汛期特殊运用年份水库冲淤特性分析(乐金苟,王桂娥,杨燕)

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汛期特殊运用年份水库冲淤特性分析水利论文XK1GJU.c

乐金苟,王桂娥,杨 燕水利论文q9Xc3m}(F|
(三门峡水利枢纽管理局)
水利论文 K5e2SA9V ^Rx

摘要:根据汛期特殊运用年份的水库运用情况,通过实际观测资料,与来水条件相似的正常运用年份对比分析潼关以下库区冲淤变化以及潼关高程升降的基本规律。对比分析可知:平水期适当抬高水位运用,不对潼关以下库区及潼关高程的自然冲刷状态产生不利影响;在洪水期水量沙量集中时,应尽量降低水位(295298m)排沙运用,增加峰前比降,加大洪水冲刷力度,排沙效果会更好。水利论文@(U}!N:v!M}

关键词:特殊运用;汛期;冲淤分析

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作者简介:乐金苟(1951-),男,三门峡水利枢纽管理局防办主任。

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  三门峡水库自1973年12月 “蓄清排浑”运用以来,汛期按照“四省会议”确定的运用原则,一般情况控制库水位305m,必要时降到300m。期间没有进行“下大洪水”的补偿调节运用。水库上游发生洪水时,枢纽所有泄水孔全部打开敞泄排沙,入库流量大于水库泄流能力时出现自然滞洪,平水期一般控制水位305~300m。70年代,由于受工程改建及机组安装施工影响,部分场次洪水滞洪水位较高,汛期最高水位均发生在洪水期。1989、1994、1999年汛期,水库进行了特殊运用,为满足特殊运用要求,汛期平水期水库进行蓄水运用,洪水期敞泄,汛期最高水位并没有出现在洪水期,而是出现在特殊运用期的平水期。以下对水库这三年特殊运用及库区冲淤情况做出分析。

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1 汛期特殊运用情况介绍水利论文 v7m J M#h:A"M X

  1989年7月,为研究汛期调水调沙减轻下游河道淤积和汛期发电调峰运行潜力,为小浪底水库建成后汛期发电调峰运行和调水调沙的优化调度提供设计依据和运行经验,在三门峡水库进行了日调节调峰运行模拟试验,观测坝区不同水位下水流泥沙运动和漏斗形态变化,泄水建筑物的分流分沙和底孔前淤积地形变化。试验中最高水位为309.47m。

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  1994年汛期,由于枢纽2隧洞出口塌方影响水库泄洪运用,需在汛期进行紧急加固处理,施工要求平水期溢流坝段不过流,出流主要通过发电机组,最高水位高达318.28m(7月18日)。预报有洪水时,施工停止,及时降低水位敞泄排沙,洪水平均起调水位301.22m,排沙效果良好。水利论文Oq,rHn O6un:Y

  1999年10月下旬,小浪底水库按计划下闸蓄水运用,由于泄流建筑物底坎175m高程以下有近4亿m3的死库容,为缩短小浪底水库蓄水过程中造成黄河下游的断流时间,要求三门峡水库提前蓄水运用,在小浪底水库下闸后加大下泄,缩短其死库容充填时间,从而缩短黄河下游断流时间。按要求三门峡水库10月5日开始蓄水,至10月23日蓄水位最高达318.22m。根据当时干流来水情况,经三门峡水库集中补水运用后缩短下游断流时间3天多。

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2 水库运用

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2.1 1989年日调节运用水利论文.u zaS5A \ gz!OE

  1989年日调节试验期(7月7~15日)在汛初平水期进行,最高水位309.47m。日调节试验通过调节泄流底孔和隧洞开度,使出库流量在400~2600m3/s之间变化,库水位在一日内相应升降。 观测分析结果阐明了汛期调节运用水位为305~312m的可行性,在不影响库区淤积变化的条件下,利用此水位下0.3~1.5亿m3槽库容调节水沙,实行调峰发电运行。在调峰运行中调节水流流态,形成坝区异重流运动,利用泄水孔分布高程进行分流分沙,达到满足水库冲刷排沙要求,从而优化水库运用方式。水利论文:|3|-j@&T m0M!WE)r

2.2 1994年配合2隧洞出口抢险运用

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  1994年汛期枢纽2隧洞出口塌方紧急加固处理,按黄河防总要求,库水位控制在318m运用。施工安排在平水期进行,此时溢流坝段泄流孔不能过流,水库出流只通过发电机组,来水较小时,控制库水位在305m左右,来水大于机组出流时库水位上涨。当预报有3000m3/s以上洪水时,提前两天将施工队伍和设备撤离施工现场,投入24个泄流孔(2隧洞不投入泄洪运用)降低水位泄洪排沙,5次洪水平均起调水位为301.22m,即兼顾了抢险施工需要也满足了泄洪排沙的要求。这次抢险施工为水库汛期采用“洪水排沙,平水发电”的运用方式提供了一个难得的原形试验机会,为研究洪水排沙水位和平水控制水位突破“四省会议”确定指标提供了第一手资料。具体水位控制见表1。

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表1 1994年汛期2隧洞施工水库运用情况表水利论文/A^K~,@%l%}4G4X}9y
Table 1 Conditions of reservoir operation during construction of tunnel No.2 in flood season in 1994

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时段运用方式平均库水位(m)平均入库流量(m3/s)最大入库流量(m3/s)

7.01~7.08发电运用310.661175  
7.09~7.13排沙运用304.4222265000
7.14~8.02发电运用311.781071  
8.03~8.22排沙运用300.7021507380
8.23~9.01发电运用305.121620  
9.02~9.05排沙运用300.5521383660
9.06~10.31发电运用307.10796

  1994年的特殊调度证明,工程经改建和启闭设备改造后,水库泄流能力增加,启闭历时缩短,水库调度变得更加灵活和快捷,加上水文预报手段的改进和现代化技术的应用,提高了预报的精度,增长了预见期,平水期含沙量相对较小时适当抬高水位兴利运用是可行的,排沙和兴利可以兼顾,并且不影响库区正常的冲刷发展。

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2.3 1999年配合小浪底下闸蓄水运用水利论文%`Xq;]EFp6a9u7X

  根据水利部要求1999年10月5日,三门峡开始为小浪底水库下闸预蓄水量,此阶段入库流量小,且主要来自黄河上游,10月23日按计划蓄至最高水位318.22m(相应库容4.5亿m3)。24日三门峡水库开始增加下泄,按日均1300 m3/s 向下游补水,以尽可能减少下游断流时间,28日小浪底坝下开始过流,标志着三门峡水库配合工作圆满完成。

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  为直观反映汛期特殊运用年份水库洪水期、平水期运用情况,将汛期运用特征值统计列于表2。水利论文m2i7S5}8b,u1l0zi*H

表2 汛期水库特征值统计表
kC,]\-^Yj ^3]#}0Table 2 Statistics of reservoir characteristic values in flood season水利论文1aDZ0d9~_

水位单位:m\ 流量单位:m3/s水利论文lx%T,P C4T7r@


年份平均水位最大洪峰流量

洪水期水利论文k^ ~iAR

平水期

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平均起调水位最高滞洪水位平均水位最高水位

1989304.217280303.8308.30304.83309.47
1994306.617360301.22309.79307.37318.28
1999306.042950297.61306.35308.96318.22


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3 库区泥沙冲淤分析水利论文$]e!Q%}Q:l

  三年汛期特殊调度运用(平水期)1989和1999年分别在汛初(7月)和汛末(10月)进行短期特殊调度,1994年是整个汛期4个月全部进行特殊调度,在分析库区冲淤特性时重点分析1994年。1994年汛期来水及洪水情况与正常运用年份的1986年相近,在资料分析中将这年的水沙及冲淤情况与1994年进行比较(见表3)。1989年汛期浑水发电试验的第一年,汛期5场洪水有4场是在发电试验机组运行过程中,为满足机组运行的最低水头要求,洪水起调水位偏高,因此在分析洪水排沙水位时用1989年资料与其他年份进行比较。

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表3 汛期泄洪排沙运用情况水利论文H)aO5~DG%zX#G D
Table 3 Conditions of discharging flood and sediment in flood season

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年份运用情况最大洪水利论文#O0i}g z~!]y
峰流量水利论文;{;Qz}_5G
(m3/s)
平均排沙
d\ @ X(P-q0起调水位水利论文 qyU'G@&`zA}-o^
(m)
最高滞水利论文{V,Yt0i1D
洪水位
M5d/waZ%|h2m[+O0(m)
汛 期洪水期

水量
^z!S E(Z3R0(亿m3)
沙量
{#w\-jy Q q2F0(亿t)
水量
K.A(O d8A0(亿m3)
沙量
Kf G^*w1Q#J_#Z4s0(亿t)

1989特殊7280303.8308.30205.36.59136.35.0
1994特殊7360301.22309.79133.610.564.48.88
1986正常3940304.32306.87140.73.0665.22.46

注:1986年汛期水量和沙量包括汛期第一场洪水6月29~30日的水量6.7亿m3、沙量1.0亿t。

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3.1 断面法库区冲淤分析

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  根据每年三门峡水库库区大断面统测资料,可以分析各年汛期库区潼关以下断面间冲淤量及其分布情况。各年汛期分段冲淤量见表4。水利论文)X s^_7_0g)aDZ

表4 汛期分段冲淤量水利论文(o hv]%n.et
Table 4 Amounts of erosion and deposition in every reach in flood season水利论文Z peX)k$kfu(m

单位:亿m3

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年 份

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汛期断面间分段冲(-)淤(+)水利论文(Xj"Xq'ER

全段

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0~1212~2222~3131~3636~41

1989-0.0363-0.3276-0.4273-0.1405-0.0615-0.9932
1994-0.0951-0.2906-0.7795-0.31110.0071-1.4692
19990.0081-0.1688-0.6656-0.3145-0.069-1.2098
1986-0.043-0.2008-0.3597-0.16550.0736-0.6954
1985~1994平均-0.0089-0.3288-0.5458-0.2020-0.023-1.108

  从冲刷量分布可以看出,汛期冲刷分布重心基本都在黄淤22~31断面(北村~大禹渡)之间,除1994年外,其余年份冲刷均发展到~潼关河段水利论文J{[3C^ @

  以1994年汛期运用与来水条件相似的1986年、1992年相比,汛期水量都在135亿m3左右,洪水期水量在70亿m3左右,但汛期及洪水期来沙量1994年是最大的(见表3),比1986年汛期沙量多7.44亿t。在水库运用中1994年汛期平水期虽控制水位较高,平均307.37m,但由于在来沙量占汛期85%的洪水期,水库敞泄起调水位低(301.22m)排沙效果较好,潼关以下库区冲刷1.4692亿t,较1986年多冲0.7738亿t。因施工的特殊要求1994年平水期最高水位偏高(318.28m),冲刷没有发展到以上,潼段略有淤积,但淤积量仍小于1986年。

  以1989年和1994年汛期洪水期排沙的起调水位对比分析,从来水量看1989年是较丰年份,汛期来水量205亿,较1994年偏多71.7亿,相应来沙量较1994年偏小3.91亿t,应该是一个对库区冲刷有利的水沙年份,虽平水期控制水位也没有超过“四省会议”确定的305m指标,但洪水峰前库水位偏高,洪水平均起调水位较1994年偏高2.5m左右(见表3),减小了洪峰峰前比降,降低了洪水冲刷能力,使潼关以下库区较1994年少冲刷0.476亿m3,潼关高程较1994年少降低0.03m(见表5)。

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3.2 潼关高程变化情况

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  潼关高程是三门峡水库运用中比较敏感的问题,也是最复杂、最难解决的问题,许多专家学者对这一问题进行了多年、深入的分析研究,普遍认为水库在初期运用中的失误,造成了潼关高程上升速度过快,产生一系列不利影响已成事实,70年代以后水库运用方式做了很大调整,旨在水库运用不影响潼关高程的自然升降,但潼关高程影响因素复杂,在现有的水沙条件下,仅靠降低三门峡水库运用水位是不能改变现状的,必须进行综合治理。因此,在研究三门峡水库运用对潼关高程的影响时应全面、科学地予以考虑。特殊运用年份潼关高程汛期变化情况见表5。

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  潼关高程汛期变化主要受来水来沙条件的影响,并与洪水期排沙水位、汛前潼关高程等因素有很大关系,在相同来水条件下,汛前潼关高程低,汛期冲刷下降值相对要小,反之下降值大。1994年与1986年相比,1994年汛前潼关高程比1986年高,汛期洪水期运用方式基本相同,到汛末1994年潼关高程下降0.29m,而1986年潼关高程反而上升0.1m。可以说明,只要洪水期水库创造有利的排沙条件,在平水期适当抬高水位运用,不影响潼关高程的冲刷下降。水利论文 V!r?D$Uj Gr

表5 汛期潼关高程变化情况表水利论文+@6d8YZSU#BnA
Table 5 Variation of Tongguan elevation in flood period水利论文,[|9_US:I-O YPG|-^

单位:m

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年份汛前潼关高程汛后潼关高程潼关高程升(+)降(-)值

1989327.62327.36-0.26
1999328.18328.12-0.06
1994327.99327.70-0.29
1986327.08327.180.1

  综合分析汛期水沙情况、洪水排沙起调水位、平水期控制运用水位等因素,汛期水库溯源冲刷发展主要取决于汛期洪水场次的多少、洪水量级的大小以及水库排沙水位的高低,平水期适当抬高控制水位(310m)运用基本不影响溯源冲刷的发展。洪水期降低洪水起调水位(295~298m),可增加峰前比降,加大洪水冲刷力度,有利于潼关高程的稳定与下降,这种运用方式在小浪底水库投运后是可行的。水利论文UE]g}.LX%G0o0v"Q

4 结论

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4.1 汛期平水期的运行方式

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  在1986年龙羊峡水库投运后,特别是万家寨、小浪底水库的相继投运,使三门峡水库的来水来沙条件和运行环境发生了很大改变,在这种新的边界条件下,特殊年份的运用实践尤其是1994年的运用和库区相应的冲刷规律可以得出如下启示:7~8月份平水期水位按307~308 m控制,9~10月平水期可逐步将水位过渡到310~315m运用,既没有对潼关以下库区及潼关高程的自然冲刷状态产生不利影响,又可适当加大平水期近坝段的调水调沙库容,有利于下游供水及综合效益的发挥。

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4.2 汛期洪水期的运行方式

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  汛期由于上游水库的拦蓄,使得三门峡水库入库洪水发生的几率降低,洪峰流量减小,同时小浪底水库的投运使三门峡水库排沙运用更加灵活。因此,要长期保持三门峡水库的有效库容,控制潼关高程,必须改变原有的水库排沙标准。汛期排沙洪水的量级可以降至2000m3/s,洪水期水量沙量集中,应尽量降低水位(295~298m)排沙运用,增加峰前比降,加大洪水冲刷力度,排沙效果会更好。

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