2.2 采用蓄清排浑运用方式时水库淤积过程特性分析

为了进一步分析水库淤积过程及库区水沙特性的变化,本书采用实测水库淤积资料对水库淤积纵向发展过程及水沙输移变化进行研究。

龚嘴水电站是大渡河梯级开发的第一期工程,按原设计规定,龚嘴低坝水库低坝运行时间为15年,目前早已过了设计运用期,高坝方案尚不能在短期内上马。由于泥沙淤积的发展,过水断面逐年变浅变窄,库内汛期水流湍急,基本接近天然流态,水库淤积基本平衡。大渡河干流具有年内水沙过程变化大、汛期来水来沙比重大的特点。龚嘴水电站采用汛期低水位、枯期高水位的蓄清排浑运用方式,水库淤积过程体现出典型的三角洲淤积发展特征,本书将其作为实测资料分析的重点。现阶段,我国水电开发主要集中于西部地区,新建及拟建的很多水库水沙特性、河道特征及运用方式都与龚嘴水库相似,把龚嘴水库作为研究对象具有一定的代表性。

2.2.1 龚嘴水库概况

龚嘴水库位于大渡河中下游的乐山市沙湾区的龚嘴镇,为窄深的河道型水库,控制流域面积76130km2,占全流域面积77400km2的98.3%,库面平均宽度330m,总库容3.737亿m3,电站装有7台100MW的混流式机组,保证出力17.9万kW,多年平均发电量34.178亿kW·h。

坝址处多年平均流量为1490m3/s;1000年一遇设计洪水为13800m3/s;万年一遇洪水为16400m3/s;100年一遇洪水为11200m3/s,500年一遇洪水为13100m3/s,设计洪水位为527.50m,校核洪水位为530.40m。

设计水库正常蓄水位为528.00m,相应水位库容为3.45亿m3,水库为日、周调节,调节库容为1.018亿m3

龚嘴水库总库容为3.737亿m3,有效库容为1.018亿m3,死库容为2.432亿m3。水库具有发电、防洪和排沙及漂木等功能,因此水库调度必须综合考虑,即在保障发电效益的同时,兼顾防洪、排沙和漂木。

2.2.2 来水来沙特性

根据1956—1981年实测资料统计,龚嘴水库坝址处多年平均流量1410m3/s,多年平均悬移质输沙量2990万t,主汛期6—9月集中了全年水量的60%和沙量的90%。入库水沙特征基本情况如下(张祥金,1994):

(1)本流域径流来源主要是降水,从径流过程的年内变化看,6—9月为汛期,其年入库最大流量绝大多数出现在7—9月。

(2)洪水的地区组成可分三种情形,即以中下游来水为主的暴雨型洪水;以上游来水为主的长历时平稳型洪水;上游与中下游来水结合的混合型洪水。

(3)平水期(5月、10月)入库流量适中,一般月平均流量在1000~2300m3/s之间,是发电的较好时机。

(4)枯水期(1—4月及11月、12月),流量变化不大,其年最小流量不小于338m3/s(1979年3月6日)。

(5)泥沙和漂木主要在汛期入库,汛期入库沙量占全年入库泥沙总量的85%左右,每年5—10月入库沙量为年总量的95%以上,漂木在汛期入库达90%以上。

2.2.3 水库调度特点及蓄水过程

龚嘴水库从1971年蓄水至今,水库运用可分为三个阶段(张祥金,1998):

(1)1971年10月至1978年为水库的低水位运用期。多年平均坝前水位为521.18m,最高水位为524.23m,最低水位516.23m,汛期6—9月平均水位为520.00~522.37m。

(2)1978年10月至1985年为库水位按时段分期调度运用期。1978年经过分析论证,坝前水位可蓄至528.00m运行,并制定了坝前水位按时段分期调运。即汛期(6—9月)平均坝前水位为520.00m,平水期(5月、10月)坝前水位为525.00m,枯水期(11月至次年4月),平均坝前水位为528.00m,表现为蓄清排浑运用方式。

(3)1985年至今,汛期按入库流量分级调度库水位运行。鉴于运行初期汛期运行水位偏高,近坝库段淤积严重,形成汛期低水位运行困难,同时为了适应悬移质淤积三角洲头出库后新形成的河床输沙特点,减少粗沙过机对水轮机的磨蚀危害,减缓库尾淤积洲面抬高速度,确保调节库容,维持安全发电,从1989年开始,汛期按入库流量分级调度坝前水位,即汛期按不同的流量,坝前水位也将选用不同的控制范围。当入库流量小于2000m3/s,时,坝前水位在523.00~525.00m运行;入库流量在2000~3000m3/s时,坝前水位在521.50~523.00m运行;入库流量大于3000m3/s时,坝前水位在520.00~521.50m运行;平水期坝前水位在524.00~526.00m运行,若入库流量大于3000m3/s时,应降低库水位运行,11月至次年4月可蓄水至528.00m运行。

2.2.4 龚嘴水库泥沙淤积发展分析

龚嘴水库在1971年10月蓄水运用后,由于坝前水位的抬高,河段水深增加,流速减小,上游来沙产生淤积。蓄水初期试运行,坝前水位变幅较大,回水变动范围也大,库区淤积呈条带分布。1973年起汛期坝前水位变幅小,入库悬移质以三角洲形式逐年向坝前推进,库尾淤积向上游延伸,如图2.6所示。此时期为三角洲形成阶段,1978年底,泥沙淤积三角洲洲头推至GK31号断面处,推进库长10.55km,约占总库长的1/4,见表2.1。库区累积淤积量1.289亿m3,总库容损失34.5%,调节库容损失2.06%。

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图2.6 龚嘴水库纵向淤积发展过程(李松柏等,1991)

表2.1 龚嘴水库三角洲发展情况统计表(黄国辉,1999)

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1983年,三角洲洲头推至坝前于汛期出库,见表2.1。淤积三角洲推进到坝前的时间对应于淤积曲线的拐点位置,如图2.7所示。截至1984年12月,库区累积淤积量达2.123亿m3,总库容损失56.8%,520.00m高程以下的库容损失85.0%,调节库容损失5.19%,尚存0.96亿m3(黄国辉,1999)。

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图2.7 龚嘴水库库容损失过程(黄国辉,1999)

三角洲洲头出库以前,库区淤积发展速度较快,淤积主要体现为洲面抬高,洲头推进的过程。洲头出库以后,悬沙淤积数量逐渐减少,淤积主要表现为洲面抬高。洲面河床抬高幅度明显降低,但是并未停止。水库的淤积在各级控制水位下都在持续发展,库区河床仍有抬高趋势。从1984年到1992年11月水库淤积发展趋于平衡时,水库淤积增加0.26亿m3,占总库容的7%;520.00m以下淤积增加0.19亿m3,占死库容的7.8%(表2.2)。后期的淤积速度虽然减慢,但是其量是不容忽视的。

表2.2 龚嘴水库库容时段损失率表

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从淤积的断面分布来看,在三角洲未推进到本断面以前,横断面淤积主要表现为全断面的水平抬高。从图2.8及图2.9中可以看出,在三角洲推进到典型断面以前,整个断面都明显淤积。在三角洲推进到坝前后,断面淤积明显减慢,同时表现出淤滩冲槽的趋势,出现这种现象主要是因为汛期大流量的洪水使滩地产生淤积,枯水期高水位运用使整个断面产生淤积,但是量明显减小;汛期的中小流量时水位明显下降,滩地得不到充分冲刷,仍会继续产生淤积,出现明显的滩槽差。

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图2.8 龚嘴水库典型断面淤积过程(距坝1.222km)(张祥金,1998)

水库淤积是一个地形与水沙相互调整和适应的长期过程,通过上面的分析可以看出,三角洲淤积推进到坝前前后,虽然淤积速度明显减慢,但是从塑造河床地形来看,这是一个不可分割的过程,前一阶段淤积的差别必然对后一阶段的造床过程产生影响。

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图2.9 龚嘴水库典型断面淤积过程(距坝0.759km)(李松柏等,1994)

1992年11月以后,水库淤积发展趋于平衡。库床随时都在发生冲淤变化,基本上体现为大流量、低水位时冲刷,小流量、高水位时淤积,但总体上保持冲淤平衡趋势。以简测断面资料统计的1991年汛期泥沙冲淤情况列于表2.3。第一时段内发生了本年度的最大洪峰过程,8月5—12日入库平均流量3310m3/s,8月9日最大流量为5070m3/s,时段平均坝前水位522.09m,最低达520.46m,在521.00m以下运行96h。库区产生了较大冲刷,总冲刷量275.2万m3,调节库容内冲刷74.9万m3。距坝11.1km库段内断面最大冲深0.51~0.64m。时段内入库泥沙总量266.4万t,出库泥沙总量463.3万t,泥沙出库率达173.9%。该时段除排出全部入库泥沙外,还冲刷前期淤积物196.9万t。第二时段内,入库流量在2000~3000m3/s之间,坝前平均水位抬高至523.00m运行,库区产生淤积,总淤积量97.0万m3,调节库容内淤积27.2万m3。相应对段内库区同时水位的影响也反映出库床冲淤的特性(表2.4)。在入库流量和坝前水位基本相同条件下,库床冲刷时期相应断面水位下降,库床淤积时期相应断面水位抬高。汛期库床正是在这种冲淤交替的过程中,实现年内泥沙淤积的相对平衡。

表2.3 1991年汛期时段泥沙冲淤量统计表(杨源高,1995)

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表2.4 同时水位比较表

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