1、劉家峽水庫泥沙問題及異重流排沙預報模型毛繼新 黃永健(中國水利水電科學研究 北京 100044)摘 要 本文概述了劉家峽水電站的泥沙問題及緩解措施，并根據劉家峽水庫水沙運動特性，研制了異重流排沙預報模型，模擬洮河異重流的產生、運動、倒灌黃河、排沙等，多組實測資料驗證結果表明，該模型能夠準確地預報異重流的產生及運動至壩前時間等，對劉家峽水電站提高異重流排沙效果具有指導意義。關鍵詞 劉家峽水庫 泥沙淤積 異重流排沙 預報模型1 劉家峽水庫泥沙問題圖1 劉家峽水庫平面布置圖km2，其水文泥沙分布非常不均勻，來沙量年內分布高度集中，79月沙量占全年沙量的70%以上；地區分布上，支流洮河李家村以下水土流

2、失嚴重，其流域面積只占洮河的41.2%，而來沙量卻占81.1%，李家村紅旗站區間的平均侵蝕模數達4200t/km2，所以洮河的洪峰一般含沙量都較高。 劉家峽水庫的淤積形態，受水庫運行方式、來水來沙及庫區地形等因素影響，黃河庫區為典型的三角洲淤積形態，前坡逐漸向下發展；洮河庫區在蓄水初期基本上也屬于三角洲淤積，1978年汛末死庫容淤滿后，呈帶狀淤積，由于洮河泥沙倒灌黃河，在壩前黃河段洮河口附近淤積形成沙坎。 劉家峽水庫上游黃河上先后修建了龍羊峽、李家峽等大型水庫，且還有幾個梯級水庫等待開發，將會攔截更多的黃河干流來沙，使黃河段庫區淤積緩慢，近期不會對壩前產生影響。km處，由于洮河沙多水少、庫容小

3、、比降大和距壩近等特點，致使洮河來沙極易形成異重流直抵壩前，壩前淤積面迅速升高。 1978年汛后洮河庫段死庫容淤滿，洮河淤積三角洲前坡進入黃河，80年代尤其是龍羊峽水庫蓄水期間，劉家峽水庫長期處于底水位運行，使洮河至壩前庫段發生上沖下淤的泥沙搬家現象，壩前沙坎及各建筑物門前普遍淤高。為了降低沙坎高程，清除壩前淤積，保證電站安全生產，曾分別于1981、1984、1985、1988年四次進行了降低水位拉沙。 1988年降低水位拉沙以后，壩前淤積情況有所改善，以后庫水位較高，大量泥沙淤積在洮河上段，沙坎和壩前段淤積隨有所回升，壩前情況還算基本穩定，但這存在著嚴重的隱患，一旦遇特枯水年，水庫處于長期地

4、水位運行，就可能把大量的洮河淤沙移向壩前，因此劉家峽水電站面臨的泥沙問題依然十分嚴峻。2 緩解劉家峽水電站泥沙問題的途徑 目前緩解劉家峽水電站泥沙問題的途徑有異重流排沙、降低庫水位拉沙、增建洮河口排沙洞、合理調度增加排沙減少淤積等，其中加強洮河異重流排沙工作是緩解洮河庫區與壩前段淤積及電站泥沙問題的主要途徑。2.1 異重流排沙洮河多年平均入庫水量億，入庫沙量2860萬噸，汛期水量占全年水量的46.1%，沙量卻占年入庫沙量的81.8%以上，而且主要集中在汛期幾場洪水中，因此汛期每場洪水含沙量都很高，極易形成異重流。洮河庫區狹窄，在水庫汛期運用水位下，水面寬一般在100m左右。異重流向壩前運動過程

5、中，因橫向擴散而損失的能量不大，只要持續時間足夠，則很容易到達壩前。根據實測資料分析，當洮河紅旗水文站發生含沙量2030kg/沙峰時，即可產生異重流，并能運動到壩前。因此壩前淤積較快。洮河異重流雖然增加了壩前淤積，但也為利用異重流排沙提供了有利條件。據統計劉家蛺水庫從19741996年共進行異重流排沙130多次，總排沙量為億t，排沙比一般在50%以上，通過異重流排沙，對洮河和黃河壩前段的淤積起到了延緩作用。除了汛期洮河洪峰形成異重流外，在中水位下運行，洮河上段可能產生沖刷，使來流含沙量增大而形成異重流排出庫外，在洮河排沙資料中，有的年份排沙比高于100%就說明了這點，如1995年水庫排沙15次

6、，其中13次排沙比大于100%，不但把洮河來沙排出庫外，還恢復了部分庫容。2.2 降低水位拉沙當壩前段淤積嚴重，沙坎高程上升影響機組正常發電時，采用降低壩前水位拉沙是劉家峽水電站重要的排沙手段，降低水位拉沙的理論基礎就是通過降低水位，減小過流面積，加大沖刷流速提高水流的挾沙能力。實測資料表明，降低水位拉沙，對降低沙坎高程、清除壩前淤積是有效的，但降低水位拉沙要損失大量的水，拉沙期間過機沙量增多，機組磨損嚴重。2.3 增建洮河口排沙洞以有的研究表明，洮河口增建排沙洞，可截排50%左右的洮河異重流，使到達壩前的異重流泥沙減少一半，機組過沙就很少了，而且洮河口沙坎的發展受到抑制，增建洮河口排沙洞并結

7、合擴機，使洮河口排沙洞汛期排沙非汛期發電，其經濟效益更為可觀，目前該項工程正籌建中。2.4 合理調度增加排沙減少淤積劉家峽水庫非汛期高水位運行，發電效益高，且洮河泥沙主要淤積在上段，在初汛供水期降低水位，使洮河上段沖刷形成異重流運動至壩前并排出庫外，這是很有研究價值的調度方案，前些年的實際運行情況也正明是可行的，如1988年降低水位拉沙后，沙坎與壩前淤積問題得到改善，1989、1990年水庫高水位運行，洮河淤積大部分在上段，1991年降至中水位運行，洮河上段產生沖刷，大部分泥沙排除庫外，壩前淤積變化不大，基本保持了1988年降低水位拉沙后的情況。3 洮河異重流排沙預報模型 洮河汛期洪水含沙量高

8、，極易形成異重流運動到壩前，劉家峽水庫1973年開始進行異重流測驗，多年來積累了大量的、寶貴的異重流排沙資料，為我們數值模擬異重流產生、運動、排沙等創造了條件。3.1 異重流運動基本方程 水庫中汛期含沙量較大的入庫水流與庫中清水相遇，可能會潛入庫底形成異重流，異重流在沿底部向前的運動過程中，仍遵循能量守衡與質量守衡。(1)、異重流運動方程 (1)(2)、異重流連續方程 (2)式中 為異重流流速；為異重流厚度；，、分別為清、渾水比重；為重力加速度；為河床縱坡； 為綜合阻力系數；為河底寬度；為異重流流量；為異重流清水分離速度，根據水科院試驗資料，為進口處異重流的含沙量()。 在實際計算中，從異重流

9、排沙的實用出發，將異重流分段恒定化處理，是進行異重流預報計算簡便可行的方法。在恒定條件下，上述方程可化成 (3) (4) 3.2 異重流輸沙計算 水庫中異重流輸沙多屬于過飽和輸沙，曾有多人致力于異重流輸沙研究，因無成熟的一致的看法，目前仍是不同的作者根據各自的圖形，使用不同的估算方法。在洮河異重流預報模型中，采取了兩種異重流輸沙計算方法：（1）當異重流流速不太大（）時，據19731982年多次洮河異重流流速及泥沙級配測驗資料，點繪了關系。知道異重流流速以后，即可根據關系求得該流速所挾帶泥沙的，并認為異重流含沙量各斷面間的變化與各斷面間級配變化相應，采用下式可求得計算斷面的含沙量：(第j-1斷面

10、相當于潛入點泥沙級配百分數)/90% (5)式中 為計算斷面異重流含沙量；為進口斷面異重流含沙量。（2）當異重流流速較大（）時，由下式求異重流挾沙力 (6)式中 為異重流挾沙力；異重流挾沙力系數；N為泥沙分組數； 各組泥沙所占百分數；為分組泥沙沉速。 異重流輸沙遵循非平衡輸沙規律，則計算斷面異重流含沙量為 (7)式中 為前斷面異重流含沙量；為斷面間距；為平均沉速；為異重流單寬流量。3.3 異重流排沙預報計算 在劉家峽水庫，如果洮河紅旗站來洪峰或上游河段發生沖刷，均可能產生異重流。根據已有的研究成果，洮河異重流形成的臨界判別條件取為 (8)式中 、分別代表異重流潛入斷面的平均流速和水深。 劉家峽

11、水庫中，支流洮河以約60角與黃河交匯，由于其特殊的平面構成及洮河異重流流速大，產生了支流洮河異重流倒灌黃河的獨特現象。在洮河異重流倒灌黃河的概化圖形中，假定匯合處上層清水是靜止的，將異重流頂沖黃河左岸的過程，近似看成是射流過程，忽略水對異重流的阻力，并假設所討論的匯合處，河床為平底，且忽略斷面間的能量損失，則可根據異重流能量、動量及流量連續方程得到洮河異重流穿黃頂沖到黃河左岸后，約1/4部分轉向倒灌黃河上游，3/4部分繼續向壩前方向推進。4 洮河異重流排沙預報驗證 提高異重流排沙效果的關鍵是當洮河紅旗站出現沙峰后，需要立即判斷能否在洮河形成異重流？能否運動至壩前？如果用數學模型將這些問題預報準

12、確了，這無疑對適時開啟泄水排沙閘門，進行異重流排沙，具有重要的參考價值。 我們對1976、1981及1992年洮河多次實際異重流排沙過程進行了驗證計算，計算與實測壩前異重流含沙量過程見圖2至圖5，由圖可見計算的異重流到達壩前的時間及排沙的含沙量等均與實測值接近。尤其是計算異重流及沙峰到達壩前的時間，與實際時間相差多在小時之內，說明該數學模型能夠較好地預報洮河異重流的產生、運行及排沙過程，將其用于異重流排沙生產實踐，對提高異重流的排沙效果，將起到重要作用。 圖2 洮河異重流排沙過程驗證 圖3 洮河異重流排沙過程驗證 （1976-7-20） （1981-7-217-22） 圖4 洮河異重流排沙過程驗證 圖5 洮河異重流排沙過程驗證（1992-8-18-2） （1992-8-12） 5 結語 劉家峽水庫中，多沙洮河的匯入，導致其壩前淤積及電站的泥沙問題，對劉家峽水電站的泥沙問題，雖有幾種緩解途徑，但增建洮河口排沙洞并擴機工程正在籌建，降低水位拉沙不僅耗水量大，還涉及到與龍羊峽水庫協調等問題，只是一種救急方法，當前加強泥沙調度提高異重流排沙效率是較可行的方法。本文在總結