1、小浪底水庫運用后三門峽水庫運用方式中一些問題的初步研究作者：曲少軍，錢意穎，時間：2007-11-2512:10:00摘要：小浪底水庫投入運用后三門峽水庫的運用方式將作調整，本文運用黃河水庫一維水動力學泥沙數學模型通過典型條件下的方案對比計算與分析，從減少庫區淤積及增加電站出力兩方面綜合考慮，認為水庫非汛期運用的第4方案較好；從排沙效果來看，汛期水庫降低水位開始排沙的入庫流量應選擇大于1500m3/s為宜。關鍵詞：泥沙數學模型水庫運用方式方案北村水位1引言小浪底水庫投入運用后，三門峽水庫所承擔的防洪、防凌和調沙減淤任務將會有所變更，在新情況下，三門峽水庫如何調度運用需要進行研究。在發生特殊的洪

2、水或凌汛年份，三門峽與小浪底水庫聯合運用共同承擔，這在小浪底水庫設計中已有具體安排，故不再進行研究，本文主要就一般年份里三門峽水庫運用的有關問題作初步研究。采用一維水動力學泥沙數學模型進行方案計算，并結合實測資料，對各方案庫區的沖淤變化作綜合分析。2水庫一維泥沙數學模型2.1 基本方程Q+1=Q+QZi+aiV2i/2g=Zi+1+ai+1Vi+1/2g+hw!習一回一(2)水流連續方程水流能量方程非均勻懸沙擴散方程泥沙連續方程式中i、j分別為過水斷面序號及懸沙粒徑組序號；Q、hw分別為相鄰斷面之間的入匯流量及水頭損失；a為動能校正系數；B為泥沙恢復飽和系數；S、Sj分別為第j組懸沙含沙量、挾

3、沙力；qsj為單位流程匯入或流出的第j組懸沙輸沙率。2.2 異重流輸沙計算當異重流在底坡較陡的庫底運行時，異重流的潛入條件可以采用下式判別丫0/丫"丫0憂/gh0=0.6(5)式中V0、ho分別為異重流潛入斷面的平均流速和水深；丫門丫。分別為異重流和清水的容重。當庫底坡度很緩時，根據韓其為等人的研究2,異重流的潛入條件應為h=maxh0,hn(6)式中h0為按式計算的潛入點水深；hn為異重流均勻運動時的水深。產生異重流后，從潛入斷面開始要逐斷面計算異重流的水力參數。在異重流運動過程中，因沿程流量減少不多，故在一個計算時段內可以作為恒定流來處理。異重流的阻力系數取平均值入t=0.025

4、。異重流水深計算選用異重流均勻運動水深計算公式進行，即hn=(入t/8gJ,y0/Ay-Qe/Be)X)1/3式中J0為分河段底坡；Q為異重流流量；Be為異重流寬度。異重流挾沙力、含沙量以及沖淤量等的計算均與明流相同，只是此時的水力參數應采用異重流的。2.3 求解過程數學模型中一些基本問題的處理，如沖積河流的阻力變化關系、懸移質水流挾沙力、床沙級配計算以及沖淤量沿橫斷面的分布等已在文獻1中論述過，一維水流、泥沙控制方程組的離散和數值求解方法也詳見文獻1。值得指出的是，對于每一計算時段，當斷面發生沖刷時，為了避免床沙級配計算中可能出現負值，特限制任一粒徑組泥沙的沖刷量應小于活動層內床沙所能提供的

5、量；當斷面淤積時，規定每一時段的淤積總量應小于活動層面積，否則，通過縮短時段來滿足。若相鄰時段水流泥沙條件發生較大變化，如壩前水位驟降等，模型可以通過自動縮短計算時段來實現水沙條件的較平穩過渡，從而使溯源沖刷的模擬水平有了較大的提高。3模型驗證為了使所建模型適用于預測黃河中游大型水庫庫區泥沙沖淤過程和趨勢，本文選用三門峽水庫潼關以下庫區19601988年共28年的實測水沙系列進行驗證計算。三門峽水庫三個不同運用期庫區及分河段沖淤總量的驗證結果見表1,其中實測值為斷面法測量結果。可以看出，各時段各河段計算的沖淤總量與實測值相差最大為0.9億m3,一股為0.5億吊，二者符合良好。累積沖淤過程以及每

6、年汛期、非汛期的沖淤量也與實測結果符合較好，縱向沖淤分配在定性和定量方面與實際也較為接近。表1三門峽水庫三個不同運用期庫區沖淤總量驗證(單位：億m3)ComparisonofcalculatederosionanddepositionwiththemeasuredinSanmenxiareservoir時段實測計算實測計算實測計算1961.61965.1028.0827.817.918.4420.1819.361965.101974.6-3.48-3.52-0.50-0.21-2.98-3.311974.61988.10-0.83-0.54-0.87-0.480.03-0.064三門峽水庫非汛

7、期運用方式研究三門峽水庫在非汛期一般不再承擔或很少承擔防凌任務，為了保證三門峽水庫在5、6月份來水較小時能維持12臺機組發電，需要配合小浪底水庫進行春灌蓄水。為此，經考慮擬定如下運用原則：春灌蓄水位盡量降低，蓄水時間盡量縮短，使非汛期淤積的泥沙主要分布在大禹渡以下，以利于汛期近壩段溯源沖刷時排出庫外，淤積末端限于匚口以下，不影響潼關至匚口河段的沖淤，不影響潼關高程的升降變化。總之，要改善三門峽水庫的沖淤狀況，盡量多發電。據此原則，初步設計了五種非汛期水庫運用方案：(1)方案1,又稱“四省會議”方案，即每年的11月次年的6月20日控制水位310m6月21日6月30日水庫水位逐漸降至305m(2)

8、方案2規定，每年的11月次年的6月20日控制水位312m6月21日6月30日庫水位逐漸降至305m(3)方案3為，每年11月次年的6月20日控制水位315m6月21日6月30日庫水位逐漸降至305m(4)方案4為，每年的11月次年的3月25日控制水位312m3月264月20日最小出庫流量700nVs,允許最高蓄水位319m4月21日6月20日庫水位逐漸降至312m6月21日6月30日水位逐漸降至305m(5)方案5的蓄、降水過程和方案4相同，但水位不同，即每年的11月次年的3月25日控制水位315m3月26日4月20日最小出庫流量700nVs,允許最高水位319m4月21日6月20日庫水位逐漸

9、降至315m6月21日6月30日水位逐漸降至305m19901995年度潼關站非汛期平均來水量161.4億m3,來沙量1.93億t,與1993年度非汛期潼關水量155.0億m3、沙量1.94億t較接近，因而選擇該年度非汛期潼關站的水沙條件(包括逐日流量、含沙量、懸沙級配等)作為上述五個方案計算的依據，起始地形采用1995年10月份統測的潼關以下庫區大斷面資料，計算的起止日期為1992年10月20日至1993年6月30日，統計該時段的實測水沙資料，潼關入庫水量162.1億吊，沙量2.0億t。水電站發電量按下式估算E=AQHT(8)式中E為發電量，千瓦小時(度)；Q為過機組流量(m3/s),非汛期

10、過機組流量按出庫流量考慮；A為出力系數，采用8.5,實際上不同水位該值有所不同；H為發電水頭，m；AT為發電時間，小時。各方案的計算結果見表2所示。由表可見，各方案潼關至NFDA2NFDA3"段計算的沖淤量基本一致，表明水庫按照這些方案運用對潼NFDA南的沖淤不產生影響。方案1至方案3的運用過程一樣，只是控制水位不斷抬高，從庫區總沖淤量的計算結果看，方案3比方案2、方案2比方案1淤的多；五個方案中第5方案累積淤積量最大，含有春灌蓄水的方案4比方案3少淤0.121億常。從計算的非汛期發電量來看，基本上與累積沖淤量的大小相對應，即非汛期水庫淤積量大，則發電量也大。綜合起來看，方案4計算的

11、累積沖淤量適中，發電量也偏多一些。表2三門峽水庫非汛期運用各方案計算成果比較Calculatedresultsofdifferentmodesofoperationinnonflood各河段沖淤量(億m發電量特征水位(m)方案W桃汛刖最局水水位位seasons41-3636-3131-2222-141-1（億度）P1310P2312P3315P4312P53153100.1658-0.1254-0.0120.58220.610711.73120.164-0.11180.10790.60110.761212.453150.1621-0.05210.36580.50190.977713.57319

12、0.1653-0.07130.24940.51310.856513.073190.165-0.01970.43940.43111.015913.895三門峽水庫汛期各級流量排沙效果研究考慮到三門峽水庫汛期的調沙減淤任務將主要由小浪底水庫承擔，這樣就可以進一步研究水庫在不同流量級當庫水位降低時的排沙效果，因為從黃河下游河道減淤的需要來看，三門峽水庫目前的泄洪排沙流量應大于2500mzs，但近十幾年的實測資料表明，這種流量出現的機率在不斷減小，這就需要研究水庫在較小流量時降水排沙的可能性。這次研究共選擇了五級入庫流量，分別為1000、1500、2000、2500及3000由$,持續時間均為20天，

13、方案依流量從小到大的順序編號，各方案均采用控制最低水位298m敞泄運用。各級入庫流量的含沙量及懸沙級配均按近幾年潼關站汛期的實測資料統計得出，方案1至方案5的入庫含沙量分別為25、35、50、85及96kg/m3。起始庫區地形采用1996年汛前統測的大斷面資料。水庫泄流規模按1990年以后打開9#、10#底孔以及擴裝2臺機組的情況考慮，采用天津設計院1993年提供的泄流曲線進行計算。模型輸出結果主要有各級流量下水庫持續20大敞泄庫區沖刷量和北村流量為1000RT/S的水位變化過程。計算結果顯示，在20天的計算時段內，庫區沖刷主要集中在黃淤31斷面以下，潼關以下庫區累積沖刷量隨著入庫流量的增大而增大；當入庫流量為1000RT/S時，即使庫水位降到298m庫區的沖刷強度也不大，整個計算時段內北村水位降不到309md匕村站穩定水位），相對而言，入庫流量為2500RT/S時（方案4）北村水位降至穩定的時間最短，因為當入庫流量達到3000R3/S時，按照目前的泄流規模敞泄，水庫產生壅水，庫水位超過298m因而降低了對北村水位的沖刷作用。表3為三門峽水庫19901992年汛期低水位排沙期實測的排沙情