多泥沙河流高坝型综合利用水库死水位选择研究

吴 萌

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

死水位是指水库在正常运用情况下允许消落的最低水位。水库在正常运行期间，水位将在正常蓄水位与死水位之间变动，其变幅即为水库的消落深度。在一定的正常蓄水位下，降低死水位，加大有效库容，可以提高径流利用程度，满足发电及综合利用部门的需要，但水电站将在较低的平均水头下工作，因此从能量观点来看，应进行方案比较，然后按保证出力或年发电量最优原则，确定经济上最有利的死水位。死水位选择除考虑各有关经济部门的综合效益外，还应考虑泥沙淤积的影响、水轮机运行情况及闸门制造条件等，通过综合分析比较后加以确定。

目前，国内对于死水位选择的研究主要集中在以下几个方面：一是以发电为主的水电站及梯级水电站的死水位确定研究[1- 4]，该类工程的死水位论证主要考虑以电站或梯级电站的保证出力或年发电量最优为主要原则；二是以黄河流域为代表的多沙河流，死水位确定时应满足较大的泄流排沙能力[5- 6]；三是以综合利用为主的水库死水位的选择研究[7- 8]，死水位选择时需考虑各用水部门对死水位的要求，尤其应着重考虑和分析主要部门对死水位的要求。上述研究几乎涵盖了死水位研究的各个方面，为死水位的论证和选择提供了很好的理论和技术指导；但针对新疆多泥沙河流、承担综合利用水库高库大坝死水位论证的研究还较为鲜见，本次研究工作以YL水利枢纽工程为例，对多泥沙河流高坝型综合利用水库的选择进行分析论证，可为今后该类型河流高坝型综合利用水库死水位的论证提供技术参考。

1 研究方法

死水位论证方法的核心为死水位方案的技术经济合理性，按照工程开发任务的不同，对工程效益和投资进行技术论证。在规划阶段，对于梯级水电站死水位的确定，常以出力、电量为目标采用“网络模型法”“动态规划法”进行死水位确定；对于黄河流域为代表的多沙河流，死水位确定时主要以满足较大的泄流排沙能力为目标；对于承担综合利用任务的水库，应在满足综合利用任务的前提下进行经济技术综合比较，确定水库死水位。

YL水库工程是一座具有生态、灌溉、防洪、发电等综合利用任务的Ⅱ等大(2)型水利枢纽工程，在满足综合利用任务的前提下，死水位论证采用多方案技术经济比较来确定。

1.1 水库工程动能指标计算

(1)计算方法。水库工程动能指标计算采用时历法长系列径流调节计算完成，计算时段每年10月—次年5月以月为计算时段，每年6—9月以旬为计算时段。该方法的核心为水量平衡原理，同时结合出力和电量计算，依托的软件平台为EXCELVBA。

(2)基础资料。径流资料采用水文专业提供的YL坝址1957—2016年共60年径流资料。灌区综合用水由农业灌溉用水、工业、生活和牲畜用水组成。YLKS河综合用水过程线见表1。

表1 YLKS河综合用水过程线 单位:万m3

(3)YL坝址断面生态基流量过程见表2。

表2 YL坝址断面生态基流量过程 单位：m3/s

(4)库容曲线采用新疆水利水电勘测设计研究院测量队2015年调绘的1∶10000地形图量算，YL水位-库容关系曲线如图1所示。

图1 YL水位-库容关系曲线

(5)YL水电站不同过机流量时的水头损失(含沿程损失和局部损失)情况见表3。

表3 YL水电站发电水头损失表

(6)电站综合出力系数取8.6。

(7)YL水电站下游尾水位-流量关系见表4。

表4 YL水电站下游尾水位-流量关系表

1.2 泥沙淤积计算

泥沙冲淤计算采用一维悬移质不平衡输沙数学模型。采用的计算方法为不平衡有限差分法。

1.2.1悬移质平均含沙量沿程变化方程

(1)

1.2.2水流挟沙力方程

对于数模计算，主要为长系列年研究，因而更有必要考虑悬移质泥沙的淤积影响。本数模进行悬移质水流输沙能力计算采用张红武水流挟沙力公式：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，Sv—体积比含沙量；κ—卡门常数；γs—泥沙容重，t/m3；γm—清水容重，t/m3；h—水深，m；ωs—泥沙群体沉速，m/s；ωsk—第k组粒径泥沙在浑水中沉速，m/s；ωok—第k组粒径泥沙在清水中沉速，m/s；D50—床沙中值粒径,mm；d50—悬沙中值粒径，mm；psk—第k组粒径泥沙的重量百分数；n—非均匀沙的分组数。

经清华大学舒安平、黄委会江恩惠、朱太顺、王严平等学者以及国家自然科学基金重点项目“高含沙水流紊动结构和泥沙运动规律的研究”(项目编号：59339170)，通过大量实测资料检验，证实公式是现有公式中最适用于天然河流的水流挟沙力公式，目前已得到广泛应用。因此，采用该水流挟沙力公式，可保证我们所建立泥沙数学模型正确模拟悬移质泥沙冲淤影响。

分组挟沙力可由下式计算：

(6)

1.2.3推移质水流挟沙力方程

对于数学模型中各断面推移质输沙率的计算采用与悬移质边连续方程相类似的方法计算，即：

(7)

入库区断面的推移质输沙率采用悬移质输沙率的20%计算。

Qs0=0.2Q0S

(8)

式中，Qs0—进口断面推移质输沙率，kg/s；Q0—进口断面流量，m3/s；其他符号含义同前文。

推移质主要在主河槽淤积，在水库淤积三角洲中推移质与悬移质混合堆积，推移质主要堆积在三角洲的尾坡段和顶坡段，随着淤积年限增加推移质淤积面逐渐抬高。

1.2.4水流连续方程

Qi+1=Qi+Q1

(9)

式中，i—子断面编号；Qi、Qi+1—进出口断面流量，m3/s。

1.2.5水面线方程

(10)

1.2.6床变形方程

(11)

式中，a—河床变化面积，；γs—泥沙容重，t/m3；Δt—计算时段，s；其他符号含义同前文。

1.2.7断面特性曲线处理

淤积时，断面按湿周等厚分布；冲刷时，冲槽不冲滩，按水平状态进行冲刷。

1.3 经济评价指标

本次研究采用经济净现值指标对各方案的经济性进行评价。

2 工程实例

2.1 工程概况

YL水库位于KS河中游河段上，是一座具有生态、灌溉、防洪、发电等综合利用任务的Ⅱ等大(2)型水利枢纽工程[9]。工程枢纽布置由混凝土面板堆石坝(最大坝高233.5m)，1#深孔放空冲沙洞，导流洞、表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、2#深孔放空冲沙洞、发电引水洞，电站等建筑物组成[10]。工程所处流域气候干燥，植被稀疏，水土流失严重，泥沙含量较大。水库多年平均入库悬移质输沙量790万m3，多年平均入库推移质输沙量86万m3，库沙比为60.3，属于泥沙问题严重的水库[11]。

2.2 死水位方案拟定

死水位论证的核心为在满足综合利用任务的前提下，实现技术上合理，经济上可行，效益最大，投资最省。针对YL水利枢纽，死水位的选择难点在于若死水位选择过高，虽然可以提高发电效益、降低金属结构设备制造难度、有利于机组选型和运行；但有可能造成水库泥沙淤积严重、缩短水库使用年限，以及坝高增加而带来的工程直接费及工程风险加大。若死水位选择较低，虽然可以减少泥沙淤积，降低坝高、减小工程运行风险；但由于水库消落深度较大，造成金属结构设备设计、制造难度增加，机组选型困难，并严重影响电站的发电效益，增加工程运行风险且不利于水库实际调度[12]。因此，如何诸多因素中找到死水位选择的平衡点，是本文研究的重点和难点。

死水位上、下限的拟定应根据工程建设条件、泥沙淤积、水工布置和承担的任务等方面综合考虑。YL水库死水位的下限应满足水工布置要求，水库坝址断面河床平均高程1969m，结合深孔放空冲沙洞、发电引水洞等水工布置要求，并考虑适当留有余度，水库死水位最低为2005m。死水位上限从水库库容特性分析确定，库水位2090m以上库容增幅逐渐增大，抬高死水位，正常蓄水位增加较快，工程投资相应增加，而效益增幅较小，因此，死水位上限拟定为2090m。根据死水位上下限要求，在2005～2090m比选范围内，按水位间隔10m考虑，拟定了10组方案，各方案按同等兴利调节库容的原则拟定正常蓄水位，按同等利用小时数拟定装机容量。

2.3 结果与分析

根据YL水利枢纽工程工程泥沙含量大、坝较高、水库消落深度大、综合利用任务繁重等特点，死水位的选择应充分考虑水库排沙效果，从而延长水库使用寿命；工程位于高山峡谷区，河道狭窄，岸坡陡峻，场地地震基本烈度为Ⅷ度，大坝地震设防烈度值为Ⅸ度，为强震、寒冷峡谷山区河段上的230m级高混凝土面板坝，死水位的选择应在满足兴利要求的基础上，从泥沙淤积、电站动能指标和经济指标等多方面进行综合比选，合理确定死水位。

2.3.1从泥沙淤积分析

对拟定的10组死水位方案进行水库泥沙淤积计算，在满足同等兴利库容条件下，死水位依次增高10m，正常蓄水位增幅为0.5～2m。死水位2005～2050m方案，坝前淤积高程高于死水位，死库容淤损率均达到100%，正常蓄水位以下淤损率43%～47%；死水位2060～2090m方案，坝前淤积高程低于死水位，死库容淤损率为97%～86%，正常蓄水位以下淤损率为48%～49%。从水库泥沙淤积分析，随着死水位的抬高，泥沙淤积量逐步加大。因此，从泥沙淤积的角度分析，死水位至少应该高于一定淤积年限的坝前淤积高程以上，即死水位不宜低于2060m。YL水利枢纽不同死水位方案坝前淤积高程如图2所示。

图2 YL水利枢纽不同死水位方案坝前淤积高程图

2.3.2从电站电量指标分析

随着水库死水位的抬高，电站加权平均水头增大，水库消落深度减小，电站受阻减弱，多年平均年发电量随之增加，即死水位从2005m抬高到2090m，库水位消落深度从155m减小至82m，电站多年平均年发电量从2.80亿kW·h增加到5.17亿kW·h。因此，从电站动能指标分析，死水位2090m方案较优。

2.3.3从经济指标分析

从投资来看，死水位2005m方案投资最大，2070m方案投资最小；从经济净现值来看，死水位2080m方案经济净现值最大。因此，从经济指标分析，死水位2080m方案较优。YL水库不同死水位方案动能经济指标比较见表5。

表5 YL水库不同死水位方案动能经济指标比较表

2.3.4死水位比选分析

根据SL 104—2015《水利工程水利计算规范》和《水能设计》相关要求，死水位比选时应对计算成果进行综合分析，确定合理的死水位。必要时应进行经济比较和分析。

(1)指标综合评价

从综合利用要求满足程度分析，上述10组死水位比选方案，调节库容相同，各死水位方案均可同等程度地满足工程建设的综合利用要求。

从泥沙淤积程度分析，死水位至少应该高于一定淤积年限的坝前淤积高程以上，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积率为48%～49%，相差不大。

从工程建成后所获得的电量指标分析，死水位越高，电量指标越优，考虑受阻后的多年平均年发电量为2.80亿 ～5.17亿kW·h，电量增幅在死水位2020m出现拐点，随着死水位的增加，电量增幅逐渐减小。

从工程投资分析，工程静态总投资随着死水位的抬高逐渐降低，但在死水位2070m出现拐点。

通过对上述指标的综合分析，随着死水位的抬高，工程电量指标逐渐增加；工程静态总投资逐渐降低，在死水位方案2020～2070m方案中，死水位2070m方案相对较优，但无法判断与其他方案的优劣性。

(2)经济指标比较

采用经济净现值对各方案进行经济指标计算，从各方案经济指标分析，死水位2080m方案工程经济净现值最大，为35901万元，经济指标最优。

综合上述分析，本次YL水库死水位选择经济指标最好的死水位方案，在技术可行的情况下，经济上最合理，推荐死水位为2080m。

3 结论

通过对YL水利枢纽死水位的比选论证工作，主要得出以下结论：

(1)一般而言，多泥沙河流死水位选择时死水位越低冲沙效果越好，但要注意死水位应高于坝前淤积高程，YL水库死水位在2060m以上时，死水位高于坝前淤积高程，且2060～2090m方案正常蓄水位以下库容淤积率相差不大(48%～49%)。

(2)YL水库库容特性较差，坝高较高，属于消落深度较大的水库，死水位的选择应充分考虑发电运行受阻情况；死水位越高，电站消落深度越小，电站发电受阻越小。YL水库不同死水位方案下，均存在电量受阻情况，各方案受阻电量占理论发电量的比例范围为41.2%～13.1%。本次推荐方案下2080m方案受阻电量占理论发电量的比例为13.9%。

(3)承担综合利用任务的水库，由于效益指标和投资指标的相对变化，一般难以通过某类指标的综合比选来确定，在此情况下应通过经济比较综合确定。本次YL水库死水位选择2080m方案，在泥沙淤积、电量效益以及工程投资方面均非最优指标，但该方案下经济指标最优。

综上，在多泥沙河流高坝型综合利用水库死水位选择时应充分考虑死水位对泥沙淤积、电量受阻的影响，在满足综合利用要求的前提下，选择经济上最合理的方案。