万家寨引黄工程北干线调蓄方案研究

万家寨引黄工程北干线调蓄方案研究

1洪水特征及洪水过程万家寨水库总设计规模为89.96亿3m，包括4.45亿3m调整库（防洪库3.02亿3m）和4.51亿3m沉积库。库长72.1km(至拐上)。水库现有泄洪、引水设施高程关系及泄(引)流量如表1所列。万家寨水库的洪水来源,一是河口镇以上干流来水,二是河口镇至万家寨区间洪水。干流洪水主要来源于兰州以上的黄河上游地区,黄河出黑山峡后,穿行于沙漠之间,加上宁、蒙灌溉用水,到河口镇前,流域面积增加了14.2万km2,径流反而减少很多。洪水涨落平缓,峰形肥胖,量大时长。1986年龙羊峡水库建成运行后,洪水过程就更加趋于均化;区间洪水由短历时暴雨形成,峰高量小,陡涨陡落,携带大量泥沙,历时一般不超过24h。干流洪水主要发生在7月下旬至8月中旬和9月两个时段;区间洪水多集中在7、8月。区间降雨主要集中在7月中旬至8月下旬,年暴雨次数少、特大暴雨罕见,以局部暴雨居多。黄河河口水文站多年平均年径流量为223.03亿m3,最大年径流为441.22亿m3(1967年),最小年径流为109.75亿m3(1997年)。实测最大洪水流量为6310m3/s(1967年)。2机组并网发电万家寨水库于1998年10月1日下闸蓄水,同年12月初第一台机组并网发电,到2000年12月,全部6台机组建成投产。投入运行8年来,同设计预期相比,显示了许多不同之处。2.1上游来水来沙量设计采用1919～1979年系列,多年平均径流量为192亿m3,设计多年入库沙量1.49亿t,其中干流来沙1.02亿t,区间来沙0.41亿t。设计预计达到淤积平衡的年限为8～10年。但近年来,上游来水来沙量大幅度减少。1998～2002年,头道拐水文站年均来水量136.5亿m3,仅相当于设计值的71%。年平均来沙0.3亿t,仅为黄河干流设计来沙量的29%。1998年10月至2002年10月,水库实测淤积量为1.387亿m3,到2005年5月,水库实测淤积量为2.034亿m3,计算淤积速率为0.35亿m3/年。因此,水库达到冲淤平衡的年限将会延长。2.2洪水冲沙能力分析经研究计算,水库淤积末端不上延至拐上的排沙控制水位为955m。原设计8、9两月为排沙期,水库保持低水位运行。入库流量小于800m3/s时,库水位控制在952～957m之间;入库流量大于800m3/s时,库水位保持952m运行;当水库淤积严重,难以保持日调节库容时,在流量大于1000m3/s情况下,库水位短期降至948m冲沙。近期由中水北方公司编制完成的《黄河万家寨水库运用初期分期汛限水位论证报告》(以下简称《报告》),根据对头道拐站水、沙关系的研究,在流量小于3000m3/s时,输沙率同流量的1.85次方成正比,河道流量在2000～3000m3/s时输沙能力是1000m3/s输沙能力的3.7～7.6倍。《报告》建议在大水大沙年份水库低水位运用,当来水流量超过2000m3/s,持续3～5d以上时,应降低水位至952～957m运行。中、小水年份主要靠有利的水沙条件,在一定时期内降低水位冲刷。冲沙流量的提高,将增加引黄工程的取水机会。2.3连续多次偏枯的情况下大流量排沙的长期稳定性万家寨水库蓄水后的6年间,8、9两月的平均运用水位高于初步设计拟定的排沙水位;而在2、3月,水位又低于原设计运用水位。根据万家寨水库建库以来的实际运行情况,汛期径流不大,排沙效果较差。《报告》建议利用水库运行初期凌汛期水位较低的时机,利用开河期大流量拉沙排沙。实践证明其效果明显:在此前的水库运用中,有超过2/3的出库泥沙是凌汛期排出的。其实,如果连续偏枯,这种情况将会持续出现。根据河口水文站日平均流量资料,每年8、9两个月大于等于1500m3/s的天数,1958～1986年为平均每年25.6d;而1987～2002年仅为4.2d,且只发生在个别年份(1989年)。与之相反,每年3、4两个月,大于等于1500m3/s的天数,1958～1986年为平均每年1.52d;而1987～2002年则为3.31d,甚至出现了3270m3/s的大流量,而且是每年均会发生。因此,在连续多年偏枯的情况下,开河期大流量排沙不仅是必要的,而且是可能的。在凌汛期排沙期间,引黄工程不能取水是一个现实问题。2.4客观上造成异重流排沙万家寨水库流程长,引黄取水口位置高,近年来引水含沙量一直很低。库区断面窄深、比降陡,有利于异重流形成。《报告》分析,入库流量大于500m3/s、含沙量大于4kg/m3时,就可能形成异重流。由于死库容较大,目前水库淤积量还较小,近期低水位排沙的可能性较小,今后数年内水库排沙的主要形式仍然是以异重流排沙为主。如1999年7月16日到8月23日,库水位961～966m,水库通过915m的底孔放水时出流含沙量达到6.3kg/m3,形成了异重流,排沙331万t;而进口低于引黄取水口20m的发电引水则保持清澈。实际上,即使在冲淤平衡后,这种情况也会发生。综合上述情况,引水含沙多的问题可以说有所缓和。3区域的变化(1)年用水量及设计水平处于地区倾斜汲取山西引黄工程既往经验,引黄北干线供水规模预测更加谨慎,近、中期需水量及设计水平年供水规模可能有所减少。供水区重心也进一步向下游大同市倾斜。在此情况下,根据中国国际工程咨询公司将水量调蓄设施尽可能选在主要受水区的意见,线路下游设计调蓄水库的规模就变成了主要制约因素。(2)取水含沙量少过去的调蓄水库选址和设计,考虑引水含沙量的因素较多。而目前,重要的是如何减小库容、控制投资。这里有几个原因:一是实际引水含沙量很少,即使短期引水含沙量高点,总沙量也很有限;二是泥沙处理技术的进步。由我院提出的调蓄水库旁通输水短期腾空和双库交替运行短期腾空的“干”法清淤方案,克服了挖泥船水力清淤方案能耗高、浪费水、占地多和脱水时间长等缺点,使泥沙处理问题比较容易解决。4引黄dg3+0.2+高值重电池下封针对上述情况,建议对当前引黄工程北干线设计有重大影响的两个问题进行研究。(1)初步设计确定万家寨水库淤积末端不延至拐上的排沙控制水位为955m。原设计按引水流量48m3/s计算,低水位引水就比较难以保证。现在是否可以考虑区别对待:由于汾河水库调蓄能力较强,已经建成的南干线仍然按原设计调度;8、9月间除了冲沙日之外,只考虑北干线的取水问题。引黄下层取水口底槛高程952.0m,底宽8m,两孔。按实用断面堰推算,水位952.8m就可以满足北干取水要求;如果只考虑两台水泵运行还比较富裕,1#～3#隧洞也不会出现压坡线不足的问题。如果能够通过论证,将8、9两月日调节水位微调为953～957m区间,对万家寨水库发电并无实质性影响,但对控制引黄北干线调蓄工程规模则好处甚多。(2)汛期低水位冲沙是短时间的,低水位和大流量这两个因素缺一不可。没有大流量来水,低水位运用是没有意义的。反之,在多年没有较大洪水、水库淤积增加的情况下,还应该利用开河期的较大流量冲沙。因此,对引水构成影响的不仅有8、9月,还可能有凌汛期。若按8、9两个月不引水计算,