水库对水沙变异影响分析范文

《水利水电技术杂志》2015年第S1期

摘要:

利用刘家峡水库运行前后进出库控制站的水文资料，对水库运行以来的径流泥沙特征进行了分析。研究表明:(1)水库运行对进出库年径流量影响很小，对年内分配影响大;(2)单库运行期水库蓄水拦沙，出库洪峰流量削减，年内径流量分配发生变化，泥沙量大幅度减少;(3)龙羊峡水库运行后的联合运行期，洪峰流量略有削减，年内蓄水过程改变后仍有一定的拦沙作用，出库含沙量较单库运行期增加;(4)水库运行减小了出库含沙量，并没有改变出库含沙量与入库含沙量的线性关系。

关键词:

河流泥沙;水沙变异;资料分析;刘家峡水库

1研究背景

刘家峡水电站位于甘肃省永靖县境内黄河干流上，是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、防凌、养殖等综合利用效益的大型水利枢纽工程。水库控制流域面积18.18万km2，占全流域面积的24.4%，控制径流量263亿m3。刘家峡水库设计正常蓄水位1735m，相应库容57亿m3，有效调节库容41.5亿m3，为不完全年调节水库。刘家峡水库蓄水运行以来，在发电方面取得了巨大的经济效益，有效减轻了水库下游特别是宁蒙河段的防洪负担，对防凌安全作用巨大［1］，库区淤积有效减少了水库下游的沙量［2］;同时增加了工农业供水保证率，缓解了黄河中下游水资源短缺状况［3］，也对宁蒙河段的冲淤变化产生影响［4］。为了更清晰地研究刘家峡水库运行对上游水沙过程的调控作用，本文对水库的调控过程和参数特征进行了全面分析，对促进流域水库联合调度和河流综合治理开发大有裨益。

2水库运行过程

刘家峡水库于1968年10月15日开始蓄水，1969年11月5日库水位至1735m开始正常运行。以龙羊峡水库运行时间为界分单库运行和联合运行两个时期。在刘家峡水库单独运行时期，年内运行情况分两个阶段:(1)每年11月～次年5月，一般以泄水为主并控制下泄流量，以满足下游灌溉和盐锅峡、青铜峡电厂用水，以及宁蒙河道防凌需要，到次年5月底泄到接近死水位1694m。(2)每年6～10月为蓄水期，根据来水情况水库从6月开始蓄水到防洪限制水位1726m，10月底蓄水到接近正常水位1735m。实际运行过程如图1所示。1986年10月龙羊峡水库投入运行后实现两库联合调度运行，黄河上游的防洪任务主要由龙羊峡水库承担，刘家峡水库主要配合龙羊峡水库进行调节运行，年内蓄泄水过程发生改变。一般情况下，每年汛前水库蓄水位降到较低值迎接汛期洪水，汛期7～10月蓄水运行，水位抬升;11～12月补水发电;1～3月控制流量下泄进行防凌运行，蓄水位抬高;4～6月补水灌溉和发电，水位降低。由于干流流量过程均匀［3］，刘家峡水库汛限水位抬升，大部分时间蓄水位维持在1720～1730m，相应蓄水量变化在20～30亿m3之间，只是在龙羊峡水库运行初期以及1991年5月～1992年7月库水位较低。总体看，两库联合运行后，经龙羊峡水库调节后干流流量过程均匀，刘家峡水库调节幅度减小，蓄水位变幅小于1969～1986年，蓄水量变幅减小。对不同时期各月蓄泄水量的统计结果如图2所示。由图2可见，1969～1986年单库运行期，每年6～10月为蓄水过程，年均蓄水28.67亿m3，9月蓄水量最大(10.54亿m3);11月～次年5月为泄水期，年均泄水26.51亿m3。1987年两库联合运行后，蓄泄过程发生变化，平均12月～次年3月和7～9月为蓄水过程，其他月份为泄水过程;从蓄变量的绝对值看，5月份泄水量最大(7.35亿m3)，其他月份的变化值较小。

3水库调控作用分析

刘家峡水库属于不完全年调节型，汛期水库蓄水拦沙。水库的蓄泄水过程直接影响了出库的径流泥沙过程，造成洪峰流量削减、出库流量过程调平，月径流量过程均匀化，年内水量分配发生变化，出库泥沙量减少。以干流循化站和洮河红旗、大夏河折桥之和作为入库控制过程，小川站为出库(建库前为上诠)过程，分析水库对水沙的调控作用。

3.1洪峰流量削减天然情况下，入库站和小川站最大流量相差较小。在1969～1986年单库运行期，入库最大流量多在2000～4000m3/s之间，相应平均削峰比为24%，刘家峡水库具有一定的削峰作用，但基本不改变洪水过程，入库洪峰大时出库洪峰也大，最大洪峰时出库流量与入库具有较好的线性关系(见图3)，平均削减流量约650m3/s。1987年后受龙羊峡水库汛期蓄水影响，进入刘家峡水库的洪水流量过程均匀，最大流量多在1000～2000m3/s之间，但入库流量最大时，除个别年份出库流量有增加现象外，多数年份仍有一定的削减。如1987～2009年入库最大流量平均为1364m3/s，相应出库流量为1079m3/s，平均削减流量285m3/s。

3.2汛期流量过程均匀统计不同时期7～10月各流量级持续天数的变化(见图4)。1969～1986年刘家峡水库单库运行期，出库流量500～1000m3/s的天数较入库年均增加约22d，其他流量级天数均有不同程度减少。1987～2009年受龙羊峡水库蓄水的影响，进入刘家峡水库流量过程均匀，汛期各流量级进出库天数差异小。入库500～1000m3/s天数年均达88.8d，占汛期72.2%，与1969～1986年相比增加64.6d，其他流量级天数均减少;出库流量100～1000m3/s天数略有增加，1000～1500m3/s天数减少，其他流量级变化很小，其中500～1500m3/s天数年均为107.5d，为汛期的87.4%，略小于入库的111.9d。

3.3年内径流分配发生变化天然情况下，小川站水量与入库三站比较接近，汛期约占全年的61%。在刘家峡水库单库运行期1969～1986年，入库年水量及汛期比例与长系列平均接近;出库年径流量与入库接近，汛期水量减少，占全年的50.7%。1987～2009年两库联合运行期，入库年水量减少，但非汛期增加，汛期水量大幅度减少，仅占全年的40.8%，只有1969～1986年的52.2%;出库年水量与入库相当，汛期比例进一步减少(见表1)。从各月分配看，天然情况下年内最大最小月径流之比为7.16，1969～1986年为3.37，1987年后仅为2.63，不仅月径流量过程均匀，出现最大水量月份从汛期调整到了非汛期的5月份。

3.4出库泥沙量减少天然情况下，入库三站年沙量0.725亿t，小川站年沙量为0.820亿t，汛期占83.6%，略大于入库。1969～1986年，入库年沙量及汛期占年比例变化较小，出库年沙量只有入库的21.6%，汛期占年比例降至60.2%。1987～2009年两库联合运行期，入库沙量显著减少，只有之前时段的41.7%;出库沙量进一步减少，与单库运行期基本相当，排沙比增至53.8%，汛期排沙比和占年比例均增加。从历年来沙系数看(见图5)，1968年以前三站和小川没有趋势性变化，1969～1986年受水库拦沙影响出库站来沙系数平均仅0.0008(kg•s)/m6，远小于入库平均值0.0029(kg•s)/m6;1987年以后，入库来沙系数有减小趋势，但入库来沙系数大的年份出库也大，如1988年、1992年等。1987年后由于水库死库容基本淤满，拦沙作用已经减弱，同时为了保证发电也需要进行适当的排沙，出库含沙量增加，特别是汛期平均为1.36kg/m3，较单库运行期的0.65kg/m3显著增加。

4出库水沙关系分析

在天然情况下，小川站的年水沙量线性关系较明显(见图6);测站上游的盐锅峡水库1958年9月开始施工，1961年3月正式蓄水，在施工期、运行后至刘家峡水库运行前的1960～1968年，水库滞洪拦沙，相同水量下沙量减少，而且大水时减的少、小水减的多，但是沙量与水量仍具有明显的线性关系。1969年刘家峡水库运行后，直至1986年龙羊峡水库后，年输沙量变化与来水量关系不明显。图7小川站平均含沙量与入库平均含沙量关系(下转第42页)考虑到刘家峡水库为不完全年调节水库，出库过程与入库水沙条件有一定关系。为此，根据1952年以来的实测资料，进一步分析了汛期和非汛期平均出库含沙量与入库含沙量的关系(见图7)。结果表明，刘家峡水库运行前、运行后至龙羊峡水库运由于本次试验所选渗压计的精度为±0.1%，渗压采集仪的精度为±1%;水位计的精度为±0.25%，水位采集仪的测量精度为±0.025%;雨量计的测量精度为±1.5%，雨量采集仪的测量精度为±1.5%，所以由式(1)得测量渗压水位的理论误差为0.02m;测量库区水位的理论误差为0.005m;测量雨量的理论误差为0.03。在本次试验中，就基于网联网模式的水库大坝安全监测智能机系统的稳定性、可靠性、实时性和准确性等方面进行了性能测试，结果表明:系统各方面都满足了设计要求，且系统误码率小于10－6，灵敏度小于123dBm，网络畅通率大于95%，数据完整率大于98%。

参考文献:

［1］吕刚.我国大坝安全监控系统自动化技术的发展［J］.大坝观测与土木测试，1996，20(1):3-7.

［2］HuangTianzhu.Reliabilityofdammonitoringinstrurnent［J］.Inte-mationalsymposiumonmonitoringtechnologyofdamsafety，1992(11):131-137.

［3］LINenhui，LIZechong.NewDevelopmentofMonitoringSystem＆EquipmentforHighCFRDinChina［C］//ICOLD68thAnnualMeet-ing，2000.

［4］王平，童颙，贾化萍，等.大坝安全监测系统硬件集成研究及应用［J］.河海大学学报(自然科学版)，2007，35(1):26-29.

［5］蒋鹏.基于无线传感器网络的湿地水环境远程实时监测系统关键技术研究［J］.传感技术学报，2007，1(1):187-190.

［6］李纪榕，李福进，吴艳微，等.基于无线传感网络的煤矿安全监测系统设计［J］.传感技术学报，2011，9(9):1337-1339.

［7］苏怀智，温志萍.试论大坝安全感知技术［J］.仪器仪表学报，2003，24(S2):41-43.

［8］黄河，李志强，段辉.铂热电阻在测温电路中的实际应用［J］.煤炭技术，2009，28(4):52-54.

［9］宋子龙，魏永强，陈金干，等.集线式水库大坝安全监测系统设计［J］.传感技术学报，2012，25(1):145-150.

作者：侯素珍 侯珂 王平 楚卫斌 单位：黄河水利科学研究院