浅谈水库规模论证时考虑设置排沙水位使工程经济更优的方法

张 侨，刘 颖，蒙天易

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 问题提出

兴建水库设计时，死水位通常要高于水库使用及运行年限的水平淤积高程。贵州省威宁县区域多年平均悬移质输沙模数在1000～2000 t/km2之间，属贵州省泥沙高值区。泥沙来量较大，水库淤积严重，淤积量大，因此该区域水库设计时所需死水均较高。根据清华大学水库壅水排沙比曲线，排沙比与库容大小成反比、与出库流量成正比。减少淤积量则可以通过两个途径，一是减少库容，二是增大出库流量。根据水库溢洪布置，同样的溢洪宽度，出库流量基本不变。因而可以通过减少库容，全年减少库容则不能满足水库灌溉供水要求。根据区域泥沙特性，输沙时期基本为汛期，主要集中在4—9月。对于水库来水，该时段来水量丰富，供水灌溉所需的兴利库容较小。因此通过汛期设置排沙水位，即可以减少泥沙淤积，也可以满足兴利需求。

2 工程概况

威宁县龙河水库位于拖洛河中上游河段，该工程是全国水利发展“十三五”规划项目，工程的建设是促进和支撑贫困地区脱贫攻坚的重点基础。水库控制集水面积329 km2，多年平均来水量13 440万m3，工程等级为Ⅲ等，工程规模为中型。工程主要任务为：集镇和农村人畜供水、灌溉为主，兼顾发电。坝体为C20碾压混凝土拱坝，坝顶高程1769 m；溢流表孔位于坝顶中部，采用闸门控制溢流，溢流净宽24 m，设3孔，每孔宽8 m，堰顶高程1760 m，溢流堰堰型为WES实用堰，下游消能采用挑流消能；放空兼冲沙底孔紧靠溢流坝左侧布置，进口设置平板检修闸门，孔口底板高程为1725 m，采用喇叭口型式，断面为3.0 m×3.5 m(宽×高)。发电工程建筑物由发电取水口、引水隧洞、压力钢管、发电厂房四部分组成，布置形式为：取水口→引水隧洞→压力钢管→发电厂房。

水库所在的拖洛河，为长江流域二级支流(一级为横江，上游称洛泽河)，地处威宁县西北部，拖洛河流域集水面积766 km2，河流全长67 km，天然落差987 m，河道平均比降14.7‰；流域多年平均悬移质输沙模数在1000～2000 t/km2之间，属贵州省泥沙高值区。

根据水库设计洪水、水库库容曲线、水库溢洪道泄流曲线计算得洪水期平均出口流量为50 m3/s，同时经兴利调算水库所需兴利库容为845万m3。

3 工程实例研究

3.1 泥沙概况

3.1.1 悬移质输沙模数

据《贵州省地表水资源》上“多年平均悬移质输沙模数等值图”，龙河水库的多年平均悬移质输沙模数在1000～2000 t/km2之间。龙河水库邻近的威宁县西北中水镇长江流域牛栏江水系水西河上已建有赖毛冲水库，根据《威宁赖毛冲水库除险加固设计报告》(2011年)，水库库区淤沙甚为严重，根据水库运行49 a淤沙量反推得到多年平均年输沙模数为1300 t/km2。根据三峡大学建筑设计研究院所编制的《威宁县拖洛河水电站增效扩容改造工程设计报告》(2014年12月)，其悬移质输沙模数取值为1200 t/km2。考虑到近年来水土保持工作加强，参考本流域拖洛河电站引水坝坝址处泥沙淤积情况及临近流域赖毛冲水库泥沙运行情况，本工程计算的泥沙淤积量与流域内其他工程相似，是符合流域规律的。

经上述分析并结合附近水库工程，龙河水库坝址悬移质多年平均输沙模数取1200 t/km2。

3.1.2 水库输沙量

参考临近流域《威宁县拖洛河水电站增效扩容改造工程设计报告》(2014年12月，三峡大学建筑设计研究院所)、《威宁县二道坝水库工程可行性研究报告》(2019年1月，中水北方勘测设计研究有限责任公司)及威宁县其他类似工程经验，推移质按悬移质的20%计，悬移质泥沙容重按1.3 t/m3计，推移质泥沙容重按1.5 t/m3计。经计算水库坝址处多年平均悬移质含沙量2.94 kg/m3，年均入库沙量47.4万t，折合35.6万m3。如按正常情况运行水库运行50 a淤积量为1610万m3，兴利库容剩817万m3，因此水库考虑在汛期(排沙时段)，设立排沙水位，在减少水库淤积量的同时，取到向坝前拉沙，减少泥沙淤积在库尾的作用。

3.2 排沙时段的选择

拖洛河5—10月为汛期，通常从5月初开始相继有洪水出现，到10月份结束。流域内泥沙主要来源于暴雨对坡面的侵蚀，以及洪水对河床的冲刷，流域内坡面较陡，植被较差，岩石风化程度较高，水土流失较为严重。本工程流域附近牛吃水水文站有测沙资料。从牛吃水水文站历年逐月输沙率统计成果看，河流输沙量年内分配不均匀，主要集中在4—9月，占全年来沙量的92.8%，其中5—8月占全年来沙量的72.9%。如图1所示。

图1 牛吃水水文站逐月平均含沙量散点图

根据水库兴利调算结果，水库从主汛期5—8月设置排沙运行控制水位，在9月开始蓄水，可以迅速蓄至正常蓄水位，可满足水库兴利调节的需要，结合以上分析，本次拟定汛期控制库水位调度泥沙的时段为5—8月。

3.3 最低排沙运行控制水位分析

在确保水库供水和灌溉规模的前提下，水库拟在排沙期5—8月适当降低运行水位，在后汛期9月开始蓄满水。以期通过排沙设施和运行调度使库区泥沙尽量少淤积在库内及库尾，可以减少对上游库区的淹没以及泥沙淤积对兴利库容的影响。

根据水库历年逐月来水、用水过程进行兴利调算，以不影响水库兴利调节的最低运行水位作为工程最低排沙运行控制水位。

据1958年5月—2017年4月长系列历年逐月径流资料计算，水库不影响水库兴利调节的最低运行水位为1762.5 m，取整后最低排沙运行控制水位为1763.0 m。

3.4 不同排沙水位泥沙淤积计算

3.4.1 计算方法及参数

排沙比(η)是指同一时段(年内)出库输沙量同入库输沙量的百分比。陕西水科所和清华大学在依据三门峡、青铜峡、巴家嘴、官厅、盐锅峡、汾河、丹江口等水库测验资料，在考虑时段内进出流量不相等及粗略考虑悬移质d50的影响，获得排沙比曲线。

根据清华大学水库壅水排沙比曲线，如图2所示。排沙比与库容大小成反比、与出库流量成正比。由于本水库坝址以上来沙量相对较多，在考虑设置排水水位的情况下，随着淤积年限的增加，剩余库容逐步减小，排沙比会逐步增大。

图2 陕西水科所-清华大学水库雍水排沙比经验关系曲线

因此依据有关水沙成果和水库调度运行方式，查《泥沙设计手册》(中国水利水电出版社2006出版)中清华大学水库雍水排沙比曲线(Ⅱ号线)分年度计算本水库排沙比，以10 a作为一个计算单元。依据水文分析计算成果，2 a一遇常年洪水的洪峰流量为155 m3/s，一次洪水过程约2 d左右，洪水期平均流量在50 m3/s左右。

3.4.2 淤积量计算

本工程拟采取汛期(5—8月)控制库水位调度泥沙，对不同排沙水位拟定不同的拦沙率，排沙水位越低，拦沙率越低，以各坝址正常蓄水位为排沙水位上限，不影响水库兴利调节的最低排沙水位为下限，即选用排沙水位：1766 m(2427万m3)、1765 m(2316万m3)、1764 m(2209万m3)、1763 m(2107万m3)，计算时考虑推移质全部入库。

计算公式如公式(1)～(3)所示：

W总淤=W悬淤+W推淤

(1)

(2)

W推淤=W推来

(3)

式中：W总淤为总淤积量，万m3；W悬淤为悬移质淤积量，万m3；W推淤为推移质淤积量，万m3；W悬来为悬移质来沙量，万m3；W推来为推移质来沙量，万m3；η为排沙比，%。

由表1可见：随着排沙水位越低，排沙比越大，水库泥沙淤积量就越少。

表1 工程不同排沙水位泥沙淤积量计算

3.5 排沙水位选择经济性比较

根据上述计算成果，不同排沙水位对应淤积量不同，水平淤沙高程则有所变化，死水位的确定主要是满足水库水平淤沙高程要求，不同死水位对水库的供水量、发电量有所影响，因此通过比选供水量指标、工程布置、征地移民投资、工程建设投资以及经济效益等，确定合适的排沙水位。

方案间经济比较采用总费用现值费法，相应社会折现率取8%，总费用现值少的方案较优。排沙水位比较时影响方案经济性的主要因素为工程枢纽、泵站运行费用和发电收益。

根据上述表格成果，当排沙水位不断降低时，排沙比逐渐加大，泥沙淤积量逐渐减少，水平淤沙高程逐渐降低，降低的幅度变小，发电效益逐渐减小。

从工程效益分析，对于1766 m、1765 m排沙水位，兴利库容不满足要求，不能满足设计供水要求。而本工程按“以需定供”来确定水库兴利库容，当满足需求时，多出的库容只能用于发电，对1763 m、1764 m排沙水位，两者供水量相同，1764 m排沙水位比1763排沙水位的年平均发电增加10万kW·h，从工程效益分析见图3、表2，1764 m排沙水位比1763 m排沙水位优，所以上坝址选择1764 m为排沙水位。

图3 工程不同排沙水位泥沙淤积量及排沙比变化曲线

表2 排沙运行控制水位比较成果表

4 结 语

威宁县龙河水库设计流域由于悬移质输沙模数较大，如按正常情况运行水库运行50 a淤积量为1610万m3，兴利库容剩812万m3；水库设计时候考虑设置排沙水位1764 m，在入库含沙量较高，水流携沙量较为集中时期，严格控制运行水位，50 a淤积量减少为1575万m3，减少了水库泥沙淤积量35万m3，使水库死水位降低了0.5 m，在不影响工程效益的前提下，减少了工程的投资。

多沙河流为减少上游来水来沙在库区的淤积，提高水库运行效率，延长水库使用寿命，笔者通过本文的介绍，希望为多沙河流同类水库，采取设置排沙水位的方式进行规模论证，使水库经济性更好，提供一定的帮助和指导。