电站水沙联合优化调度与泥沙处理技术惠仕兵 曹叔尤 刘兴年
（四川大学水电学院 成都 610065）
【摘要】 针对长江上游川江水电开发运行管理中存在的工程泥沙技术问题，本文简介了低水头闸坝枢纽水沙联合优化调度运行方式；流域水工程水沙联合管理及与电站水沙优化调度运行管理有关的工程泥沙处理技术。
【关键词】 电站泥沙 水沙优化调度 泥沙处理技术
1 低闸枢纽水沙优化调度方式
西南地区河道的中小型水电开发中常见的低水头闸坝枢纽工程，如嘉陵江及其支流涪江水电梯级开发中的河床式、引水式电站，在其优化调度、运行中如何确定全闸敞泄分界流量，目前仍未得到有效的解决，仅仅停留在定性或综合分析上。本文引入河流泥沙数学模型来定量分析这一问题。
天然河流泥沙运行总的趋势近乎于平衡或准平衡状态，修建低水头闸坝枢纽后，由于全年大部分时间水库蓄水发电，造成壅水淤积，只有部份泥沙可能排向下游。上游入库泥沙主要集中在汛期洪水阶段。年内某几次汛期洪水，虽然仅有几天或十几天，但都集中了全年来沙量的70％以上。为了减少泥沙淤积，需要在洪水期间全闸敞泄排沙，把上游入库泥沙残存在库区的淤泥尽量排向下游，以减少库区泥沙淤积并保持足够的兴利库容；对日、月、年调节水库则可保持调节库容的存在，增加发电时间。因此，从短期效果来讲，多发电就要求年均敞泄排沙时间（天数）少；从长期来看，有效冲砂是长期保证电站多发电的必要手段和重要保证。总之，如何在冲沙和发电这对矛盾的对立统一中，获得最优效果（优化调度），是目前低闸枢纽工程设计、管理中亟待深入研究解决的技术问题之一。
应用上述基本概念和河流泥沙数学模型（CRS－1），进行水库泥沙冲淤计算，可获得水库排沙概率P排和分界敞泄流量QK的关系，然后对应年均不发电天数T不，就可以获得不同敞泄分界流量QK和冲沙发电综合优选参数T＊值，点绘T＊和QK的关系图，即可得到T＊达到最小时的分界流量QPK，即最优敞泄分界流量。由于问题本身的复杂性，许多因素难以在模型中绝对精确反映，亦可认为，当T＊达到较小值范围时，所对应的某一范围的QK即为可接受的较优敞泄流量。
下面以涪江及支流通口河的二座闸坝枢纽为例，说明确定敞泄分界流量的方法。（1）涪江三江水电综合工程全闸敞泄流量涪江是嘉陵江一级支流，三江水电枢纽位于涪江中游的绵阳市境内，装机容量4．9万kW，水库集水面积13627km2，年均悬沙量1355万t。
QK在1100m3／s～1700m3／s内T＊值均较小，由此可见三江枢纽工程的全闸敞泄分界流量QPK宜在1100m3／s～1700m3／s之间。设计中根据三江工程集防洪、发电等为一体，最终计入泥沙淤积对库尾洪水位的影响，通过数学模型计算不同QK下泥沙淤积对库尾设计洪水抬高情况（见表1）。
不同敞泄流量下泥沙淤积对库尾洪水位的影响QK=1200m3／s时,比QK=1500m3／s年均少发电3天，设计洪水位降低0．051m，即年均多发电一天，仅抬高0．017m水位。而QK＝2000m3／s，比QK＝1500m3／s年均多发电3天，设计洪水位抬高达0．353m，年均多发电一天库尾设计洪水位抬高0．118m。综上所述，实际选择QPK＝1500m3／s为全闸敞泄流量。
（2）涪江支流通口河香水水电站分界敞泄流量
通口河是涪江右岸一级支流，香水水电站是通口河梯级开发的第六级，装机容量2万kW，为引水式电站，闸坝式取水，水库集雨面积4130km2，年均悬沙量499万t。
当QK在500m3／s～700m3／s之间时，T＊值较小，因而QPK在500m3／s～700m3／s之间，考虑到尾水位不对上一级通口电站产生过大影响，经数学模型计算QPK宜选较小值500m3／s为最佳。
2 流域工程水沙联合管理概述
随着国家经济技术的不断发展，江河流域水资源利用正朝着多元化发展，水工程的开发与运用管理已不再是单一的模式，必将涉及流域中的多种工程体系。如岷江都江堰（紫坪铺、鱼嘴）工程，涉及水库、反调节水库、鱼嘴工程、外江闸、宝瓶口及灌溉取水工程；灌渠工程中干渠、支渠纵横，桥涵及分水工程、梯级水电站众多，都江堰以下金马河又是川西平原防洪的重要江河段。如此复杂的水利水电工程系统，若能进行流域工程水沙联合管理，应用现代流域管理模型进行运用管理，其整体效益不可估量。程，走向较为成熟阶段的的流域整体开发、运用管理阶段。随之而来的则是川江各条河流都将面临类似的流域工程管理问题。如大渡河的龚嘴、铜街子两库水沙联合优化调度，涪江武都水库建成后整个涪江流域水电梯级及水沙优化调度及其对涪江沿线重点城市江油、绵阳等的防洪调度管理等，都涉及流域水沙管理技术问题。
ISIS流域管理软件系统，正是兼顾流域中各种水利、水电工程（如梯级水库、支流入泄、闸首、渠系、堰、凼、桥梁分洪工程），进行集各种工程为一体的流域工程系统管理仿真软件技术，采用计算机可视化技术，直观掌握整个流域管理中各个工程环节的动态状况，为主管部门提供科学管理决策的基础材料。
3 与电站水沙优化调节有关的泥沙处理技术
电站的水沙优化调度以电站进口、渠道、前池泥沙处理技术为依托，良好的电站工程泥沙处理技术是电站水沙联合优化调度管理的保证体系。
3．1 电站进口泥沙处理技术
水电站水沙联合优化调度的实现，需要电站进口泥沙处理得当，才能发挥其效果。不同电站进口均布置有拦沙、排沙工程措施。作者们通过长期的川江水电工程泥沙模型试验研究，总结出一套电站进口泥沙处理工程措施与体系——电站多级拦沙、分沙、排沙、飞沙工程泥沙体系（CRS－MT），其技术指标详见表2。
3．2 渠道粗颗粒泥沙处理技术
电站进口泥沙处理后，仍有部份粗颗粒泥沙进入电站进口，对有引水渠的电站，仍然会造成淤积和其它危害。进入渠首的粗颗粒泥沙，可采用多级涡管排沙设施来解决。该设施若设计得当，通过一、二（或三）级涡管，可排除95％以上的粗颗粒泥沙，且耗水量较小。
涡管排沙的耗水率W、开口宽度b及排沙率E可用下式确定：
F称为涡管排沙特征参数。当F＝0．73时，单位耗水量的排沙率达到最高，用10％以下的耗水量可以排出80％以上的推移质沙；D、h分别为涡管直径和水深；θ为涡管轴线与水流方向的夹角；B为渠宽；d50为推移质泥沙中值粒径；Fr为水流弗汝德数；V为渠道流速。
3．3 电站前池泥沙处理技术
上述泥沙处理后，细颗粒泥沙仍将不可避免地进入电站前池。目前，川内许多引水式电站前池，均存在较为严重的泥沙淤积问题，有的已影响到电站正常发电或长期效益的充分发挥。对此种问题可采用松动射流管道排沙技术来解决，且工程量较小。
3．4 电站泥沙处理技术指标
电站取水防沙中，可利用表2中的部份技术措施。
第1项为合理的取水河段与取水口位置，在大部分河流中主要表现为稳定的河岸、弯道凹岸顶点下游及其它深槽河段。
第2项为取水防沙技术，主要采用合理的取水角度，和拦沙坎、冲沙闸等工程措施组成。起到和主流分沙的作用，相当于都江堰工程的鱼嘴分流分沙作用。这一措施，如利用得当，可防80％左右的推移质粗沙。并减少20％～40％的悬沙进沙量。
设这种冲沙、拦沙工程措施的拦沙率用P1表示，则进沙率为
P＊1＝1－P1
第一道防沙后进沙率为P＊1，这部份泥沙通过第二道防沙措施，前池排沙，即取水口前沉沙池（前池）和岸边冲沙闸冲沙，又可排去部分泥沙，设其排沙比为P2，则取水口第二道进沙率为：
P＊2＝1－P2则取水口总的进沙率为：
P＝P＊1P＊2＝（1－P1）（1－P2）如果合理布置第一、二道防沙措施，P1、P2均可达到80％以上，以80％计，则
P＝（1－0．8）（1－0．8）＝4％
即是说，如果第一、二道防沙措施都得当，则取水口的进沙率可控制在4％左右。
