小浪底水库运用后三门峡水库运用方式的初步研究(曲少军,丁六逸,缪凤举,梁国亭,…

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小浪底水库运用后三门峡水库运用方式的初步研究

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曲少军1,丁六逸2,缪凤举2,梁国亭1,钱意颖1
)Hn6n\jV6k0(1.黄委会黄河水利科学研究院,2.黄河水利委员会)
水利论文 iJ"`W W O+y+jW9O

摘要:小浪底水库投入运用后三门峡水库的运用方式将作调整,本文运用黄河水库一维水动力学泥沙数学模型,选择不同水沙系列年进行多方案计算与综合分析,得出了采用“洪水排沙、平水发电”汛期运用方式的方案,平水期发电水位除7~8月份仍维持305m外,可适当抬高至306~307m,10月份可按310m以上水位运用的初步认识。水利论文r-{v.w+I

关键词:水库运用方式;排沙流量;潼关高程

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基金项目“九五”国家重点科技攻关项目(98 928 02 01)。水利论文G|._-T,aN!P5ya

作者简介:曲少军(1963-),男,黄委会黄河水利科学研究院高级工程师。水利论文z2zKd8C

1 引言水利论文I9dzA0on(w hyKIf

  小浪底水库投入运用后,三门峡水库原承担的防洪、防凌、灌溉和调沙减淤等任务将会有所变更,届时,三门峡水库如何调度运用是各方关心且需要深入研究的重要问题。在发生大洪水和严重的凌汛年份,三门峡水库须配合小浪底水库承担一些防洪和防凌任务,这在小浪底水库设计中已有详细的研究和具体安排。本文主要就一般年份里三门峡水库运用的有关问题进行初步研究。水利论文 j*z(e.NEH n

  研究一般水沙年份三门峡水库的运用方式,旨在减轻水库淤积的前提下,充分发挥三门峡水库的综合效益。考虑到进入下游河道的水沙条件将直接受小浪底水库的再调节,为提高水库对下游河道的减淤效益,汛期原由三门峡水库承担的调沙减淤任务要转由小浪底水库负担;三门峡水库在非汛期一般不再承担或很少承担防凌任务,为了保证三门峡水库在5、6月份来水较小时能维持1~2台机组发电,需要配合小浪底水库调蓄部分桃汛水。为此,经综合考虑,拟定如下运用原则:蓄水水位应尽量降低,蓄水时间尽量缩短,使非汛期淤积的泥沙主要分布在大禹渡以下,有利于汛期通过水库调节冲刷出库,淤积末端限于附近,不增加潼关至河段的淤积量,不影响潼关高程的升降。汛期三门峡水库不再承担对下游的调沙减淤任务。本文在1997年研究的基础上,继续采用黄科院研制的一维水动力学泥沙数学模型,拟定多种方案,进行不同水沙系列年的计算,并结合实测资料分析,从库区冲淤量,冲淤沿程分布,潼关高程变化以及发电量等方面进行综合比较,提出小浪底水库运用后三门峡水库运用的初步意见。

2 典型年非汛期和汛期三门峡水库运用研究简述水利论文?B.@C3Ik

2.1 北村控制水位水利论文}r,IiWV,t[

  三门峡水库“蓄清排浑”控制运用以来,非汛期蓄水运用,几乎全部来沙都被拦蓄在库内,汛期降低库水位排沙,在一定条件下,库区不仅可以把汛期来沙排出库外,还可以将非汛期淤积的泥沙冲掉。北村控制水位的涵意,是指汛期北村水位经过冲刷达到相对稳定后的水位流量关系,对北村以上河道来说犹如一个新的临时侵蚀基准面。1980~1987年三门峡水库汛期不发电时,北村水位(流量1000m3/s时的水位,下同)降至稳定时平均为310.45m,1989~1993年浑水发电试验时北村稳定水位平均为309.19m。由此,采用北村稳定水位309~310m作为汛期开始发电和发电过程中水位的控制指标[1]水利论文%zQP+j` T8EC br

2.2 典型条件下三门峡水库运用研究结论[1]

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  小浪底水库投入运用后,按照三门峡水库非汛期发电控制水位(分别为310、312、315m)和有否蓄桃汛水(桃汛后蓄水位选定为319m)拟定5个方案,从数模计算结果来看,潼关~河段冲淤量各方案没有什么差别,说明水库按照这些方案运用不影响潼段的冲淤;影响冲淤量最大的是大禹渡~北村河段,因为控制水位的回水影响范围就在此河段内;同样,是否蓄桃汛水,对~大禹渡河段的冲淤也有一定影响;从计算的非汛期发电量来看,基本上与同期累积淤积量成正比。从减少库区淤积及增加电站出力两方面考虑,在所拟定的5个方案中以第4方案为好。

  根据对汛期不同流量级的冲刷计算与各流量级排沙的实测结果来看,库区冲刷强度随着入库流量的增大而增加,从北村水位降至稳定所需的天数来看,流量2500m3/s、3000m3/s两个流量级与流量1500m3/s、2000m3/s流量级所需天数差别不大。由于入库流量大于1500m3/s出现的日期相对早些,因此,选择这级流量作为水库开始排沙的条件会主动一些。水利论文dMlFl3~.@p

3 三门峡水库不同系列年运用方案研究

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3.1 起始库区地形与水沙系列

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  库区起始地形采用1995年汛后三门峡库区实测大断面资料,相应潼关(六)断面流量1000m3/s水位达328.17m(即1995年9月25日,潼关高程)。选用1974年6月24日~1985年10月21日和1985年10月22日~1993年10月3日两个水沙系列进行对比计算。第一个水沙系列水沙量较多,年均水量402亿m3,其中汛期236亿m3;年均沙量10.43亿t,其中,汛期8.86亿t。该系列汛期总天数为1497天,其中有501天的入库日均流量超过2500m3/s,占汛期总天数的33.5%,而在入库流量小于2500m3/s的情况下,又有212天的日均含沙量超过30kg/m3,占汛期总天数的14.1%。第二个水沙系列基本上代表了近期三门峡入库的水沙情况,水沙量较枯,年均水量291亿m3,其中汛期134亿m3,年均沙量7.87亿t,其中汛期5.83亿t。这一系列的汛期总天数为957天,其中入库流量超过2500m3/s有107天,占汛期总天数的11.2%,又有191天为入库流量小于2500m3/s而日均含沙量超过30kgm3,占汛期总天数的20.0%。水利论文3^/^ zq{O(p%G

3.2 计算方案

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表1 三门峡水库系列年运用方案特征水位(m)
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Table 1 Representative stages of drafted operation modes of Sanmenxia Reservoir

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方案非汛期汛期

桃汛前水位最高水位最低水位控制发电水位

1312319298305
2312319298306
3312319298307
4315320298307
5310310305305

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敞泄运用

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7313319298307
8313319296307
 
93133197~9月敞泄运用

  方案的特征水位见表1。表中方案5为1969年“四省会议”确定的运用方式,方案1至方案3非汛期采用相同的运用方式,即文献[2]中水库非汛期运用的第4方案。根据我们的研究结果,在同样的水沙条件下,这种运用方式虽然非汛期水库的淤积量较方案5多淤60%,但其中85%淤积在大禹渡以下,大禹渡以上仅占15%,对以上没有影响。汛期控制运用水位,方案1、2、3分别为305m、306m和307m。根据三门峡水库汛期发电试验研究的经验和以往的分析成果,汛期具体运用方式拟定为:入汛以后,若潼关站日平均流量小于1500m3/s,水库按汛期控制水位发电运用;若潼关日平均流量大于1500m3/s,则停机敞泄排沙,控制最低水位298m,此后仍维持最低水位298m,直到北村水位降至稳定值309m。之后,升高库水位达到汛期控制水位进行发电运用。在发电运用过程中若遇入库日均流量大于2500m3/s时再降低水位排沙,洪水期控制最低水位298m,洪水过后再发电;当北村水位升高至310m时,水库降低水位至298m排沙,直到北村水位降到309m以后方可按汛期控制水位运用。10月25日以后库水位逐渐升至312m。方案4在汛期的运用方式与方案3相同,非汛期的运用方式也与方案3的运用过程相似,只是各阶段的控制水位不同,即桃汛前(每年3月25日)库水位控制在315m,桃汛后最高库水位320m,在上述各方案中运用水位为最高。

方案6为全年敞泄运用,这是各方案中运用水位最低的一个,以期研究对水库排沙的影响。 方案7非汛期从10月1日开始,至次年3月25日库水位控制在313m(因考虑到6、7号机组库水位312.5m才能正常发电),3月26日~4月20日最小出库流量700m3/s,最高蓄水位319m,而后至6月20日水位逐渐降至313m,6月21日~6月30日库水位逐渐降至汛期控制运用水位307m,汛期7~9月水库运用方式与方案3相同。

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  方案8和方案9考虑了11#、12#底孔打开后的泄流能力,本文其它方案均采用天津勘测设计院1993年提供的泄流能力(泄流建筑物为10个底孔、12个深孔、2条隧洞、1条钢管)。方案8和方案7在非汛期(10月~次年6月)的运用完全相同,汛期水库降水冲刷时机、低水位控制运用时间以及控制水位发电运用时间也相同,不同之处仅在于低水位由方案7的298m降至296m;方案9与方案7相比,非汛期(10月~次年6月)的运用也相同,不同处在于主汛期7~9月方案9完全敞泄。水利论文)D(t~ ? K2R-se h2T

3.3 计算结果水利论文@fQX4yOT6s

  计算成果(表2和表3)经检验基本合理,如1974年6月24日~1985年10月21日的水沙系列,方案5计算的库区冲刷量为2.378亿m3,期末潼关高程326.44m,相当于三门峡水库在1995年汛后实测河床

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表2 1974年至1985年系列各方案计算成果水利论文;R2U'F#gp
Table 2 Calculated results of different schemes in 1974~1985
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分段冲淤量(亿m3

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期末潼关高程(m)

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年均发电量(亿Kw·h)水利论文jGv$zB

计算方案

|k^u0x$m0


41141~3636~3131~2222~1非汛期汛期合计

1-3.1623-0.3792-0.9527-0.8406-0.9970326.3014.812.3217.13
2-3.0843-0.3763-0.944-0.8378-0.9258326.4014.812.5117.31
3-2.9988-0.3733-0.9360-0.8341-0.8554326.4414.812.6417.45
4-2.3169-0.3009-0.7044-0.6222-0.6894326.6015.822.5618.38
5-2.3782-0.3733-0.9379-0.8275-0.2395326.4413.182.7815.96
6-3.5255-0.4162-1.0602-0.9371-1.1101326.04000
7-2.2089-0.3440-0.7214-0.5395-0.604326.5517.661.0818.74

   

表3 1985年至1993年系列各方案计算成果
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Table 3 Calculated results of different schemes in 19861993水利论文:V&qD\*XucfH)I


计算方案

分段冲淤量(亿m3水利论文G @1H-l!x

期末潼关高程(m)水利论文4AT7T E[1N

年均发电量(亿Kw·h)水利论文@+l4{ }&v.n6V P*i'r



41141~3636~3131~2222~1非汛期汛期合计

1-0.48190.11150.0908-0.0802-0.6041328.2510.101.6111.71
2-0.42500.11300.1047-0.0534-0.5284328.3010.101.6811.78
3-0.36810.11450.1071-0.0579-0.5307328.3510.101.7711.87
40.15990.17920.24950.1335-0.4023328.6010.701.7812.55
50.09030.1155-0.0320-0.07730.0841328.349.072.1411.21
6-0.8894-0.0230-0.0907-0.1415-0.6342327.85000
70.11100.15680.21650.1397-0.4020328.5011.580.9812.56
8-0.2220.11930.1459-0.0587-0.4285328.3611.600.9612.56
9-0.41770.11780.0941-0.0820-0.5476328.3411.60011.60

地形上,经过这样的水沙系列后重新塑造库区河床,计算结果库区冲刷,潼关高程下降,这从一个侧面反映了1985年汛后到1995年汛后库区淤积和潼关高程升高主要是由于1986~1995年来水来沙减少而引起的,在定性上是合理的。水库始终敞泄的方案6计算结果较方案5多冲1.15亿m3,与三门峡水库由敞泄转到“蓄清排浑”运用后的回淤量基本一致。由以上两表可以看出:(1)如果三门峡水库敞泄运用,库区和潼关高程都将发生冲刷下降,而且丰水系列冲刷下降多,枯水系列冲刷下降少,说明某一时期潼关高程高低主要取决于该时期的水沙条件,尤其取决于汛期水量或者说洪水期水量的大小,这与水库多年运用的实际结果相吻合。虽然该方案使库区淤积最轻,但效益方面除具有滞洪作用外,发电、春灌等效益均没有了,与“蓄清排浑”运用(即方案5)相比,就沿程冲淤变化来说,坝前段冲淤变化较大,向上游逐渐减弱,所以两种水沙系列计算成果潼关高程仅差0.4~0.5m;(2)方案1非汛期的运用水位比方案5高2m,并蓄部分桃汛水(约6亿m3)补充春灌用水,而在汛期采用“洪水排沙、平水发电”原则,平水期发电,遇到中常洪水时,含沙量又较高,则降低库水位,停止发电,提高水库排沙能力,这种运用方式综合计算结果,显示出库区排沙能力加大,淤积较方案5减小,而发电量稍有增加。从库区上段冲淤情况(黄淤31以上)和期末潼关高程两方面看,方案1最为接近水库始终敞泄运用的计算结果;方案2和方案3运用原则与方案1相同,而汛期平水发电水位分别为306和307m,但是在具体运用中,平水发电水位升高引起的淤积限制在北村以下,所以这两方案计算库区冲淤分布结果与方案1比较,自下向上的影响逐渐减轻,即增淤(或减冲)主要在北村以下,发电量略有增加,且改善了机组运行工况;(3)方案4水库运用水位较高,发电量较大,库区淤积也较大;(4)方案7非汛期运用时间提前到10月1日,库水位升高至313m,汛期运用时间缩短为三个月,非汛期发电量增多,汛期减少,全年发电量与方案4相近,库区淤积量略少。打开11、12底孔后由于中等流量的敞泄滞洪水位下降1.5m左右,相应侵蚀基面也有所下降,从计算结果看,方案8库区累积发生了冲刷,冲刷仍主要集中在近坝段,与方案7相比,冲刷范围有所上延,潼段累积淤积略有减轻,由于来水来沙条件不利,沿程冲刷与溯源冲刷并未有效衔接,因而潼关高程降低不明显;即使主汛期7~9月水库一直敞泄,库区冲刷仍未发展到潼关,从方案9的计算结果看,近坝库段明显冲刷,因而库区累积冲刷量增加,但期末潼关高程仍与方案8大致接近,表明水库主汛期敞泄运用与采用“洪水排沙,平水发电”运用对潼关高程的影响效果基本相同。值得一提的是,数学模型对有些能引起大幅冲淤变化的方案,计算结果从定量上讲可能与实际情况有所出入,原因主要是计算中对库区淤积物的抗冲性考虑不够所致。

4 小浪底水库运用后三门峡水库运用方式的初步意见水利论文!geQ9y z``'GM U

  小浪底水库投入运用后,如果三门峡水库全敞泄运用,库区和潼关高程都可能冲刷下降,但经济效益方面,除具有滞洪作用外,其它发电、春灌效益均没有。而与其它方案相比,就库区冲淤变化来说,坝前冲刷较大,向上逐渐减弱,潼关高程在1985年至1993年系列中,仅相差0.4~0.5m。采用“洪水排沙、平水发电”汛期运用方式的方案,虽然非汛期运用水位较“四省会议”方案高出2m以上,但由于中常洪水时降低水位,提高水库排沙能力,库区淤积与冲刷较“四省会议”方案冲多淤少。汛期控制水位的适当抬高有利于提高机组出力和改善机组运行工况,当然,这必须在确保完成汛期水库排沙任务的前提下进行。根据计算与分析,按照“洪水排沙、平水发电”原则制定的汛期发电运用方式和现行机组的特性,在不影响水库汛期排沙情况下,平水期发电水位除7~8月份仍维持305m外,可适当抬高至306~307m,10月份因入库水、沙条件的变化,可按非汛期310m以上水位发电。至于汛期控制水位适当抬高后对库区冲淤的影响,通过计算与分析,我们认为,库区淤积量虽有所增加,但淤积主要发生在坝前范围内,其影响是自下向上逐渐减弱,遇有利水沙条件可较容易地冲刷出库。由于三门峡库区泥沙问题比较复杂,需在实际运用中不断总结提高。

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参考文献

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[1]黄委会三门峡水利枢纽汛期发电试验研究项目组。黄河三门峡水库1996年汛期发电试验研究报告。1997.5.

sY m"\ B@y g}%dd0

[2]曲少军,钱意颖等。小浪底水库运用后三门峡水库运用方式中一些问题的初步研究。泥沙研究,1999,(4).水利论文2o8p(r5g*wh$A _5E1Si

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