三门峡水库非汛期运用水位研究(王士强,钟德钰,刘金梅)

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三门峡水库非汛期运用水位研究

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王士强钟德钰刘金梅水利论文 eB G O }(Vf
(清华大学)

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摘要:小浪底水库的投入运用大大减轻了三门峡水库对于黄河下游防洪、防凌的负担,但远不能彻底解除。三门峡水库在不影响潼关河床高程、维持槽库容冲淤平衡及有利于黄河下游减淤的前提下,应当配合小浪底水库充分发挥它们的综合利用效益。经研究,适当抬高每年3~5月库水位,利用桃汛后期洪水将库水位从315m抬至319m,则在净增加两库总发电量的同时,对潼关河床高程在丰水年比目前水平低的情况下仍无不利影响。若将库水位抬至321m,则对目前水平的潼关河床高程基本上也无不利影响。

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关键词:三门峡水库运用;潼关河床高程;增加发电

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作者简介:王士强(1938-),男,清华大学教授。

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1 前言

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  小浪底水库投入运用以后,三门峡水库如何运用,是各方关心的重要问题。由于该库尾部潼关河床高程是上游汇流区及渭河下游河道的局部侵蚀基准高程,故其一直是三门峡水库运用水位的制约条件[1]。尤其目前渭河下游河槽淤积萎缩严重,防洪形势紧张,因此在小浪底水库投入运用以后,不少人希望“彻底解放”三门峡水库,非汛期库水位一般不超过315m,以图彻底解除潼关高程与三门峡水库运用的联系。仅就防凌而言,由于小浪底水库库容限制,其防凌库容设计只有20亿m3,在每年2月操作限制小浪底出库流量300m3/s条件下,分析1975~1994年20年实测潼关流量资料,其中仍有6年需要三门峡水库在2月份部分防凌蓄水,以补小浪底水库防凌库容之不足,这六年的防凌最高蓄水位可能达317.3~321m不等,即小浪底水库不仅防洪而且防凌方面都没有能力“彻底解放”三门峡水库。另外,三门峡挡水坝的存在使库区河道侵蚀基准面强制抬高,在现有泄流规模条件下,造床流量仅以3000m3/s计,则水库敞泄水位也超过300m,若以4000m3/s计,则达303.4m,比建库前抬高约20m。根据平衡比降要求推算,即使三门峡水库今后完全不利用,全年敞泄,潼关高程也降低不了太多。

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  由图1可见,自1974年三门峡水库实行“蓄清排浑”运用以来,影响汛后平均潼关河床高程的主要因素是平均汛期水量,只要非汛期蓄水位完全不影响潼关,则某一时期平均潼关河床高程取决于该时期水沙条件,主要取决于汛期水量大小,呈沿程冲淤特性,丰水年冲低,枯水年淤高。小浪底水库投入运用后,三门峡水库除了负担部分防洪、防凌任务外,如何合理运用充分发挥两库综合利用总效益,是一个值得探讨的重要问题。本文主要分析研究了非汛期发电库水位与潼关河床高程的关系。

2 决定非汛期正常运用水位的主要因素

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图1 平均汛后潼关高程与汛期水量关系水利论文 f nbUo X3Jab
Fig.1 Relation between incoming water volumein flood season and bed level at Tongguan Station

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2.1 发电

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  每年4月份三门峡入库水量一般较多, 5月则因宁蒙引灌而来水量很少,一些年份甚至少于300m3/s,故三门峡水库宜于蓄存部分桃汛后期含沙量较低的水量, 一可增加发电水头,二可补5月水量之不足。水利论文1xvL/Fu6F9{

  小浪底水库投入运用后, 从两库统一优化调度、联合发电量较多考虑, 3~5月份三门峡库水位稍高一些是有利的。如此运用,小浪底水库将因一部分水量原可在较高水位下发电变成稍低水位下发电而减少发电量,但两库联合发电总量将净增加。以1986年~1994年实测潼关流量联合操作调节计算了两库蓄水位及发电量,表1列出了各方案平均发电量相对方案1的比较。由表可见, 每年3~5月三门峡水库运用水位的适当抬高, 最高水位抬高4~6m, 年平均发电量两库可净增加0.26~0.31亿度。如果3~4月入库水量愈丰,则净增发电量将愈多。因为不少3~4月丰水年份,小浪底水库4月都在蓄满至275m状态运用, 此时三门峡水库多蓄一些水量不会降低小浪底水库蓄水位,不仅增加了三门峡枢纽发电效益, 而且也能因减少弃水而增加小浪底水库的发电及灌溉效益。水利论文(K-W!S"i:F%uLi

表1 各方案年平均发电量相对比较水利论文1kT.Q8lx fi
Table 1 The average annual energy output for different schemes

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(单位:亿度)

方案 1234

三门峡水库4月最高水位(m)315319320321
三门峡水库增加发电量00.4170.4720.511
小浪底水库增加发电量0-0.161-0.200-0.200
(三库+小库)净增发电量00.2560.2720.31

  综上所述,从三门峡水库与小浪底水库联合运用总发电效益来看,每年3~5月三门峡水库适当抬高蓄水位总是有利的。关键问题是对潼关河床高程有否影响。水利论文z L r9b-^2m;Rcr

2.2 潼关河床高程水利论文)A"nQs Rx7v1^k

  图2以实际资料显示了非汛期潼关高程(以1000m3/s水位计)抬高与潼关-坝前水位差关系, 由图可见, 只要非汛期最高库水位比该非汛期开始时的潼关1000m3/s水位低4m以上, 则水库蓄水位对该非汛期潼关河床高程的升高就无直接影响, 即潼关河床脱离回水淤积影响而呈现沿程淤积特性, 主要取决于非汛期来水含沙浓度高低。水利论文5gFXD*^E

  若库水位对当时的潼关淤积无直接影响, 并不等于长时期内就完全没有影响。如果回水淤积末端在汛期不及时冲刷恢复则将导致潼关河段比降减缓、挟沙能力有所降低,这种间接影响在小浪底水库投入运用以后更应力图避免。水利论文?!r8C` x7[8`

  分析1974年以来潼关与1000m3/s水位差ΔH潼坫的变化, 近10年来汛前为3.6~4.0m,汛后则为3.8~4.2m, 1982年以前汛后则为4.5~5.3m。图3点绘了非汛期1000m3/s水位抬升值与ΔH坫史关系, 后者为该非汛期始1000m3/s水位与该非汛期最高库水位之差, 图中只给出了ΔH坫史>-1m的点, 图中所有点的上包线为A, 其与横轴交点B之ΔH坫史为2.8m。可以认为, 只要控制非汛期最高库水位低于1000m3/s水位2.8m, 则河床高程不受水库非汛期蓄水回水直接影响。

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  综上分析, 若每年4月三门峡最高蓄水位为319m(表1中方案2), 则1000m3/s水位高于321.8m(319m+2.8m)情况下,将不受回水直接影响。按1974年以来潼坫间1000m3/s最大水位差5.3m, (纵比降2.65×10-4)作为潼坫段汛后平衡纵剖面要求, 则据经验预估,非汛期最高库水位319m时,只要潼关高程(1000m3/s水位)不低于327.1m (319m+2.8m+5.3m),则潼关河床在长期内都将不受水库非汛期蓄水影响,也即若遇汛期丰水系列潼关高程比目前低1m的情况仍不会受到影响。若每年4月最高蓄水位为321m(表中方案4), 潼坫间1000m3/s汛后水位差按近10年平均4.0m(J=2×10-4)考虑, 则对于潼关1000m3/s汛后水位高于327.8m(321m+2.8m+4.0m)情况, 对潼关河床也无明显不利影响,即对于目前水平的潼关高程基本上也没有影响。

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&LQd]U3CS(n `0图2 非汛期潼关高程升高与潼史最小水位差关系水利论文0q!^ N@ }/J
Fig.2 Increase of bed level at Tongguan in non-flood season as a function of water level difference between
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图3 非汛期高程升高与坫史水位差关系
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Fig.3 Increase of bed level at Guduo in non-flood season as a function of water level difference between Guduo and Shijiatan水利论文h;se9S[_2y


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2.3 其他

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  三门峡水库非汛期适当控制抬高库水位使其在非汛期淤积少量增加,这部分淤积大体上是从小浪底水库移到了三门峡水库,汛期再冲刷出库。对于小浪底水库而言,减少了库区上部淤积,若汛期小浪底水库排沙,则三门峡水库排沙经小浪底库区穿堂而过,与后者冲刷出库对黄河下游减淤并无本质区别。若汛期小浪底水库拦沙,则实质上将使其在非汛期淤积在上部的泥沙变成汛期淤积在较靠近坝前,对小浪底库区库容淤损及排沙稍为有利。

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3 非汛期不同蓄水位方案的泥沙计算分析

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3.1 计算方法及条件

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  上面是根据已有实际资料对非汛期蓄水位影响潼关河床高程的经验性分析, 本文还应用作者的水动力学数学模型[2], 计算了小浪底水库投入运用后三门峡水库的各比较方案的库区冲淤。

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  计算中采用1994年汛前实测库区各断面测量成果经概化的断面作为库区计算起始边界条件,考虑到未来潼关入库水沙条件可能与1986~1994年实际系列比较接近,水量较枯, 且这一系列水沙过程已包括了上游龙羊峡刘家峡水库的调节结果, 较为接近未来实际, 故计算中采用1986~1994年实际潼关水沙过程作为方案计算的水沙条件, 该系列年平均水量290亿m3, 汛期平均水量134亿m3水利论文t"]GN0E)S vh

3.2 计算方案及主要成果水利论文/v2KQ1v"q^S.o

  本研究计算比较了4月份最高运用水位分别为315、319、320及321m的四个方案, 运用水位差别主要在3~6月, 其余时间运用水位相同。

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  表2列出了各方案的汇总计算成果, 由表可见:水利论文EtBZ1LPN

表2 计算方案比较成果(高程单位:m)
J&W'j'e`~0Table 2 The calculated results for different schemes
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方案1234

4月最高库水位315319320321
潼关高程汛末三个最大值平均328.02328.03328.08328.11
第9年汛末潼关高程327.79327.79327.81327.86
9年库区累计淤积量(亿m3)-1.65-0.64-0.55-0.27

  1.这些运用方案都能使库区槽库容维持冲淤基本平衡,头9年内各方案均累计有所冲刷,非汛期蓄水位愈低,因淤积愈少,故累计冲刷愈多些。水利论文5wh~ a9jN

  2.方案2(319m)的汛末潼关高程与方案1(315m)几乎相同, 说明4月最高库水位从315m提高到319m, 在长系列内对潼关河床高程也并无不利影响, 方案4(321m)则稍有影响。水利论文 E6T*Uc*WbVq

  3.上述计算成果是在1994年汛前边界条件基础上输入1986~1994年水沙条件情况下得出的。可以预计, 当若遇汛期长时期丰水系列,则潼关高程将处于较低水平,上述各方案对潼关高程的影响差别将会稍有增大。

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4 意见和建议水利论文+LI/o`%s1w!Y.`,Dc(C6k

  (1)小浪底水库的投入运用,解除了三门峡水库春灌蓄水的负担,并大大减轻了它对黄河下游防洪、防凌及减淤的负担,减轻了它本身汛期排沙冲库的负担。但仍需三门峡水库配合小浪底水库,担负部分防洪、防凌任务。

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  (2)三门峡水库在维持槽库容长期冲淤平衡及对潼关河床高程不产生不利影响的前提下,应当配合小浪底水库充分发挥它们综合利用包括发电的效益。三门峡水库非汛期发电及小浪底水库初期运用发电,都是利用清水,对水轮机组无害。与火电相比,对环保有利,不消耗能源又运行经济。在不影响潼关河床高程及对黄河下游减淤效益同等这两大前提下,兼顾增加两水库发电及综合利用效益,无疑是合理的设计运用原则。

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  (3)三门峡水库利用桃汛后期水量使4月最高蓄水位若由315m提高到319m, 可使三门峡及小浪底两库联合运用发电量增多年均约0.25亿度, 对丰水系列的潼关河床高程比目前冲低的情况仍不致产生不利影响;对下游减淤也无不利影响;对小浪底水库的排沙还稍为有利。

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  (4)建议成立小浪底水库与三门峡水库的联合运用管理局, 以有利于水资源的合理充分利用, 有利于黄河下游的防洪、防凌和减淤。

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参 考 文 献水利论文&bkn/N#f

[1] 杨庆安,龙毓骞,缪凤举主编。黄河三门峡水利枢纽运用与研究。河南人民出版社, 1995年7月。水利论文$W;s"`wvi

[2] 王士强。黄河泥沙冲淤数学模型研究。水科学进展,1996年9月。水利论文 u/_0ae?NU4e{

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