式。

（2） 汛期控制庫水位，相機(jī)排沙調(diào)度。水庫在汛期設(shè)置排沙水位，根據(jù)來水來沙情況，在泥沙含量不大的情況下，水庫在汛期控制庫水位運用；在含沙量大時，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根據(jù)來水來沙和水庫使用要求確定排沙條件，當(dāng)水量或沙量大于某一界限時，水庫水位降低至最低排沙水位運用；否則，水庫則在汛期控制水位運用。采用這種運行方式的水庫，由于汛期空庫或低水位排沙運用，水庫降低水位后可能減少發(fā)電或不能發(fā)電，影響水庫興利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水庫在汛期打開底孔閘門，不控制水位，敞泄運用；汛末再關(guān)閉底孔閘門，水庫蓄水運用。如果沒有發(fā)電要求，以灌溉和防洪為主的水庫可采用這種運行方式。

鑒于壩址懸移質(zhì)泥沙幾乎全部集中在汛期、沙量比水量更加集中的水沙特性，以及扎拉水電站利用水頭高、庫沙比小的特點，從保證電站正常取水發(fā)電、確保足夠的調(diào)節(jié)庫容及盡量減少水庫泥沙淤積對電站發(fā)電的影響等方面考慮，本次研究擬定了4種排沙運行調(diào)度方式。

2.1? 方案1

方案1為不設(shè)排沙運行控制水位方案。汛期以滿足電網(wǎng)電力電量需求為原則進(jìn)行發(fā)電調(diào)度，水庫水位在正常蓄水位和死水位之間變動。

2.2? 方案2

方案2為設(shè)排沙運行控制水位方案。枯水期水庫水位在正常蓄水位和死水位之間變動，在來沙量比較集中的主汛期6～9月，庫水位維持在排沙運行控制水位2 811.5 m運行，調(diào)度方式如下：①? 當(dāng)洪水來量不超過排沙運行控制水位相應(yīng)泄量時，按洪水來量下泄，維持壩前水位不變；② 當(dāng)洪水來量大于排沙運行控制水位相應(yīng)泄量時，按相應(yīng)頻率洪水泄流能力下泄，多余洪量存蓄在庫中，壩前水位相應(yīng)抬高。

2.3? 方案3

方案3為設(shè)排沙運行控制水位+短時間敞泄排沙方案。在方案2的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究來水量較大時，短時間停機(jī)敞泄集中拉沙的運行方式。采用扎拉水電站壩址2012～2015年逐日水沙系列，對不同流量級的累計輸沙量進(jìn)行統(tǒng)計（圖1），根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，入庫流量大于225 m3/s的天數(shù)為47 d，期間累計入庫沙量占年入庫沙量的75.49%；入庫流量大于300 m3/s的天數(shù)為25 d，期間累計入庫沙量占年入庫沙量的53.70%；入庫流量大于400 m3/s的天數(shù)為7.8 d，期間累計入庫沙量占年入庫沙量的28.04%。入庫流量超過450 m3/s，平均每年出現(xiàn)的天數(shù)小于5 d。

根據(jù)不同排沙流量方案泥沙淤積計算成果，開始排沙的流量越小，電站停機(jī)排沙時間越長，越有利于減少水庫泥沙淤積量和過機(jī)泥沙量、降低壩前泥沙淤積高程，但電站電量損失相應(yīng)也越大。由于扎拉水電站發(fā)電效益主要集中在汛期，因此，在綜合考慮水庫排沙效果和發(fā)電效益的基礎(chǔ)上，從既能較大程度排沙，又盡量減少電站發(fā)電損失等方面綜合考慮，按每年停機(jī)排沙時間不超過10 d，初擬敞泄起始流量為400 m3/s，損失電量約為0.82億kW·h，約占多年平均發(fā)電量的2%。

扎拉水電站水庫敞泄降低壩前水位過程中的最大下泄流量，應(yīng)以不惡化下游河道5 a一遇防洪形勢為控制條件。考慮留有一定的調(diào)度余度，在水庫預(yù)泄降低水位過程中，最大下泄流量按不大于800 m3/s考慮。

扎拉水電站的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，利用水頭超過650 m。在確保大壩防洪安全的前提下，應(yīng)充分利用水能資源，最大限度增加電站發(fā)電效益，并盡量減少庫區(qū)泥沙淤積，減少過機(jī)泥沙，滿足電站進(jìn)水口“門前清”和調(diào)節(jié)庫容的要求。本方案擬定的排沙調(diào)度運行方式如下：

（1）? 主汛期6～9月在排沙運行控制水位2 811.5 m運行。

（2）? 入庫洪水大于400 m3/s時，按不超過800 m3/s下泄，庫水位相應(yīng)降低，在樞紐泄洪設(shè)施泄流能力小于800 m3/s時敞泄。

（3） 入庫洪水小于400 m3/s時，關(guān)閉閘門，庫水位回蓄至排沙運行控制水位2 811.5 m。

（4）? 其他月份，水庫水位一般在正常蓄水位和死水位之間運行。

2.4? 方案4

方案4為不設(shè)排沙運行控制水位+短時間敞泄排沙方案。在方案1的基礎(chǔ)上，采用扎拉水電站壩址2012～2015年逐日水沙系列，進(jìn)一步研究不設(shè)排沙運行控制水位，僅在來水量較大時短時間停機(jī)敞泄集中拉沙的運行方式。根據(jù)方案3對扎拉壩址2012～2015年逐日水沙系列的分析，本方案擬定的排沙調(diào)度運行方式如下：① 水庫水位一般在正常蓄水位和死水位之間變動。由于汛期6～9月來水量大，按正常蓄水位運行考慮；② 入庫洪水大于400 m3/s時，按不超過800 m3/s下泄，庫水位相應(yīng)降低，在樞紐泄洪設(shè)施泄流能力小于800 m3/s時敞泄；③ 入庫洪水小于400 m3/s時，關(guān)閉閘門，庫水位回蓄至正常蓄水位；④ 其他月份，水庫水位一般在正常蓄水位和死水位之間運行。

3? 研究采用的模型

扎拉水電站庫區(qū)泥沙來源包括懸移質(zhì)泥沙與推移質(zhì)泥沙，故計算采用的數(shù)學(xué)模型為水庫庫區(qū)一維全沙沖淤數(shù)學(xué)模型，其基本方程組如下。

水流運動方程和連續(xù)方程：

Zx+Jf+12gU2x+1gUt=0

Qx+At=0

懸移質(zhì)泥沙連續(xù)方程：

（QSi）x+（ASi）t+αB（Si-S*i）ωi=0

（i=1，2，…，8）

水流挾沙力方程：

S*=S*（U，Z，ω，…）

推移質(zhì)輸沙率方程：

Gb=Gb（U，Z，d，…）

懸移質(zhì)河床變形方程：

（QS）x+（γ′sΔA1）t+（AS）t=0

推移質(zhì)河床變形方程：

（Gb）x+（γ′sΔA2）t=0

式中：Z為水位；

Q為流量；

Jf為能坡；

U為流速；

A為過水面積；

g為重力加速度；

S，S*分別為斷面平均含沙量及水流挾沙力，腳標(biāo)“i”為第i粒徑組；

Gb為推移質(zhì)輸沙率；

γ′s為干容重；

ΔA1、ΔA2分別為懸移質(zhì)和推移質(zhì)斷面沖淤面積；

B為水面寬度；

x為沿程距離；

t為時間；

ω為泥沙顆粒靜水沉速；

d為粒徑；

α為恢復(fù)飽和系數(shù)（淤積取值為0.25，沖刷取值為1.0）。

基于圣維南方程組，根據(jù)實際計算對基本方程組進(jìn)行了簡化。簡化假定將整個計算時段劃分成若干小的計算時段，將長河段劃分為若干個短河段，且在計算時段內(nèi)，短河段內(nèi)除ΔA以外，其他因子不變，即按恒定流考慮，而在不同時段不同河段各因子可以不同，并忽略微小量。推移質(zhì)輸沙率采用長江科學(xué)院研究的推移質(zhì)輸沙經(jīng)驗曲線求得。

求解方程組時采用非耦合解，每個計算時段分3步計算，首先推求水面線，算出各斷面的水力要素；第二步求各河段各組泥沙（包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)）的沖淤量；第三步修改橫斷面形態(tài)。

4? 泥沙淤積主要計算條件

（1） 計算河段及斷面。計算河段為扎拉壩址至庫尾河段，全長約17.9 km，共劃分70個斷面，平均斷面間距0.26 km。

（2） 水沙代表系列。按照代表系列年的水沙平均值應(yīng)與多年平均值接近，典型年應(yīng)包括大水大沙、中水中沙、小水小沙等各種不同的來水來沙情況，代表系列應(yīng)具有連續(xù)性等原則。采用10 a滑動平均法，統(tǒng)計分析了1979～2015年的水沙資料，選擇代表系列為1984～1993年水沙系列。1984～1993年典型系列壩址處年均徑流量較多年平均年徑流量偏離2.9%；年均輸沙量較多年平均輸沙量偏離1.2%，在統(tǒng)計時段內(nèi)與多年平均徑流量、輸沙量較為吻合（圖2）。該典型系列年包括了年水量的豐、中、枯及年輸沙量的大、中、小等多種類型的組合情況。

（3） 泥沙顆粒級配。根據(jù)壩址河段懸移質(zhì)泥沙取樣分析，中值粒徑為0.036 mm，平均粒徑為0.048 mm，最大粒徑為0.645 mm。根據(jù)壩址河段床沙取樣分析結(jié)果，左岸最大粒徑為296.1 mm，中值粒徑為162.0 mm；右岸最大粒徑為305.2 mm，中值粒徑為161.6 mm。

5? 調(diào)度方式初步研究

5.1? 庫區(qū)泥沙淤積量（含推移質(zhì)）

扎拉水電站庫沙比約為10，泥沙問題較嚴(yán)重。建庫后，壩前正常蓄水位較天然情況抬高約54 m，改變了天然條件下的水流特性，降低了河道輸沙能力，引起泥沙大量落淤，庫區(qū)泥沙淤積發(fā)展迅速。各方案庫區(qū)泥沙淤積量見圖3，河道縱剖面變化分別見圖4～7。

由圖3可見，由方案1至方案4，各運行年份水庫泥沙淤積量遞減，水庫運行10 a末、30 a末、50 a末，方案2庫區(qū)泥沙總淤積量較方案1分別少2.5%，9.7%，10.0%；相同年份，方案3較方案2分別少55.8%，47.8%，27.4%，方案4較方案2分別減少53.5%，45.7%和25.5%。各方案各運行年份水庫排沙比增大，水庫沖淤平衡年份均在運行30～40 a 間。

從淤積分布看，各方案庫區(qū)泥沙淤積均呈三角洲形態(tài)，方案1和方案2淤積發(fā)展較快，而方案3和方案4運行至50 a末三角洲仍未到達(dá)壩前。

5.2? 壩前泥沙淤積高程

由圖4～7進(jìn)一步分析可知，由于汛期運行水位相對較高，方案1淤積三角洲向壩前發(fā)展速度較方案2相對減緩，在淤積三角洲未到達(dá)壩前時，方案1壩前深泓高程較方案2低，水庫運行20 a末深泓高程分別為2 767.27 m和2 768.27 m；淤積三角洲到達(dá)壩前后，方案1壩前深泓高程較方案2高，50 a末深泓高程分別為2 804.80 m，2 803.09 m。方案3不同運行年份壩前深泓高程為2 759.58～2 759.96 m，方案4不同運行年份壩前深泓高程為2 759.53～2 759.85 m，變化均不大，基本可以做到“門前清”。

5.3? 調(diào)節(jié)庫容剩余比

水庫蓄水運用后，庫區(qū)泥沙淤積必將引起水庫庫容的損失。各方案調(diào)節(jié)庫容剩余比見圖8。隨著運行年份的增加，各方案調(diào)節(jié)庫容的剩余比基本呈減少趨勢。方案1～4調(diào)節(jié)庫容損失速率加快。相同運行年份來看，方案1調(diào)節(jié)庫容剩余比最小，方案2和方案4次之，方案3損失最大，如水庫運行10 a末、30 a末、50 a末，方案1調(diào)節(jié)庫容剩余比分別為89.0%，71.8%，71.0%，比方案2分別小4.7%，9.6%，5.8%，比方案3分別小6.9%，13.9%，9.0%，比方案4分別小4.1%，12.2%，5.3%。

5.4? 出庫含沙量

水庫興建后，大量泥沙攔蓄在庫內(nèi)，出庫沙量減小、變細(xì)。隨著庫內(nèi)泥沙淤積不斷發(fā)展，出庫含沙量與出庫級配逐漸恢復(fù)。各方案出庫含沙量見圖9。由圖9可知，方案1和方案2由于汛期控制水位較高、泥沙淤積發(fā)展至壩前的速度減緩，出庫含沙量略小，至水庫泥沙沖淤平衡后，各方案出庫含沙量相差不大。

5.5? 方案選擇

從庫區(qū)泥沙淤積量、壩前泥沙淤積高程、調(diào)節(jié)庫容剩余比、出庫含沙量等方面比較了4個排沙調(diào)度運行方案的水庫泥沙沖淤情況。方案3和方案4采用遇較大流量敞泄排沙的方式，對確保較大的調(diào)節(jié)庫容及電站進(jìn)水口前“門前清”、盡量減少粗顆粒泥沙過機(jī)、盡量減少水庫泥沙淤積對電站發(fā)電的影響等方面效果較好，方案2次之，方案1效果較差。

由于水庫特性及資料所限，在方案3和方案4研究過程中仍存在以下需進(jìn)一步研究的問題：

（1） 限于資料，本次初步研究采用的2012～2015年逐日水沙系列較短，代表性不足，尚需收集更長時序資料以分析其代表性。

（2） 敞泄時由于只控制最大出庫流量，對庫水位下降幅度沒有限制，在入庫流量大于400 m3/s時，庫水位從2 811.5 m降至2 780 m（400 m3/s相應(yīng)泄流能力），降低約31.5 m，用時約5 h，遠(yuǎn)超1 d庫水位下降不超過5 m的安全經(jīng)驗值，可能影響水庫庫岸穩(wěn)定。若降水位過程中，庫水位下降幅度按5 m/d 控制，視入庫流量不同，庫水位降至2 780 m需時將超過6 d，對山區(qū)河流而言，洪水早已過壩。

鑒于方案3和方案4存在的問題，尤其是對庫岸安全穩(wěn)定的影響，本次研究以方案2作為水庫排沙運行調(diào)度推薦方案，即在主汛期6～9月按排沙運行控制水位2 811.5 m運行，其他月份庫水位在正常蓄水位和死水位之間變動。以上分析均按扎拉水電站單獨運行考慮。實際上，扎拉水電站上游約17 km為銜接梯級碧土水電站，其死庫容約5 500萬m3，預(yù)計將與扎拉水電站同時建成，其較大的死庫容將攔下扎拉水電站絕大部分推移質(zhì)及部分懸移質(zhì)，大大改善扎拉水電站的泥沙問題。

6? 結(jié)? 語

本文結(jié)合扎拉水電站工程特點及水沙特性，開展了汛期排沙運行調(diào)度方式研究，從庫區(qū)泥沙淤積量、壩前泥沙淤積高程、調(diào)節(jié)庫容剩余比、出庫含沙量等方面比較了扎拉水電站單獨運行時，4個排沙調(diào)度運行方案的水庫泥沙沖淤情況，分析表明，方案2能在主要來沙期固定水位排沙，既能較好排沙，又能兼顧發(fā)電，是一種合理可行的排沙運行調(diào)度方式。研究成果可用于指導(dǎo)電站設(shè)計及水庫調(diào)度運行，也可為其他同類型電站的規(guī)劃設(shè)計和調(diào)度運行提供參考。鑒于實測水沙資料較少，下階段可在壩址附近繼續(xù)觀測水沙特性，并在此基礎(chǔ)上，采用具有一定代表性的水沙系列，在工程運行前期階段進(jìn)一步研究汛期排沙運行調(diào)度方式。同時，在實際運行調(diào)度中，可根據(jù)上游水電梯級攔沙情況，適時調(diào)整運行調(diào)度方式。在水庫運行后，定期測量水庫淤積地形，及時掌握水庫淤積狀況，為調(diào)整排沙調(diào)度運行方式、實施排沙減沙措施提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：（補(bǔ)充《人民長江》《水利水電快報》近3年發(fā)表文獻(xiàn)各1篇，并在文中按順序引用）

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［15］? 趙妮.新疆多泥沙河流水庫泥沙處理措施［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2020（1）：147-151.

（編輯：李? 慧）

Study on operation and regulation mode of sediment discharge of Xizang Zhala Hydropower Station

MENG Mingxing1，SHEN Kunming2，ZHANG Lisheng1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Hunan Lishui Hydro & Power Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

Abstract：

The main task of Zhala Hydropower Station is to generate electricity，and the problem of sediment accumulation in the reservoir is relatively serious. To study the sediment discharge scheduling methods that can effectively utilize the power generation benefits of reservoirs in the long term，four sediment discharge scheduling methods were studied based on the characteristics of reservoir water and sediment，such as no sediment discharge control water level scheme，sediment discharge control water level scheme，sediment discharge control water level plus short-term open discharge sediment scheme，and no sediment discharge control water level plus short-term open discharge sediment scheme. The results showed that the sediment discharge control water level scheme can fix the water level for sediment discharge during the main sediment season，which can effectively discharge sediment and generate power. It is a reasonable and feasible operation and scheduling method for sediment discharge. The research results can provide a reference for sediment scheduling of similar hydropower stations.

Key words：

reservoir sediment； sediment releasing operation； storing clear water and releasing muddy water； Zhala Hydropower Station； Xizang