瀾滄江烏弄龍水庫(kù)泥沙淤積及排沙運(yùn)行方式

劉 娜，李仲鈺，杜志水，王 盼，何 洋

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 陜西 西安 710065； 2.華能瀾滄江水電股份有限公司 烏弄龍里底水電工程建設(shè)管理局， 云南 迪慶藏族自治州 674606)

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者在水庫(kù)水沙問(wèn)題上進(jìn)行較多研究[1-4]，水庫(kù)運(yùn)行方式與水庫(kù)泥沙淤積[5]密切相關(guān)[6-9]，影響著電站發(fā)電效益。本文采用一維恒定非均勻沙全沙數(shù)學(xué)模型[10]，研究不同排沙水位對(duì)電站效益的影響[11]，經(jīng)濟(jì)比較推薦合適的電站運(yùn)行方式，為電站運(yùn)行提供依據(jù)。

1 概 況

烏弄龍水電站壩址位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)，壩址控制流域面積85 860 km2，是瀾滄江上游河段梯級(jí)開(kāi)發(fā)的第二級(jí)電站，其上一級(jí)電站為古水水電站，下游與里底水電站水庫(kù)回水銜接。

烏弄龍水電站正常蓄水位為1 906 m，相應(yīng)庫(kù)容為2.65億m3，庫(kù)區(qū)天然河道平均比降2.5‰，水庫(kù)長(zhǎng)約43 km。天然情況下烏弄龍壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為1 922萬(wàn)t，多年平均含沙量為0.820 kg/m3。主汛期6～9月懸移質(zhì)輸沙量為1 783萬(wàn)t，占年輸沙量的92.7%，平均含沙量為1.13 kg/m3。多年平均推移質(zhì)輸沙量為96.1萬(wàn)t。正常蓄水位以下庫(kù)沙比為16.9。

烏弄龍?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，考慮上游梯級(jí)電站攔沙作用，烏弄龍水電站壩址年輸沙量為277萬(wàn)t，較天然減少了85.3%，年入庫(kù)推移質(zhì)沙量減為10.1萬(wàn)t，庫(kù)沙比為121，工程泥沙問(wèn)題不嚴(yán)重，水庫(kù)按電站日調(diào)節(jié)運(yùn)行，不設(shè)汛期排沙水位。

2019年烏弄龍水電站4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。由于古水梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)規(guī)模發(fā)生較大變化，且建設(shè)時(shí)序推后，烏弄龍水庫(kù)入庫(kù)水沙條件較原設(shè)計(jì)發(fā)生較大變化，仍按原設(shè)計(jì)泥沙調(diào)度運(yùn)行方式運(yùn)行，水庫(kù)泥沙淤積床面及水庫(kù)回水位將較設(shè)計(jì)值有所抬高，庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍將可能擴(kuò)大，影響庫(kù)區(qū)周邊耕地、居民點(diǎn)。為保證水庫(kù)運(yùn)行安全，充分發(fā)揮電站效益，有必要結(jié)合當(dāng)前上游梯級(jí)建設(shè)時(shí)序變化的情況，對(duì)烏弄龍水電站水庫(kù)排沙運(yùn)行方式進(jìn)行研究。

2 數(shù)學(xué)模型

水庫(kù)泥沙沖淤計(jì)算采用一維恒定非均勻沙全沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算，該模型經(jīng)過(guò)大型水庫(kù)原型實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證，在國(guó)內(nèi)大、中、小河流中的水利水電工程的研究、設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。

模型采用的基本方程見(jiàn)下面。

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

泥沙連續(xù)方程：

(3)

分組k懸移質(zhì)不平衡計(jì)算模式：

(4)

分組k推移質(zhì)平衡計(jì)算模式：

Gk=G*k

(5)

分組k推移質(zhì)不平衡計(jì)算模式：

(6)

分組k床沙組成方程：

(7)

阻力公式：

(8)

水流挾沙力公式：

(9)

3 計(jì)算條件

1) 庫(kù)區(qū)縱、橫斷面資料

烏弄龍水電站開(kāi)展設(shè)計(jì)時(shí)，水庫(kù)泥沙淤積及回水計(jì)算采用的庫(kù)區(qū)縱、橫斷面為2004年實(shí)測(cè)結(jié)果，庫(kù)區(qū)共測(cè)橫斷面35個(gè)，斷面平均間距約1.5 km。

烏弄龍電站2018年12月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2018年11月開(kāi)展了水庫(kù)本底測(cè)量工作，庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)縱斷面長(zhǎng)約46 km，共測(cè)橫斷面38個(gè)，斷面平均間距1.24 km。

2) 水沙代表系列

代表系列按照系列的年平均輸沙量、含沙量接近多年平均值，汛期沙量比例與多年平均值接近，并包含豐水豐沙、平水平沙、枯水枯沙年的原則來(lái)選擇。經(jīng)溜筒江水文站實(shí)測(cè)水沙系列綜合分析，選擇1979—1988年作為泥沙淤積計(jì)算的代表系列，代表系列水沙特征值見(jiàn)表1，其中，1980年為豐水豐沙年，1982年為平水平沙年，1986年為枯水枯沙年。

表1 代表系列水沙特征值Tab.1 Characteristic values of the representative series of runoff and sediment

3) 泥沙顆粒級(jí)配

懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配采用舊洲站懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配分析結(jié)果(見(jiàn)表2)，其平均粒徑為0.068 mm，中數(shù)粒徑為0.015 mm，最大粒徑為2 mm。推移質(zhì)泥沙級(jí)配采用河段床沙取樣分析結(jié)果，其平均粒徑65 mm，中數(shù)粒徑25 mm，最大粒徑300 mm。

表2 舊州站懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配結(jié)果Tab.2 Distributions of the suspended particle size at Jiuzhou Station

4) 懸移質(zhì)挾沙力系數(shù)K、m值

水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算模型中，懸移質(zhì)泥沙挾沙力公式采用武水張瑞瑾公式。昆明院在小灣水電站設(shè)計(jì)時(shí)用戛舊站實(shí)測(cè)水沙資料分析后，采用K=0.2，m=1.0。在金沙江上曾用石鼓和攀枝花站平沙、豐沙年實(shí)測(cè)資料分析，兩站挾沙力公式K值在0.03～0.14之間，m值在0.9～1.1之間。在金安橋、觀音巖電站設(shè)計(jì)中，經(jīng)過(guò)分析取K值為0.18，m值為1.05。成勘院曾用龔嘴水庫(kù)實(shí)測(cè)資料率定的K值為0.18，m值為1.05，在金沙江溪洛渡電站可研設(shè)計(jì)中也采用此值。

根據(jù)類(lèi)比分析，烏弄龍水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算取K值為0.18，m值為1.05。

5) 恢復(fù)飽和系數(shù)

泥沙淤積時(shí)取0.25，沖刷時(shí)取1.0。

6) 入庫(kù)沙量

水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算考慮兩種情況：①電站設(shè)計(jì)時(shí)，考慮上游梯級(jí)水庫(kù)的攔沙作用，按代表系列統(tǒng)計(jì)的沙量進(jìn)行縮放，組成不同時(shí)段的入庫(kù)泥沙系列進(jìn)行水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算；②電站建成后，不考慮上游電站攔沙作用，入庫(kù)沙量為天然情況下入庫(kù)沙量，直接采用選擇的代表系列入庫(kù)泥沙進(jìn)行水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算

烏弄龍?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，考慮上游梯級(jí)電站攔沙作用，入庫(kù)沙量較天然情況減少85.3%。烏弄龍建成后，上游水庫(kù)推遲建設(shè)，入庫(kù)泥沙將較原可研設(shè)計(jì)大幅增加。根據(jù)2018年11月庫(kù)區(qū)縱、橫斷面資料，采用天然情況下入庫(kù)沙量對(duì)水庫(kù)泥沙淤積及回水進(jìn)行復(fù)核，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 烏弄龍水庫(kù)淤積及回水計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of sedimentation and backwater of Wunonglong Reservoir

正常蓄水位1 906 m方案原設(shè)計(jì)和復(fù)核淤積床面對(duì)比見(jiàn)圖1，水庫(kù)20年一遇洪水復(fù)核回水位與設(shè)計(jì)回水位對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖1 原設(shè)計(jì)和復(fù)核淤積床面對(duì)比圖Fig.1 Comparison of the deposited surface between designed and reviewed surface

圖2 水庫(kù)復(fù)核回水與設(shè)計(jì)回水位對(duì)比圖Fig.2 Comparison of the backwater level between designed and reviewed level

計(jì)算結(jié)果表明如下結(jié)論。

1) 不考慮上游電站的攔沙作用，入庫(kù)沙量大幅增加，淤積量也隨著增加，20年水庫(kù)總淤積沙量是原設(shè)計(jì)20年水庫(kù)總淤積量的2.75倍；復(fù)核20年淤積床面較原設(shè)計(jì)床面明顯抬高，“WK13”斷面(距壩18.8 km)至“WK19”斷面(距壩28.3 km)的床面抬高幅度范圍為5.3～12.4 m。

2) 由于淤積床面較原設(shè)計(jì)淤積床面抬高較多，20年一遇洪水復(fù)核回水位較原設(shè)計(jì)回水位不同程度抬高0.01～6.53 m。

3) 經(jīng)復(fù)核，回水位較原設(shè)計(jì)回水位有所抬高，庫(kù)區(qū)淹沒(méi)影響范圍有所增加。因此，需要研究排沙運(yùn)行方式，控制淤積床面，降低水庫(kù)回水位。

4.2 水庫(kù)排沙運(yùn)行方式研究

一般水庫(kù)為了控制泥沙淤積床面，減小水庫(kù)回水的淹沒(méi)范圍，采用汛期降低水位，設(shè)置排沙運(yùn)行水位。烏弄龍入庫(kù)泥沙主要集中于主汛期6～9月，主汛期懸移質(zhì)輸沙量為1 748萬(wàn)t，占年輸沙量的92.9%，汛期降至排沙水位運(yùn)行，以利于水庫(kù)排沙，減少泥沙淤積量，降低水庫(kù)泥沙淤積床面，控制水庫(kù)回水淹沒(méi)范圍。

為了研究排沙水位對(duì)淤積床面以及水庫(kù)回水的影響，以每降低1 m為一個(gè)方案，開(kāi)展汛期排沙水位1 905 m、1 904 m、1 903 m、1 902 m、1 901 m五個(gè)排沙水位方案水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算，并在相應(yīng)的淤積床面上進(jìn)行水庫(kù)回水計(jì)算。

主汛期(6～9月)水庫(kù)回水與排沙運(yùn)行控制水位密切相關(guān)，排沙運(yùn)行控制水位越低，三角洲淤積床面越低，相應(yīng)回水位也越低；非汛期水庫(kù)回水成果相差不大；由于汛期和非汛期相應(yīng)頻率洪水差別相對(duì)較大，雖然隨著排沙運(yùn)行控制水位不斷降低，壩前水位有所降低，但庫(kù)中及庫(kù)尾河段回水位還是受主汛期相應(yīng)頻率洪水控制。各排沙水位方案汛期20年一遇洪水水庫(kù)回水位在距壩15～40 km范圍內(nèi)較正常蓄水位1 906 m方案回水位的降低幅度隨著排沙水位的減低，回水位減低幅度逐漸增大，回水淹沒(méi)影響的范圍越小。不同排沙水位方案較正常蓄水位方案回水位降低結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不同排沙水位方案較正常蓄水位方案回水位降低值Tab.4 Drawdown of the water level of desilting water level schemes compared with normal supply level scheme

4.3 不同排沙方案對(duì)電站發(fā)電量影響分析

烏弄龍為日調(diào)節(jié)水電站，水庫(kù)水位變幅較小，機(jī)組最大、最小水頭變化不大，機(jī)組運(yùn)行較穩(wěn)定。本次考慮烏弄龍水電站單獨(dú)運(yùn)行，采用烏弄龍電站壩址5%、25%、50%、75%和95%五個(gè)代表年日徑流系列結(jié)果進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，不同排沙水位方案最大受阻容量及電量損失見(jiàn)表5。

表5 不同排沙水位方案最大受阻容量及電量損失Tab.5 Maximum blocked capacity and power lossby the different desilting water level schemes

當(dāng)排沙運(yùn)行控制水位越低時(shí)，其最大受阻容量和電量損失越大，當(dāng)排沙運(yùn)行控制水位降至1 903 m時(shí)，電站容量不受阻，電量損失為0.888 億kWh，約占烏弄龍水電站設(shè)計(jì)年發(fā)電量的2.16%(單獨(dú)運(yùn)行)。

4.4 不同排沙方案對(duì)電站效益影響分析

根據(jù)正常蓄水位1 906 m水庫(kù)回水復(fù)核結(jié)果，水庫(kù)淹沒(méi)新增影響涉及人口6戶(hù)24人，專(zhuān)業(yè)項(xiàng)目涉及等級(jí)公路主要在石底村下游500 m至禹功河電站上游500 m路段。根據(jù)不同排沙運(yùn)行控制水位方案分析，計(jì)算不同排沙水位的匡算補(bǔ)償費(fèi)用、電量損失及補(bǔ)充單位電度投資。結(jié)果除排沙水位由1 904 m降低至1 903 m不影響禹功河電站補(bǔ)充電度投資略大外，其余方案均小于電站單位電度投資1.82元/kWh，說(shuō)明從經(jīng)濟(jì)角度考慮，烏弄龍電站進(jìn)一步降低排沙運(yùn)行控制水位的經(jīng)濟(jì)性較差。

從經(jīng)濟(jì)角度考慮，烏弄龍電站進(jìn)一步降低排沙運(yùn)行控制水位的經(jīng)濟(jì)性較差；若烏弄龍庫(kù)區(qū)新增建設(shè)征地移民安置難度不大，推薦烏弄龍電站不降低排沙水位運(yùn)行，即全年維持1 906 m方案運(yùn)行，以充分發(fā)揮電站效益，但需增加一定庫(kù)區(qū)補(bǔ)償費(fèi)用。

5 結(jié) 論

1) 水庫(kù)排沙比、淤積量及淤積床面與排沙運(yùn)行控制水位密切相關(guān)。排沙運(yùn)行控制水位降低，水庫(kù)排沙比相應(yīng)增大，庫(kù)區(qū)淤積量相應(yīng)減少；排沙運(yùn)行控制水位越低，三角洲淤積段床面相應(yīng)越低。

2) 主汛期(6～9月)水庫(kù)回水與排沙運(yùn)行控制水位密切相關(guān)，排沙運(yùn)行控制水位越低，三角洲淤積床面越低，相應(yīng)回水位也越低；隨著排沙運(yùn)行控制水位不斷降低，壩前水位有所降低，但庫(kù)中及庫(kù)尾河段回水位還是受主汛期相應(yīng)頻率洪水控制。

3) 當(dāng)排沙運(yùn)行控制水位越低時(shí)，其最大受阻容量和電量損失越大，當(dāng)排沙運(yùn)行控制水位降至1 903 m時(shí)，電站容量不受阻，電量損失為0.888億kWh，約占烏弄龍水電站設(shè)計(jì)年發(fā)電量的2.16%(單獨(dú)運(yùn)行)。

4) 從經(jīng)濟(jì)角度考慮，推薦烏弄龍電站不降低排沙水位運(yùn)行，即全年維持1 906 m方案運(yùn)行，以充分發(fā)揮電站效益，但需增加一定庫(kù)區(qū)補(bǔ)償費(fèi)用。