西藏扎拉水电站排沙运行调度方式研究

孟明星 沈坤民 张利升

收稿日期：2023-10-25

作者简介：

孟明星，男，高级工程师，主要从事水利水电规划设计工作。E-mail：mengmingxing@cjwsjy.com.cn

引用格式：

孟明星，沈坤民，张利升.

西藏扎拉水电站排沙运行调度方式研究

［J］.水利水电快报，2024，45（6）：103-108.

摘要：

扎拉水电站主要任务为发电，水库泥沙淤积问题较为严重将影响发电效益。为研究出能使水库长期有效发挥发电效益的排沙调度方式，根据水库水沙特点，研究了4种水库排沙运行调度方式，分别为不设排沙运行控制水位方案、设排沙运行控制水位方案、设排沙运行控制水位+短时间敞泄排沙方案和不设排沙运行控制水位＋短时间敞泄排沙方案。结果表明：设排沙运行控制水位方案能在主要来沙期固定水位排沙，能较好地排沙并兼顾发电，是一种合理可行的排沙运行调度方式。研究成果可为同类型水电站泥沙调度提供参考。

关键词：

水库泥沙； 排沙调度； 蓄清排浑； 扎拉水电站； 西藏

中图法分类号：TV679.13

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.06.018

文章编号：1006-0081（2024）06-0103-06

0  引  言

复杂多变的泥沙输移运动是导致水库淤积的主要原因。目前，国内学者在水库水沙问题上进行了较多研究。姜利玲等［1］ 为提高入库泥沙沙峰预报精度、制定更加科学合理的三峡水库沙峰调度方案，基于三峡水库蓄水以来长江上游主要控制性水文站水沙实测资料，分析了长江上游水沙组成，并对长江上游各主要控制性水文站沙峰传播时间进行了研究。王芳芳等［2］基于1∶60整体模型研究了大古水电站不同运行方式下库区的排沙效果。郭荣福等［3］针对泥沙问题较为严重的阿尔塔什水库，开展了库内泥沙淤积演变过程、淤积形态以及淤积量等试验研究。刘娜等［4］采用泥沙冲淤数值模型，研究了不同排沙水位对乌弄龙电站效益的影响。水库运行调度方式与水库泥沙淤积密切相关，影响水库兴利作用的发挥。蔡淑兵等［5］针对巴基斯坦卡洛特水电站调节库容小、入库沙量大等工程特点，总结了水库运行水位选择和排沙调度运行方式研究成果，提出了合理可行的工程规划方案。黄涛［6］以乌鲁瓦提水库工程为例，利用数值模型对 4 种不同调度方式下的泥沙淤积状况进行模拟研究，以尽可能保持有效库容和利用弃水排沙。吴乐平［7］开展了兼顾排沙与发电效益的小浪底水库水沙优化调度研究。经过多年探索研究，泥沙运动理论、淤积形态等研究已经相对成熟，但仍需对水库排沙运行调度方式进行探讨，以最大程度满足水库减於排沙的要求。

本文采用一维全沙数学模型，研究不同排沙运行调度方式对西藏扎拉水电站水库运行的影响，推荐合适的运行方式，为该电站运行提供依据。

1  工程概况

西藏扎拉水电站采用混合式开发方式，坝址位于昌都市左贡县碧土乡，厂址位于林芝市察隅县察瓦龙乡，利用水头超过650 m。扎拉水电站正常蓄水位为2 815 m，相应库容为862万m3，死水位和排沙运行控制水位均为2 811.5 m，调节库容136万m3。天然情况下扎拉水电站坝址多年平均悬移质输沙量为91.9万t，多年平均含沙量为0.266 kg/m3。来沙主要集中在6～9月，期间输沙量占全年的89.6%。多年平均推移质输沙量为13.8万t，库沙比为10.6。总体来看，扎拉水电站具有水头高、调节库容小、入库沙量相对较大等工程特点，泥沙问题较严重。为保证电站能长期运用，除了坝身布置排沙底孔外，需在汛期结合冲沙运行方式，将大部分泥沙排到下游，以在一定程度上解决泥沙淤积问题。

2  调度方式拟定

以控制水库泥沙淤积为目的的水库运用方式主要有蓄洪运用、蓄清排浑运用、缓洪运用和多库联合运用等类型［8-9］。借鉴中国在多沙河流上的长期研究成果［10-13］，结合扎拉水电站工程特点，选择“蓄清排浑”的运用方式处理水库泥沙问题。根据水库的水沙条件和工程任务，采用以下几种运行调度方案［14-15］。

（1） 汛期控制库水位，汛末蓄水。根据水库来水和来沙情况，在满足水库兴利的前提下，设置排沙水位。汛期水库控制在排沙水位运行，汛末蓄水运用。一般兼顾发电或有发电要求的水库可采用这种运行方式。

（2） 汛期控制库水位，相机排沙调度。水库在汛期设置排沙水位，根据来水来沙情况，在泥沙含量不大的情况下，水库在汛期控制库水位运用；在含沙量大时，降低到最低排沙水位或是敞泄排沙。根据来水来沙和水库使用要求确定排沙条件，当水量或沙量大于某一界限时，水库水位降低至最低排沙水位运用；否则，水库则在汛期控制水位运用。采用这种运行方式的水库，由于汛期空库或低水位排沙运用，水库降低水位后可能减少发电或不能发电，影响水库兴利。

（3） 汛期敞泄，汛末蓄水。水库在汛期打开底孔闸门，不控制水位，敞泄运用；汛末再关闭底孔闸门，水库蓄水运用。如果没有发电要求，以灌溉和防洪为主的水库可采用这种运行方式。

鉴于坝址悬移质泥沙几乎全部集中在汛期、沙量比水量更加集中的水沙特性，以及扎拉水电站利用水头高、库沙比小的特点，从保证电站正常取水发电、确保足够的调节库容及尽量减少水库泥沙淤积对电站发电的影响等方面考虑，本次研究拟定了4种排沙运行调度方式。

2.1  方案1

方案1为不设排沙运行控制水位方案。汛期以满足电网电力电量需求为原则进行发电调度，水库水位在正常蓄水位和死水位之间变动。

2.2  方案2

方案2为设排沙运行控制水位方案。枯水期水库水位在正常蓄水位和死水位之间变动，在来沙量比较集中的主汛期6～9月，库水位维持在排沙运行控制水位2 811.5 m运行，调度方式如下：①  当洪水来量不超过排沙运行控制水位相应泄量时，按洪水来量下泄，维持坝前水位不变；② 当洪水来量大于排沙运行控制水位相应泄量时，按相应频率洪水泄流能力下泄，多余洪量存蓄在库中，坝前水位相应抬高。

2.3  方案3

方案3为设排沙运行控制水位+短时间敞泄排沙方案。在方案2的基础上，进一步研究来水量较大时，短时间停机敞泄集中拉沙的运行方式。采用扎拉水电站坝址2012～2015年逐日水沙系列，对不同流量级的累计输沙量进行统计（图1），根据统计结果，入库流量大于225 m3/s的天数为47 d，期间累计入库沙量占年入库沙量的75.49%；入库流量大于300 m3/s的天数为25 d，期间累计入库沙量占年入库沙量的53.70%；入库流量大于400 m3/s的天数为7.8 d，期间累计入库沙量占年入库沙量的28.04%。入库流量超过450 m3/s，平均每年出现的天数小于5 d。

根据不同排沙流量方案泥沙淤积计算成果，开始排沙的流量越小，电站停机排沙时间越长，越有利于减少水库泥沙淤积量和过机泥沙量、降低坝前泥沙淤积高程，但电站电量损失相应也越大。由于扎拉水电站发电效益主要集中在汛期，因此，在综合考虑水库排沙效果和发电效益的基础上，从既能较大程度排沙，又尽量减少电站发电损失等方面综合考虑，按每年停机排沙时间不超过10 d，初拟敞泄起始流量为400 m3/s，损失电量约为0.82亿kW·h，约占多年平均发电量的2%。

扎拉水电站水库敞泄降低坝前水位过程中的最大下泄流量，应以不恶化下游河道5 a一遇防洪形势为控制条件。考虑留有一定的调度余度，在水库预泄降低水位过程中，最大下泄流量按不大于800 m3/s考虑。

扎拉水电站的开发任务以发电为主，利用水头超过650 m。在确保大坝防洪安全的前提下，应充分利用水能资源，最大限度增加电站发电效益，并尽量减少库区泥沙淤积，减少过机泥沙，满足电站进水口“门前清”和调节库容的要求。本方案拟定的排沙调度运行方式如下：

（1）  主汛期6～9月在排沙运行控制水位2 811.5 m运行。

（2）  入库洪水大于400 m3/s时，按不超过800 m3/s下泄，库水位相应降低，在枢纽泄洪设施泄流能力小于800 m3/s时敞泄。

（3） 入库洪水小于400 m3/s时，关闭闸门，库水位回蓄至排沙运行控制水位2 811.5 m。

（4）  其他月份，水库水位一般在正常蓄水位和死水位之间运行。

2.4  方案4

方案4为不设排沙运行控制水位+短时间敞泄排沙方案。在方案1的基础上，采用扎拉水电站坝址2012～2015年逐日水沙系列，进一步研究不设排沙运行控制水位，仅在来水量较大时短时间停机敞泄集中拉沙的运行方式。根据方案3对扎拉坝址2012～2015年逐日水沙系列的分析，本方案拟定的排沙调度运行方式如下：① 水库水位一般在正常蓄水位和死水位之间变动。由于汛期6～9月来水量大，按正常蓄水位运行考虑；② 入库洪水大于400 m3/s时，按不超过800 m3/s下泄，库水位相应降低，在枢纽泄洪设施泄流能力小于800 m3/s时敞泄；③ 入库洪水小于400 m3/s时，关闭闸门，库水位回蓄至正常蓄水位；④ 其他月份，水库水位一般在正常蓄水位和死水位之间运行。

3  研究采用的模型

扎拉水电站库区泥沙来源包括悬移质泥沙与推移质泥沙，故计算采用的数学模型为水库库区一维全沙冲淤数学模型，其基本方程组如下。

水流运动方程和连续方程：

Zx+Jf+12gU2x+1gUt=0

Qx+At=0

悬移质泥沙连续方程：

（QSi）x+（ASi）t+αB（Si-S*i）ωi=0

（i=1，2，…，8）

水流挟沙力方程：

S*=S*（U，Z，ω，…）

推移质输沙率方程：

Gb=Gb（U，Z，d，…）

悬移质河床变形方程：

（QS）x+（γ′sΔA1）t+（AS）t=0

推移质河床变形方程：

（Gb）x+（γ′sΔA2）t=0

式中：Z为水位；

Q为流量；

Jf为能坡；

U为流速；

A为过水面积；

g为重力加速度；

S，S*分别为断面平均含沙量及水流挟沙力，脚标“i”为第i粒径组；

Gb为推移质输沙率；

γ′s为干容重；

ΔA1、ΔA2分别为悬移质和推移质断面冲淤面积；

B为水面宽度；

x为沿程距离；

t为时间；

ω为泥沙颗粒静水沉速；

d为粒径；

α为恢复饱和系数（淤积取值为0.25，冲刷取值为1.0）。

基于圣维南方程组，根据实际计算对基本方程组进行了简化。简化假定将整个计算时段划分成若干小的计算时段，将长河段划分为若干个短河段，且在计算时段内，短河段内除ΔA以外，其他因子不变，即按恒定流考虑，而在不同时段不同河段各因子可以不同，并忽略微小量。推移质输沙率采用长江科学院研究的推移质输沙经验曲线求得。

求解方程组时采用非耦合解，每个计算时段分3步计算，首先推求水面线，算出各断面的水力要素；第二步求各河段各组泥沙（包括推移质和悬移质）的冲淤量；第三步修改横断面形态。

4  泥沙淤积主要计算条件

（1） 计算河段及断面。计算河段为扎拉坝址至库尾河段，全长约17.9 km，共划分70个断面，平均断面间距0.26 km。

（2） 水沙代表系列。按照代表系列年的水沙平均值应与多年平均值接近，典型年应包括大水大沙、中水中沙、小水小沙等各种不同的来水来沙情况，代表系列应具有连续性等原则。采用10 a滑动平均法，统计分析了1979～2015年的水沙资料，选择代表系列为1984～1993年水沙系列。1984～1993年典型系列坝址处年均径流量较多年平均年径流量偏离2.9%；年均输沙量较多年平均输沙量偏离1.2%，在统计时段内与多年平均径流量、输沙量较为吻合（图2）。该典型系列年包括了年水量的丰、中、枯及年输沙量的大、中、小等多种类型的组合情况。

（3） 泥沙颗粒级配。根据坝址河段悬移质泥沙取样分析，中值粒径为0.036 mm，平均粒径为0.048 mm，最大粒径为0.645 mm。根据坝址河段床沙取样分析结果，左岸最大粒径为296.1 mm，中值粒径为162.0 mm；右岸最大粒径为305.2 mm，中值粒径为161.6 mm。

5  调度方式初步研究

5.1  库区泥沙淤积量（含推移质）

扎拉水电站库沙比约为10，泥沙问题较严重。建库后，坝前正常蓄水位较天然情况抬高约54 m，改变了天然条件下的水流特性，降低了河道输沙能力，引起泥沙大量落淤，库区泥沙淤积发展迅速。各方案库区泥沙淤积量见图3，河道纵剖面变化分别见图4～7。

由图3可见，由方案1至方案4，各运行年份水库泥沙淤积量递减，水库运行10 a末、30 a末、50 a末，方案2库区泥沙总淤积量较方案1分别少2.5%，9.7%，10.0%；相同年份，方案3较方案2分别少55.8%，47.8%，27.4%，方案4较方案2分别减少53.5%，45.7%和25.5%。各方案各运行年份水库排沙比增大，水库冲淤平衡年份均在运行30～40 a 间。

从淤积分布看，各方案库区泥沙淤积均呈三角洲形态，方案1和方案2淤积发展较快，而方案3和方案4运行至50 a末三角洲仍未到达坝前。

5.2  坝前泥沙淤积高程

由图4～7进一步分析可知，由于汛期运行水位相对较高，方案1淤积三角洲向坝前发展速度较方案2相对减缓，在淤积三角洲未到达坝前时，方案1坝前深泓高程较方案2低，水库运行20 a末深泓高程分别为2 767.27 m和2 768.27 m；淤积三角洲到达坝前后，方案1坝前深泓高程较方案2高，50 a末深泓高程分别为2 804.80 m，2 803.09 m。方案3不同运行年份坝前深泓高程为2 759.58～2 759.96 m，方案4不同运行年份坝前深泓高程为2 759.53～2 759.85 m，变化均不大，基本可以做到“门前清”。

5.3  调节库容剩余比

水库蓄水运用后，库区泥沙淤积必将引起水库库容的损失。各方案调节库容剩余比见图8。随着运行年份的增加，各方案调节库容的剩余比基本呈减少趋势。方案1～4调节库容损失速率加快。相同运行年份来看，方案1调节库容剩余比最小，方案2和方案4次之，方案3损失最大，如水库运行10 a末、30 a末、50 a末，方案1调节库容剩余比分别为89.0%，71.8%，71.0%，比方案2分别小4.7%，9.6%，5.8%，比方案3分别小6.9%，13.9%，9.0%，比方案4分别小4.1%，12.2%，5.3%。

5.4  出库含沙量

水库兴建后，大量泥沙拦蓄在库内，出库沙量减小、变细。随着库内泥沙淤积不断发展，出库含沙量与出库级配逐渐恢复。各方案出库含沙量见图9。由图9可知，方案1和方案2由于汛期控制水位较高、泥沙淤积发展至坝前的速度减缓，出库含沙量略小，至水库泥沙冲淤平衡后，各方案出库含沙量相差不大。

5.5  方案选择

从库区泥沙淤积量、坝前泥沙淤积高程、调节库容剩余比、出库含沙量等方面比较了4个排沙调度运行方案的水库泥沙冲淤情况。方案3和方案4采用遇较大流量敞泄排沙的方式，对确保较大的调节库容及电站进水口前“门前清”、尽量减少粗颗粒泥沙过机、尽量减少水库泥沙淤积对电站发电的影响等方面效果较好，方案2次之，方案1效果较差。

由于水库特性及资料所限，在方案3和方案4研究过程中仍存在以下需进一步研究的问题：

（1） 限于资料，本次初步研究采用的2012～2015年逐日水沙系列较短，代表性不足，尚需收集更长时序资料以分析其代表性。

（2） 敞泄时由于只控制最大出库流量，对库水位下降幅度没有限制，在入库流量大于400 m3/s时，库水位从2 811.5 m降至2 780 m（400 m3/s相应泄流能力），降低约31.5 m，用时约5 h，远超1 d库水位下降不超过5 m的安全经验值，可能影响水库库岸稳定。若降水位过程中，库水位下降幅度按5 m/d 控制，视入库流量不同，库水位降至2 780 m需时将超过6 d，对山区河流而言，洪水早已过坝。

鉴于方案3和方案4存在的问题，尤其是对库岸安全稳定的影响，本次研究以方案2作为水库排沙运行调度推荐方案，即在主汛期6～9月按排沙运行控制水位2 811.5 m运行，其他月份库水位在正常蓄水位和死水位之间变动。以上分析均按扎拉水电站单独运行考虑。实际上，扎拉水电站上游约17 km为衔接梯级碧土水电站，其死库容约5 500万m3，预计将与扎拉水电站同时建成，其较大的死库容将拦下扎拉水电站绝大部分推移质及部分悬移质，大大改善扎拉水电站的泥沙问题。

6  结  语

本文结合扎拉水电站工程特点及水沙特性，开展了汛期排沙运行调度方式研究，从库区泥沙淤积量、坝前泥沙淤积高程、调节库容剩余比、出库含沙量等方面比较了扎拉水电站单独运行时，4个排沙调度运行方案的水库泥沙冲淤情况，分析表明，方案2能在主要来沙期固定水位排沙，既能较好排沙，又能兼顾发电，是一种合理可行的排沙运行调度方式。研究成果可用于指导电站设计及水库调度运行，也可为其他同类型电站的规划设计和调度运行提供参考。鉴于实测水沙资料较少，下阶段可在坝址附近继续观测水沙特性，并在此基础上，采用具有一定代表性的水沙系列，在工程运行前期阶段进一步研究汛期排沙运行调度方式。同时，在实际运行调度中，可根据上游水电梯级拦沙情况，适时调整运行调度方式。在水库运行后，定期测量水库淤积地形，及时掌握水库淤积状况，为调整排沙调度运行方式、实施排沙减沙措施提供依据。

参考文献：（补充《人民长江》《水利水电快报》近3年发表文献各1篇，并在文中按顺序引用）

参考文献：

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［12］  张金良，胡春宏，刘继祥.多沙河流水库"蓄清调浑"运用方式及其设计技术［J］.水利学报，2022，53（1）：1-10.

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（编辑：李  慧）

Study on operation and regulation mode of sediment discharge of Xizang Zhala Hydropower Station

MENG Mingxing1，SHEN Kunming2，ZHANG Lisheng1

（1.Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.Hunan Lishui Hydro & Power Co.，Ltd.，Changsha 410000，China）

Abstract：

The main task of Zhala Hydropower Station is to generate electricity，and the problem of sediment accumulation in the reservoir is relatively serious. To study the sediment discharge scheduling methods that can effectively utilize the power generation benefits of reservoirs in the long term，four sediment discharge scheduling methods were studied based on the characteristics of reservoir water and sediment，such as no sediment discharge control water level scheme，sediment discharge control water level scheme，sediment discharge control water level plus short-term open discharge sediment scheme，and no sediment discharge control water level plus short-term open discharge sediment scheme. The results showed that the sediment discharge control water level scheme can fix the water level for sediment discharge during the main sediment season，which can effectively discharge sediment and generate power. It is a reasonable and feasible operation and scheduling method for sediment discharge. The research results can provide a reference for sediment scheduling of similar hydropower stations.

Key words：

reservoir sediment； sediment releasing operation； storing clear water and releasing muddy water； Zhala Hydropower Station； Xizang