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梯級水庫泥沙淤積規(guī)律及其調(diào)度技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN:9787030675880
- 條形碼:9787030675880 ; 978-7-03-067588-0
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數(shù):暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>
梯級水庫泥沙淤積規(guī)律及其調(diào)度技術(shù) 本書特色
適讀人群 :河流泥沙運動力學(xué)、樞紐泥沙、水庫調(diào)度等相關(guān)專業(yè)的科研人員及高等院校相關(guān)師生本書可供從事河流泥沙運動力學(xué)、樞紐泥沙、水庫調(diào)度等相關(guān)專業(yè)的管理、規(guī)劃、設(shè)計、科研人員及高等院校相關(guān)師生參考。
梯級水庫泥沙淤積規(guī)律及其調(diào)度技術(shù) 內(nèi)容簡介
梯級水庫的興建將顯著改變水沙組合條件,這種變化既包括短時間尺度的徑流變化、長時間尺度作用的泥沙緩慢沖淤,也包括水沙之間的相互耦合作用,必然對防洪、發(fā)電、航運等將產(chǎn)生一系列復(fù)雜的影響。本書以三峽及其上游水庫群為主要研究對象,闡明了單個水庫平衡縱比降與調(diào)度方式、水沙條件的響應(yīng)關(guān)系,揭示了梯級累積作用下水庫泥沙重分布特性,構(gòu)建了梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型,并將其應(yīng)用于溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫調(diào)度方式優(yōu)化。
梯級水庫泥沙淤積規(guī)律及其調(diào)度技術(shù) 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及意義 1
1.1.1 泥沙淤積及其危害 1
1.1.2 流域梯級水電建設(shè) 4
1.2 研究現(xiàn)狀 6
1.2.1 梯級水庫泥沙淤積規(guī)律研究 6
1.2.2 梯級樞紐群水沙聯(lián)合調(diào)度技術(shù)研究 7
1.3 本書研究內(nèi)容 10
參考文獻(xiàn) 11
第2章 水庫泥沙淤積規(guī)律與排沙比研究 17
2.1 水庫輸沙能力與排沙比 17
2.1.1 水庫輸沙能力變化特點 18
2.1.2 水庫排沙比 24
2.2 水庫平衡縱比降 36
2.2.1 水沙過程與蓄水時間 37
2.2.2 特征水位對泥沙淤積的影響 42
2.3 庫區(qū)典型河段河勢調(diào)整 47
2.3.1 水庫橫斷面變化 47
2.3.2 河勢調(diào)整和河型轉(zhuǎn)化現(xiàn)象 49
2.3.3 水沙條件變化對河勢調(diào)整和河型轉(zhuǎn)化的影響 53
參考文獻(xiàn) 61
第3章 梯級水庫泥沙淤積特點 63
3.1 梯級水庫水沙條件變化 63
3.1.1 徑流變化 63
3.1.2 輸沙量變化 66
3.1.3 粒徑變化 71
3.2 梯級水庫泥沙沖淤特點 72
3.2.1 淤積量與淤積過程 72
3.2.2 淤積形態(tài)變化 76
3.3 變動回水區(qū)典型河段演變與航道條件變化 86
3.3.1 淤積量與淤積部位 86
3.3.2 河型轉(zhuǎn)化與河勢調(diào)整 87
3.3.3 主、支汊易位與航道條件變化 89
參考文獻(xiàn) 91
第4章 梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型 93
4.1 梯級作用對水庫綜合運用目標(biāo)的影響 93
4.1.1 防洪效益 93
4.1.2 航運效益 96
4.1.3 發(fā)電效益 99
4.1.4 泥沙調(diào)度目標(biāo) 103
4.2 梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型建立與求解 106
4.2.1 水庫多目標(biāo)調(diào)度優(yōu)化問題 106
4.2.2 梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的建立 107
4.2.3 基于遺傳算法的梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型求解 108
參考文獻(xiàn) 110
第5章 溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫調(diào)度方式優(yōu)化 112
5.1 溪洛渡、向家壩、三峽水庫設(shè)計調(diào)度方式分析 112
5.1.1 溪洛渡水庫設(shè)計調(diào)度方式分析 113
5.1.2 向家壩水庫設(shè)計調(diào)度方式分析 117
5.1.3 三峽水庫設(shè)計調(diào)度方式分析 122
5.2 溪洛渡、向家壩梯級水庫防洪影響分析 131
5.2.1 金沙江暴雨洪水特性分析 131
5.2.2 與下游川江洪水遭遇分析 133
5.2.3 溪洛渡、向家壩防洪目標(biāo)及其對蓄水時間的制約 134
5.2.4 上游其他水庫興建對防洪的影響 140
5.3 泥沙淤積對蓄水時間的制約 145
5.3.1 模型驗證 145
5.3.2 蓄水時間變化對泥沙淤積的影響 148
5.4 梯級調(diào)度方式組合對水庫發(fā)電效益的影響 151
5.4.1 溪洛渡水庫 152
5.4.2 向家壩水庫 152
5.4.3 三峽水庫 153
5.5 梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度 155
5.5.1 模型目標(biāo)及約束條件 155
5.5.2 模型求解 156
參考文獻(xiàn) 160
第6章 結(jié)語 161
6.1 結(jié)論 161
6.1.1 水庫泥沙淤積規(guī)律與排沙比研究 161
6.1.2 梯級水庫泥沙淤積特點 162
6.1.3 梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型 163
6.1.4 溪洛渡、向家壩、三峽梯級水庫調(diào)度方式優(yōu)化 164
6.2 展望 165
梯級水庫泥沙淤積規(guī)律及其調(diào)度技術(shù) 節(jié)選
第1章 緒 論 1.1 研究背景及意義 1.1.1 泥沙淤積及其危害 水庫的修建會打破河流本身已有的沖淤平衡,水庫建成開始蓄水后,使得河流渠道化,在庫區(qū)內(nèi)形成相對靜止的環(huán)境,從根本上改變了天然河流的水動力條件,水深流緩,從而必然引起庫區(qū)內(nèi)泥沙的落淤[1]。至20世紀(jì)末,全球范圍內(nèi)每年泥沙淤積所引起的水庫庫容損失率就接近1%,相當(dāng)于每年損失500億m3的庫容[2]。其中,美國自20世紀(jì)20年代以來修建的綜合利用水庫總庫容已達(dá)5000億m3,每年淤積損失庫容達(dá)12億m3,年平均庫容損失率約為0.22%,而1935年以前興建的水庫中,完全淤廢的達(dá)10%,損失庫容1/2~3/4的占14%,損失庫容1/4~1/2的占33%;在日本,河流一般較短,坡降較大,雖然含沙量不大,但因為庫容一般較小,所以淤積速率仍然較快[3],1912~1972年庫容大于106m3、壩高在15m以上的265處水庫,平均庫容損失率已達(dá)20.63%,其中有5座水庫已淤滿[4]。在氣候干旱、暴雨強(qiáng)度大、水土流失較為嚴(yán)重的國家和地區(qū),水庫淤積尤其嚴(yán)重。據(jù)對蘇聯(lián)中亞地區(qū)41座灌溉及發(fā)電水庫的統(tǒng)計[4],壩高在6m以下的灌溉水庫,淤滿年限為1~3年,壩高7~30m的發(fā)電、灌溉水庫,淤滿年限則為3~13年;據(jù)1960年的統(tǒng)計,阿爾及利亞[4]大型水庫庫容損失率約為1.2%,中型水庫(庫容0.1×108~0.5×108m3)庫容損失率則為1.8%;據(jù)1969年的統(tǒng)計[4],印度大于10×108m3的水庫共21座,總蓄水量為1260×108m3,平均庫容損失率為0.5%~1.0%,有的可達(dá)2.0%。其他國家或多或少都存在泥沙淤積的問題[5],津巴布韋年平均庫容損失率超過0.5%;摩洛哥約為0.7%,土耳其年平均庫容損失率則達(dá)到了1.2%。 我國許多河流都富含泥沙[6],從而造成我國水庫泥沙淤積問題嚴(yán)重。截至1981年底,在全國236座有實測資料的水庫中,總淤積量已達(dá)115億m3,占統(tǒng)計水庫總庫容的14.2%,年均淤積量約8億m3,年平均庫容損失率達(dá)到了2.3%,高于世界其他各國[7]。尤其是中華人民共和國成立初期興建的一些水庫,由于當(dāng)時對淤積問題認(rèn)識不足和缺乏可供參考的經(jīng)驗,水庫建成后泥沙淤積數(shù)量大、速度快,由泥沙淤積帶來的問題非常嚴(yán)重。這一時期我國興建的部分水庫淤積情況如表1.1所示[8]。據(jù)陜西省1973年的統(tǒng)計[9],1970年以前建成的120座水庫損失庫容已達(dá)53.3%,其中43座水庫完全淤廢,在比較嚴(yán)重的延安和榆林地區(qū),損失庫容分別占其總庫容的88.6%和74.6%[10]。另據(jù)山西省對全省43座大、中型水庫的統(tǒng)計,43座水庫總庫容為22.3億m3,至1974年庫容已損失31.5%,平均每年損失0.5億m3;其中山西桑干河上的冊田水庫,1960~1983年總淤積量占總庫容的102.5%;青銅峽水庫1967年4月蓄水,至1996年12月總庫容損失率近95.8%[11];鹽鍋峽水庫1961年蓄水,至1998年總庫容損失率達(dá)85.2%,興利水庫庫容損失率為50.8%[12]。 表1.1 我國部分水庫淤積情況[8] 從我國各主要流域的水庫淤積情況來看[13],黃河流域截至1989年全流域共有小(Ⅰ)型以上水庫601座,總庫容為522.5億m3,已淤損庫容達(dá)109.0億m3,占總庫容的21%;其中黃河干流水庫淤積79.9億m3,占干流總庫容的19%;支流水庫淤積29.1億m3,占支流總庫容的28.5%。在長江流域,上游地區(qū)共興建水庫11931座,總庫容約205億m3,水庫年淤積量為1.4億m3,年平均庫容損失率約為0.68%;其中大型水庫13座,總庫容97.5億m3,年平均庫容損失率為0.65%。甚至在含沙量較低的珠江流域興建的水庫也存在不同程度的淤積問題,有時也可能成為工程設(shè)計成敗的關(guān)鍵[14]。水庫泥沙淤積的嚴(yán)重性由此可見一斑。 水庫泥沙的大量淤積,可能導(dǎo)致在仍有大量可淤庫容的情況下嚴(yán)重影響水庫綜合效益的發(fā)揮,縮短水庫使用壽命。 首先,對于有防洪任務(wù)的水庫,泥沙淤積使得水庫防洪庫容減少,導(dǎo)致水庫調(diào)洪能力降低,從而降低對下游防洪對象的防護(hù)能力,如山西鎮(zhèn)子梁水庫[15]到1973年汛期,已損失庫容80.6%,使水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)從100年一遇的洪水降低到20年一遇的洪水;寧夏青銅峽水庫[16]運用僅5年,就損失庫容86.8%,水庫調(diào)蓄能力大為降低。并且泥沙淤積和回水上延[17]可能會造成城市、工廠、農(nóng)田以及交通干線、旅游景點、歷史文物等淹沒,給水庫上游帶來防洪風(fēng)險,如內(nèi)蒙古三盛公水庫[18]由于泥沙淤積,水庫回水范圍自1962年的距壩30km上延到1971年的43km以上;山西鎮(zhèn)子梁水庫[15]淤積上延問題引起的淹沒、浸沒損失賠償總額達(dá)水庫建設(shè)投資的1.8倍。 其次,對于像在長江這種有通航任務(wù)的河流上修建的水庫,其航運效益也受到泥沙沖淤變化的影響[19]。一方面,變動回水區(qū)的沖淤將對航道產(chǎn)生影響:枯水期消落沖刷時,庫水位下降的速度大于河底淤積物沖刷速度,且河面較開闊,難以發(fā)展成單一的主槽或主支槽移位以及流量小等,往往使該處在一定時期內(nèi)航深不夠;當(dāng)庫水位在*低水位停留較長時間時,在回水末端及相鄰下段的庫面開闊段有可能產(chǎn)生主槽擺動不定、深槽不連通而使通航困難;變動回水區(qū)中、下段,在橫剖面淤積較大河勢發(fā)生改變的河段,主槽移位,原通航主槽被淤或不能通航,而新主槽中可能由于基巖、礁石過多,船只航行困難;在變動回水區(qū)中、下段,由于河道淤窄,出現(xiàn)大量淤積邊灘,若這些邊灘恰好位于港口、碼頭,則有可能影響船舶?亢妥鳂I(yè),使船只無法進(jìn)港。另一方面,水庫攔沙、清水下泄,引起壩下游河床沖刷[20,21]及變形,同流量情況下壩下航道水位也會隨之下降,航道水深不足輕則使過往船只減載,重則引起斷航,對航運會帶來一系列不利影響[22]。 以上問題均是由于在運行中忽視了對泥沙的調(diào)度,僅注重對徑流過程的調(diào)節(jié),從而造成水庫防洪、航運效益損失巨大,水庫綜合效益的發(fā)揮大受限制,其中的某些效益甚至喪失殆盡。水庫淤積不僅直接影響水庫效益的發(fā)揮,還可能產(chǎn)生一系列危害[19]。例如,壩前建筑物的泥沙問題,如船閘和引航道淤積、水輪機(jī)進(jìn)口及渠道引水口進(jìn)沙等,鹽鍋峽水庫[23]在劉家峽水庫投入運行以前,曾出現(xiàn)攔污柵堵塞,形成停機(jī)和降低出力從而造成損失;陜西省乾陵水庫在1970年8月的一場洪水中,沒有及時開閘泄流排沙,致使進(jìn)水壓力洞被堵死[24];碧口水庫1995年也曾發(fā)生排沙洞被淤堵的事件[25];蘇丹的Khasm水庫由于泥沙淤積,位于庫區(qū)的某取水口被堵死[5]。又如,對調(diào)節(jié)系數(shù)較大的水庫,淤積在一定程度上可能會加劇水庫水質(zhì)污染,水中懸移質(zhì)泥沙增多,改變了水中溶解氧含量,這種變化可能會對生物的正常生長不利[26]。此外還有淤積上延增加上游地區(qū)淹沒范圍,引起土地鹽堿化的問題,永定河官廳水庫淤積末端向上延伸近10km,造成當(dāng)?shù)氐叵滤惶Ц?~4m,使兩岸鹽堿地面積擴(kuò)大14倍[27],官廳水庫的淤積造成了水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)降低、供水缺乏保證、庫周淹沒損失逐年擴(kuò)大等一系列問題[28]。另外,黃河上修建水庫甚至加劇了河道斷流[29]。 由此可見,在水庫規(guī)模、來水來沙一定的條件下,水庫效益的發(fā)揮不僅僅由水庫水量的蓄、泄方式?jīng)Q定,還與水庫中泥沙淤積的發(fā)展過程、數(shù)量及其分布有關(guān):泥沙淤積在防洪庫容內(nèi),減少水庫防洪庫容,降低水庫調(diào)洪能力;變動回水區(qū)礙航河段的淤積發(fā)展趨勢及其與壩前水位的相互關(guān)系決定著河段是否礙航及礙航出現(xiàn)的時間;壩下游河段河床沖刷引起水位降低,其與下泄流量年內(nèi)過程的變化共同決定了壩下游河段的航運效益。 綜上所述,水庫泥沙淤積問題往往決定了工程興建的成敗,水庫調(diào)度方式的制定除應(yīng)通過一定的排沙方式實現(xiàn)水庫防洪庫容的長期保留外,對于有航運目標(biāo)的水庫,由于僅靠反映蓄、泄關(guān)系的徑流調(diào)度無法準(zhǔn)確衡量水庫航運效益,更應(yīng)在水庫設(shè)計之初就對壩上、下游典型河段航道條件隨河道沖淤演變的變化進(jìn)行研究,即需要進(jìn)行水沙聯(lián)調(diào)。因此研究水庫泥沙淤積規(guī)律不但是解決水庫泥沙淤積問題、實現(xiàn)水庫長期利用的要求,也是探討能否在滿足泥沙淤積要求的基礎(chǔ)上優(yōu)化水庫調(diào)度方式以及如何實現(xiàn)水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的前提。 1.1.2 流域梯級水電建設(shè) 我國經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展,但與此同時也面臨著有限的化石燃料資源與更高的環(huán)境保護(hù)要求的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[30]。堅持節(jié)能優(yōu)先,提高能源效率;優(yōu)化能源結(jié)構(gòu),以煤為主多元化發(fā)展;加強(qiáng)環(huán)境保護(hù),開展煤清潔利用;采取綜合措施,保障能源安全;依靠科技進(jìn)步,開發(fā)利用新能源和可再生能源等,是我國的長期能源發(fā)展戰(zhàn)略,也是我國建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)的*主要政策措施[31]。水電能源作為一種可再生的資源,具有清潔廉價、便于調(diào)峰、能修復(fù)生態(tài)環(huán)境、兼有一次與二次能源雙重功能等特點,能夠極大地促進(jìn)地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展,并且具有防洪、航運、旅游等綜合效益,因而受到世界各國政府的青睞。世界各國都把水電放到了優(yōu)先發(fā)展的地位,許多發(fā)達(dá)國家的水電資源都已基本開發(fā)完畢[32-37]。 我國是一個水電大國,水能資源非常豐富。例如,根據(jù)1980年的水能資源普查結(jié)果[38,39],我國江河水能的理論蘊藏量為6.76×108kW,其中技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量達(dá)4.93×108kW,經(jīng)濟(jì)可開發(fā)容量為3.78×108kW,年發(fā)電量達(dá)24740×108kWh,因而無論是水能資源蘊藏量,還是可能開發(fā)的水能資源,都居世界**位。但是與發(fā)達(dá)國家相比,我國的水力資源開發(fā)利用程度并不高,目前開發(fā)利用率僅在24%左右,大大低于發(fā)達(dá)國家50%~70%的開發(fā)利用水平。2003年我國發(fā)電裝機(jī)容量為3.91×108kW,發(fā)電量為19052×108kWh,其中水電裝機(jī)容量僅占24.24%,發(fā)電量占14.77%,而火電裝機(jī)容量占24.03%,發(fā)電量占82.88%,我國能源結(jié)構(gòu)仍以火電為主[31,32,39-42]。因此,我國水力資源開發(fā)潛力巨大,在我國的電力發(fā)展政策中,水電開發(fā)也被排在了首位[31]。 從1991年起,我國開始執(zhí)行十二大水電能源基地建設(shè)計劃,總裝機(jī)容量為2.1億kW,占水電可開發(fā)裝機(jī)容量的55.6%;年發(fā)電量達(dá)1萬億kWh,占可發(fā)電量的52.1%。十二大水電能源基地建設(shè)完成后,將會從根本上改變我國的水電能源開發(fā)利用狀況[43-46]。水庫將不再是單一的個體,而是已形成梯級滾動開發(fā)的態(tài)勢。大型水庫群的建設(shè)必將對流域社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生復(fù)雜深遠(yuǎn)的影響。與單個水庫相比,梯級水庫開發(fā)主要存在以下特點[30,47,48]。 1. 影響的群體性[WA1] 由于流域洪水時空分布的不均勻性,以及各梯級水庫在容積與淹沒損失等方面的差異,進(jìn)行梯級水庫的統(tǒng)一調(diào)度與綜合開發(fā),有利于發(fā)揮梯級水庫群體的優(yōu)勢。梯級水庫的累積影響,是大于單個工程的影響之和,還是小于單個工程的影響之和,應(yīng)視具體情況研究而定。這就是梯級水庫對環(huán)境影響的群體效應(yīng)。 2. 影響的系統(tǒng)性 梯級開發(fā)為流域建立了一個工程群-社會-經(jīng)濟(jì)-自然的人類復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),這個系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互制約、相互影響,組成了一個具有整體功能和綜合效益的集群。在這個集群中,人和工程對環(huán)境的作用大大加強(qiáng)了,它對環(huán)境的影響性質(zhì)、影響因素、影響后果都是系統(tǒng)的。在這個人類復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)里,若水庫群規(guī)劃得當(dāng),施工組織科學(xué),環(huán)保措施得力,就能與自然相協(xié)調(diào)、相融合;反之,這個系統(tǒng)將是不穩(wěn)定的,甚至工程群對這個系統(tǒng)不是帶來利益,而是將造成災(zāi)難。 3. 影響的累積性 梯級水庫中某一級水庫的效益及對社會、環(huán)境的影響,不僅受該級水庫自身運行的影響,還受到梯級中其他水庫的影響,這些影響具有疊加、累積的性質(zhì)。顯然,水庫越大或梯級越多,蓄水?dāng)r沙的累積作用越大;而在梯級水庫內(nèi)部,處于下游的水庫也會受到上游水庫的累積性影響,越是處于下游的水庫,其徑流過程、徑流量與輸沙量受到的累積性影響就越大。 4. 影
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