黄河上游梯级水库联合排沙调度
张自强① 李笑宇② 贾怀森①
（①甘肃电力调度通信中心 甘肃 兰州 730050）
（②宁夏电力调度中心 宁夏 银川 750001）
摘要：黄河上游梯级水库泥沙淤积严重，须采取必要的排沙调度措施，以维持水库的正常运行。但近年连续枯水，排沙水量有限，盐锅峡-青铜峡等梯级水库淤积加剧。而且梯级水电站运行对西北电网影响大，电站所有关系的变化，也增加了水库排沙调度的复杂性。文中阐述了盐锅峡-青铜峡等梯级水库联合排沙的调度研究方案，并具体介绍了2004年大峡、青铜峡水库排沙调度运用的情况。
关键词：黄河 水库 排沙 调度
一、问题的提出
黄河上游龙羊峡-青铜峡河段已建成了龙羊峡、李家峡、公伯峡、刘家峡、盐锅峡、八盘峡、小峡、大峡、沙坡头、青铜峡等梯级水电站，装机容量超过6000MW，约占西北电网总装机容量的20%。其中龙羊峡、刘家峡水库具有较好的水量调节能力，在流域水量调度中具有十分重要地位；盐锅峡及以下水库虽仅具有日调节能力，但在电网中要发挥调峰左右，以及在特定时期也要起到调节日内流量过程平稳的作用。由于黄河特殊的水沙特性，使刘家峡及下游梯级水库呈不断淤积状态，不但威胁水电站的安全运行，也影响了水量调节功能的正常发挥。尤其是二十世纪90年代以来，黄河干流来水持续偏枯、汛期无汛，持续较大流量沿程冲刷的机会几乎没有，调度安排的排沙水量也被迫减少，刘家峡及以下水库淤积严重。目前，刘家峡及以下水库正常高水位下总淤积库容已达25亿m3，占原始库容的 37%。盐锅峡、八盘峡、大峡、青铜峡等水库的库容淤积比例都在50％以上（见表1）。因此，通过采取有效的排沙调度措施，来实现水库排沙减淤、保持调节库容，已经迫在眉睫。而且，为避免上游水库排出泥沙淤积下游水库，必须采取梯级水库联合排沙的方式进行。
表1.黄河上游梯级水库淤积情况（单位：亿m3）
项目 刘家峡 盐锅峡 八盘峡 大峡 青铜峡
原始 57 2.53 0.49 0.8805 6.06
现状 40.68 0.307 0.2196 0.4413 0.3113
总淤积 16.32 2.223 0.2704 0.4392 5.7487 总淤积比例 29% 88% 55% 50% 95%
1990年库容 43.83 0.4962 0.3092 ?0.4204
1990年后淤积 3.15 0.1892 0.0896 ?0.1091 淤积比例 7% 38% 29% 26% 注：大峡水库于1996年年底建成发电。
二、梯级水库联合排沙调度方案
1.排沙运行水位的确定
根据泥沙的运动规律及水流挟沙能力的特点，由张瑞瑾泥沙起动公式及沙玉清的泥沙扬动公式分析可得，对于同样级配的泥沙及保持流量一定的河段中，水深（水位）越是降低，水面比降增大，断面流速加快，泥沙的紊动扩散运动越剧烈，而泥沙起动及扬动所需流速却减小，也就是水流克服阻力推动泥沙运动消耗能量越小，泥沙越容易起动，水流挟沙能力增强。据盐锅峡1985年研究分析成果，当出库流量一定时，库水位每降低1m，水流挟沙能力可增加一倍。由此可见，排沙时各水库水位的控制应在综合考虑各种安全因素（如机组进水口高程、泄水建筑物的进水口高程、工业取水口高程、坝前淤滩的坍塌对机组进水口影响等）的前提下，尽量降低水位，以达到充分进行基流主河槽的溯源冲刷及沿程冲刷得排沙目的。经综合考虑，选定各水库排沙时宜采用的水位（表2）。
表2.梯级水库排沙时运行水位（单位：m） 水库
盐锅峡 八盘峡 大峡 青铜峡 排沙运行水位 1617.0 1574.0 1467.0 1147.0
2.排沙流量的确定
根据各水库近年测定的水库床沙质的级配情况，应用上述张瑞瑾及沙玉清公式，对库区近坝1－10断面泥沙起动要素进行计算。根据计算结果，要使近坝库区d 50以下床沙质在预定
排沙水位下以推移质形式运动所需起动流量分别为：盐锅峡967 m 3/s、八盘峡764 m 3/s、大
峡1214 m 3/s、青铜峡602 m 3/s。梯级水库联合排沙应取最大值1214 m 3/s，这就是排沙要
求的河道基本流量。如果要使运动的推移质泥沙的跳跃高度和距离加大，紊流扩散运动加剧，带动更多的泥沙起动，河道流量应该继续增大，使原来做推移质运动的泥沙不再回落到河床上，由推移运动转化为悬移运动，理论上这种效果最好。从计算结果看，要使d 50泥
沙做悬移运动，所需流量分别为：盐锅峡2564 m 3/s、八盘峡2324 m 3/s、大峡2000 m 3/s，青
铜峡1597 m 3/s。梯级水库联合排沙应考虑取最大值，即河道流量要在2564立方米/秒以上，
作为排沙的理想流量。
上述计算结果也可以从兰州河段典型年水沙特性得到间接验证。通过对兰州河段丰、
平、枯三种典型年实测水沙资料分析， 1200m 3/s 流量对于河床的形态变化起很大作用。对
于流量大于1200 m 3/s 或含沙量大于10kg/m 3的洪水过程，水流挟沙的能力很强，携带的沙
量往往占全年沙量的70％以上（见表3）。故梯级水库联合排沙流量应该大于1200 m 3/s 的
基本流量，流量越大对排沙越有利。
表3.兰州河段不同典型年水沙特性统计表 Q>1200m 3/s 或S>10kg/m 3
典型年 年平均流量 （m 3/s） 年输沙量（万t） 出现天数（d） 输沙量 （万t） 占年比例（％）
备注 1989 1221 7533 86 6347 84.0
丰水丰沙年1994 917 6741 45 5032 74.7
中水中沙年1992 788 7515 48 5374 71.5
中水丰沙年1997 646 6512 15 4744 72.9
枯水中沙年但由于黄河上游持续枯水，龙羊峡水库蓄水不足，流域综合用水任务重，排沙水量应从紧安排。同时，实施梯级水库排沙需要刘家峡水库提供流量过程，不考虑通过闸门下泄
补水，应按其机组发电过水能力（1569m 3/s）安排。考虑以上因素，梯级水库联合排沙流量
应为刘家峡水库发电出库流量1500m 3/s 左右。 3.排沙运行方式及实施过程
盐锅峡-青铜峡梯级水库联合排沙主要采用闸门调控泄流排沙，水流沿程冲刷与溯源冲刷相结合的方式，期间机组择机运行或全停。主要为以下两种方式：
泄空冲刷-加大出库流量使水库快速泄空，随着库水位的消落过程，水流流速增大，冲刷能力不断增强，将滩面的附沙及库区的部分淤沙排出库外。另外还可以促使槽壁坍塌，增大排沙效果。
基流冲刷-水库泄空后，持续利用挟沙不饱和的清水基流，溯源冲刷和沿程淘刷主槽淤沙。
具体实施中包括以下过程：
（1）准备工作：包括与有关地方防汛和电网调度部门协调，进行电力电量平衡、制定电网运行方式，制定具体实施方案及事故预案，以及有关观测准备等。
（2）降低水位：短时间泄空水库降低水位至预定排沙水位，先通过机组发电再过渡到用闸门泄水。该过程中要考虑梯级电量消化问题，要准确掌握各水库泄空的时间。考虑水库泄空时间及水流流达时间，梯级水库的泄空顺序为大峡、八盘峡、盐锅峡、青铜峡。
（3）基流河槽冲刷：水库泄空后，库区主河槽完全暴露，刘家峡水库配合流量及时到达，进行主槽的溯源冲刷和沿程淘刷，时间应持续10小时以上，具体视当时冲刷效果和电网承受能力确定。期间要定时测定出口泥沙含量，加强观测冲刷情况，同时根据机组及泄水建筑物的布置特点，使其适时投入运行，以调整主流流向，加大库区的冲沙效果，但前提不能抬高水位。当测得出口沙量明显减小，监测断面槽壁已经出现凹槽，并形成第一道沙层线后，就可以考虑适当抬高水位稳定至槽、滩分界高程以下（称为拉沙次水位），再进行第二阶段的基流冲刷。
（4）泄空拉沙：在拉沙次水位进行一段时间冲刷后，监测断面槽壁再次出现凹槽，并形成第二道沙层线，此时考虑抬高水位至正常运行水位，维持1至2小时，目的是浸泡悬空沙壁，促其坍塌。然后加大下泄，快速降低水位至预定水位，再次进行泄空排沙。为缩短泄空时间，盐锅峡、八盘峡进行泄空期间，刘家峡可适当减小出库。大峡、青铜峡可根据上游来水过程安排泄空时机。考虑各水库泄空时间及上级水库排出泥沙在下级能够穿堂过，安排泄空顺序为八盘峡、大峡、盐锅峡、青铜峡。
（5）回升水位：待以上过程结束，逐步抬高水位至正常运行水位，机组恢复正常运行，排沙结束。为避免上级水库泥沙造成下级水库二次淤积，水库回蓄水位的顺序为盐锅峡、八盘峡、大峡、青铜峡。
4.拉沙时间的选择及历时估算
黄河上游梯级水库联合排沙的时间宜选定在9月下旬进行。主要考虑一方面主汛期基本结束，区间支流来沙过程也基本结束，排沙恢复库容可以维持较长时间；另一方面内蒙古灌区秋浇灌溉还未开始，可避免排沙对灌溉的影响。同时刘家峡提供的排沙水量可以有时间补充，以准备即将开始的灌溉用水需求。但该时期，西北地区用电负荷相对较低，电网配合难度较大。
根据分析各水库蓄泄时间、基流冲刷过程等，整个梯级联合排沙历时约72h，需要刘家峡提供排沙用水量约3亿m3。
三、2004年汛末大峡、青铜峡水库联合排沙调度
青铜峡水库位于宁夏河段青铜峡峡口处，是黄河上游龙羊峡-青铜峡河段水电梯级的最后一级。电站总装机容量302MW，正常蓄水位1156.0m，设计库容6.06亿m3。其直接控制宁夏平原灌溉用水，并紧邻内蒙古灌区，特殊的地理位置决定其在灌溉、防凌任务中承担着重要的作用。
青铜峡水库处在黄河干流上游多沙河段，上游有洮河、湟水、祖历河，库区有清水河、
红柳沟等多沙支流及众多山洪沟汇入。自1967年水库蓄水运用以来，水库泥沙淤积问题突出。尤其在近两年泄水管淤堵长时间不出水、泄洪闸前泥沙堆淤高于门顶，机组冷却水进口被堵造成机组无法正常运行等现象不断发生，已严重威胁到电站的安全运行及灌溉供水。2004年4月，水库测量结果显示正常高水位1156m下库容仅为0.2188亿m3，为水库蓄水运用以来的最低水平。应青铜峡水电厂请求，2004年9月25至27日在西北电网的配合下，参照上述梯级水库联合排沙方案，实施了青铜峡水库汛末低水位冲库排沙。同时，借大峡水库参与补水之机，也安排其进行了低水位排沙。本次排沙调度过程如下： （1）提供流量过程：9月25日0时刘家峡水库开始加大出库流量，按照传播时间盐锅峡、八盘峡、小峡、大峡依次加大出库，为青铜峡水库持续提供1500m3/s人造洪水过程。
（2）水库泄空过程：25日1时30分大峡水库开始增加下泄流量至1500m3/s左右， 8时22分水库水位从1479m降至1474m。26日12时青铜峡水库开启河东泄洪闸，泄空水库，并将近坝泥沙及滩面附沙带出库外；17时水位降至预定水位1148.39m附近时，上游大流量过程开始入库。
（3）基流主槽冲刷过程：大峡水库此过程历时18h，保持入库、出库流量1500m3/s，水库水位保持在1474 m运行。青铜峡水库泄空后，维持低水位6.5h在恒定水流下进行主槽冲刷，同时开启不同闸门改变主流方向，加大冲沙效果，形成了第一道沙层线。
（4）回升水位冲沙浸泡：26日3时10分开始，大峡水库保持入库流量1500 m3/s，调整出库流量至1000 m3/s，水库水位逐步回升至1478.5m，结束排沙。26日23时30分，青铜峡水库开始回升水位至位于槽、滩分界水位以下的排沙次水位1152.80m，稳定水位进行第二次主流冲刷，形成了第二道沙层线。
（5）水库二次泄空：27日4时，青铜峡水库加开河床排沙底孔，开始第二次降水位过程，最低水位降至1143.82m。
（6）恢复水位：28日8时，水库水位回升至1154.66m，排沙过程正式结束。
排沙期间，刘家峡水库25日平均出库流量1070 m3/s，提供水量0.925亿m3；区间湟水河日平均流量270 m3/s，补充水量0.2333亿m3；盐锅峡、八盘峡、大峡水库分别降低水位1.59、0.57、6.39m，分别补水0.1397、0.0273、0.2425亿m3，使得大峡水库维持了26h 下泄流量1500 m3/s，8h下泄流量1000 m3/s，为青铜峡水库排沙提供了水量支持。排沙过程中，青铜峡水库实际最大出库流量1980m3/s，最小出库流量720m3/s，满足方案规定的要求。第一次降水位过程最大出库含沙量250kg/m3，第二次降水位过程最大出库含沙量167 kg/m3，最大单点含沙量为26日17时10号泄水管出口的370 kg/m3。全过程出库沙量约1500万t，耗用水量1.94亿m3，排沙耗水率12.93 m3/t。水库库容由排沙前的2188万m3增至3113万m3，恢复库容925万m3，占排沙前库容的42％，取得了较好效果。大峡水库排出沙量约115万t，恢复库容80万m3。
四、问题讨论
1.梯级水库排沙的必要性
黄河上中游水量调度控制主要是通过龙羊峡、刘家峡水库来实现。但由于电力系统的运行需要，刘家峡水库日内的发电流量过程变幅较大，因此需要其下游的一系列径流式水库进行反调节，以满足河段防凌、供水等要求。因此，在黄河上中游梯级水库的综合利用中，盐锅峡-青铜峡等日调节水库也有其重要的作用。对于这些梯级水库，必须通过采取有效的排沙调度措施，定期恢复调节库容，来保持水库的调蓄能力。
对于多泥沙河流水库，排沙用水是必需的生产用水。要取得理想的集中排沙效果，需要较大的流量和一定的持续时间，应将梯级水库联合排沙用水量纳入水库年度运用计划中予以安排。水库排沙调度应采取定期集中排沙与随时门前清淤相结合的方式。水电厂应随
时监测坝前、门前淤积情况，及时开门清淤，保持“门前清”，避免口门淤堵。
当前水沙条件下，解决水库泥沙淤积的办法只能靠采取各种排沙运行方式，青铜峡水库排沙只是一次泥沙的“移位搬家”，即水库排出泥沙会集中淤积在其下游的内蒙古河段。解决黄河泥沙的根本措施，还在于国家有关方面对流域的综合治理。
2.排沙调度要按社会主义市场化原则进行
黄河上游梯级水电在西北电力系统中占有重要地位，其大的运行方式变化需要整个系统的配合，而且经常还要受到电网结构的制约。在梯级水库联合排沙过程中，降水位腾库阶段，梯级水电集中、大幅度增加，而在低水位冲库阶段，梯级水电又要集中、大幅度减少。梯级水电大起大落变化，必然引起电量的输送和吸纳矛盾，需要电网及火电配合。因此，梯级水库排沙需要水、电统一协调，需要在各级电力调度机构的指挥下才可能实施。
目前，黄河上游梯级水电站归属三个不同的公司，电网公司又是以省为实体。梯级水库排沙过程中，所涉及的上、下游水电站配合和省际间电力电量交换、火电厂的配合等，必然引出各公司间的经济利益补偿问题。因此，电力调度机构必须本着“三公”原则，帮助有关公司协调处理好有关经济利益矛盾，才能保证梯级水库排沙正常进行。
参考文献：
（1）1985年甘肃电力试验研究所、盐锅峡水电厂联合研究项目《盐锅峡水库泥沙问题的初步分析》；
（2）1999年国家电力公司西北勘测设计研究院、甘肃电力调度通信局课题项目《黄河大峡水电站1999年度经济调度方案》；
（3）2002年黄河上中游水量调度委员会办公室编制《黄河上游盐锅峡－青铜峡梯级水库联合拉沙方案》
（4）河海大学自编教材《河流动力学》
（5）1996年甘肃省电力工业局《水工技术手册》
作者简介：张自强（1975—），男，工程师，甘肃电力调度通信中心，1999年起从事水电站水库调度工作。
贾怀森（1963—），男，高级工程师，甘肃电力调度通信中心，1988年起从事水电站水库调度工作。
李笑宇（1967—），女，高级工程师，宁夏电力调度中心，1989年起从事水电站水库调度工作。
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The Step Class Reservoirs Joint-Dispatching For Sediment Delivery In
The Upper Stream Of Yellow River
Zhang Zi-Qiang①Li Xiao-Yu② Jia Huai-Sen①
(①GanSu Power Dispatching And Communication Center, Ganshu Lanzhou 730050) (②NingXia Power Dispatching Center, NingXia Yinchuan 750001)
Abstract: The obligatory measures of discharging sedimentation sand must be taken to manage the normal function of reservoir because the serious problem of sedimentation to the step class reservoirs in the upper stream of yellow river. The sedimentation of sediment from Yanguoxia to Qingtongxia reservoirs turn worse than before because of continues small inflow and limited water which was used to discharge sand. The step reservoirs’s operation have great effect on the northwest electric power network, and that the relations changed of the power station of water which belong to made t he reservoirs dispatching for sediment delivery more complex. The unit for sediment delivery from Yanguoxia to Qingtongxia, was put forward in the paper, and the case which Daxia and Qingtongxia reservoirs discharged the sediment silts according to dispatch project in 2004 was listed.
Key words: the Yellow River; reservoir; discharge sand; dispatch;