CN109914333A - 一种水库的综合调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水库综合调度方法，属于水利工程领域，其IPC分类号为E02B 1/00。本发明的水库综合调度方法，在大坝上游修建隔水坝将库区分隔成拦水区、清水区和兴利区，三者通过闸门连通；根据泥沙垂直分布的测量结果，自动控制闸门开启高度，将拦水区上层清水引入清水区长期存蓄，在拦水区泄水冲刷时可保证清水区仍储有一定量的备用水资源；兴利区可以方便、灵活地调用清水区或拦水区的清水进行发电，防止拦水区粗沙过机对水轮机的磨蚀。本发明的综合调度方法，解决了多沙河流水库泥沙对水轮机的磨蚀问题，同时也解决了蓄水兴利与泄洪排沙二者之间的矛盾。

Description

一种水库的综合调度方法

技术领域

本发明涉及一种水库的综合调度方法，属于水利工程领域，其IPC分类号为E02B1/00。

背景技术

中国大部分河流泥沙含量大，水轮机泥沙磨损问题十分突出。由于含沙水流对水轮机的冲刷和磨蚀，导致过流部件表面破坏严重，水轮机检修和使用周期缩短，电站经济效益大大下降。近年的研究证明，材料的磨蚀量随含沙量和泥沙粒径的增大而增大，当泥沙中值粒径d₅₀大于250μm时，对水轮机的磨蚀作用会显著加大。因此，在电站运行过程中，应当尽可能减少粗沙过机，延长水轮机使用寿命。根据水流的悬移质分别规律，泥沙粒径在水中的分布随水深增加而加大，因此，应尽可能引用较上层的水发电兴利。

高含沙水库还存在泥沙淤积问题，由于严重泥沙淤积导致兴利库容减小，蓄水兴利能力减弱，造成上游雨洪资源无法有效利用。采用机械清淤技术手段将已经淤积在库内的泥沙全部排出，不但费用高，而且历时长。目前，多沙河流水库主要通过汛期低水位运行或空库迎汛的方式利用汛期洪水排沙减淤。汛期降低水位运行，虽然有利于水库排沙，但是却影响了库区后汛期蓄水，进而影响水库功能的发挥，从而诱发了水库泄洪排沙与库区蓄水、兴利二者之间的矛盾。

在靠近电站引水口处往往淤积大量粗颗粒泥沙，发电引水时，这部分淤积泥沙进入水电站，对水轮机磨蚀严重，因此，在水库来水含沙量较大时，或泄水期间，往往不能开机发电，导致大量水资源被浪费。

因此，如何在保证工程安全的前提下，减缓水库淤积，提高水资源利用效率，增加发电量，以达到防洪、兴利的目的，就成为水库调度需要解决的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足，提供了一种水库综合调度方法，在有效减少库区泥沙淤积的同时，显著增加多沙河流水库的有效库容，提高水库后汛期蓄水，且在一年内任何时候、任何含沙量条件下，都可以开机发电，有助于水库蓄水、兴利功能的发挥。本发明的技术解决方案是：

一种水库的综合调度方法，包括：在大坝上游修建隔水坝，所述大坝上设有电站引水口和泄洪排沙孔；所述大坝与所述隔水坝将水库库区分隔成三部分：由所述大坝与所述隔水坝围成的不包含所述电站引水口和泄洪排沙孔在内的封闭式库区为清水区；由所述大坝与所述隔水坝围成的包含所述电站引水口在内的封闭式库区为兴利区；其余水库库区为拦水区，所述大坝的泄洪排沙孔位于所述拦水区内；

在所述电站引水口前缘设有拦沙坎，所述拦沙坎前设有输沙廊道，所述输沙廊道与所述泄洪排沙孔连通，在所述输沙廊道顶部设有排沙口；

在所述兴利区周围的三条隔水坝上各设置一道闸门，分别为闸门A、闸门B和闸门C；在所述清水区与所述拦水区之间的隔水坝上设置三道闸门，分别为闸门D、闸门E和闸门F；所述闸门A、闸门B、闸门C、闸门D、闸门E和闸门F为垂直升降闸门；

设置自动控制系统，所述自动控制系统包括闸门启闭控制系统和悬移质垂直分布测量系统，所述悬移质垂直分布测量系统包括水深自动测量装置、含沙量自动测量装置和泥沙粒径测量装置；所述悬移质垂直分布测量系统设置在所述隔水坝朝向所述拦水区的一面上，并靠近所述闸门B、闸门C、闸门D、闸门E和闸门F，用于测量不同水深的含沙量和泥沙粒径；

当所述拦水区的水位高于清水区水位时，所述悬移质垂直分布测量系统测量拦水区内不同水位的含沙量和泥沙粒径，确定引水水位；闸门启闭控制系统将所述闸门A提升至最高，将所述闸门D、闸门E和闸门F降至引水水位，拦水区内引水水位以上的水进入所述清水区；

汛前需要降低水库水位时，将所述闸门A、闸门D、闸门E和闸门F提升至最高；通过所述悬移质垂直分布测量系统确定引水水位，闸门启闭控制系统将所述闸门B和闸门C的高度降至引水水位，使拦水区内引水水位以上的水进入兴利区，并通过电站引水口排出，在降低水位的同时兴利发电；

汛期发生洪水需要泄洪排沙时，所述悬移质垂直分布测量系统测量拦水区内不同水位的含沙量和泥沙粒径，并按照以下两种情况进行调度：

①当拦水区内的全部来水都不满足过机要求时，闸门启闭控制系统将所述闸门B、闸门C、闸门D、闸门E和闸门F提升至最高，所述清水区和兴利区与所述拦水区隔绝；同时，打开所述泄洪排沙孔闸门，通过所述泄洪排沙孔进行泄洪排沙，减少所述拦水区的泥沙淤积，使淤损库容得到恢复；

②当测量确定拦水区内上层水的含沙量和泥沙粒径满足水轮机过机要求时，根据测得的引水水位，闸门启闭控制系统将所述闸门B、闸门C、闸门D、闸门E和闸门F的高度降至引水水位，同时将所述闸门A降低最低，拦水区内的上层清水通过清水区和兴利区，进入所述电站引水口，排泄洪水的同时发电；同时，打开所述泄洪排沙孔闸门，通过所述泄洪排沙孔进行泄洪排沙，减少所述拦水区的泥沙淤积，使淤损库容得到恢复；

当上游预报发生大洪水时，将所述闸门A、闸门B、闸门C、闸门D、闸门E和闸门F的高度降至最低，打开所述泄洪排沙孔闸门，所述清水区、所述兴利区和所述拦水区连通，一起参与防洪。

当水库承担发电或/和下游灌溉用水任务时，若所述拦水区的水位高程和泥沙含量、泥沙粒径均满足过机要求，将所述兴利区与所述清水区隔绝，将所述兴利区与所述拦水区连通，所述电站引水口从所述拦水区引水；若所述拦水区的水位高程低，或者，泥沙含量或/和泥沙粒径不满足过机要求，则将所述闸门B和闸门C提升至最高，使所述兴利区(18)与所述拦水区隔绝；将所述闸门A的高度降低至根据用水任务计算而得的水位，所述清水区蓄存的清水通过所述闸门A进入所述电站引水口，完成发电或/和调水任务。

本发明的水库综合调度方法，具有以下几项发明点：

(1)修建隔水坝使传统单一库区被分隔成清水区、拦水区和兴利区，三者通过闸门进行连通；清水区长期存蓄清水，拦水区降水冲刷时可保证清水区仍储有一定量的备用水资源，即减少了单一库区整体水位降低造成大量水资源的浪费，又对降水后上游来水减少提供了备用水源。兴利区可以方便、灵活地调用清水区或拦水区的清水进行发电，一劳永逸地防止拦水区含粗沙水流对电站的损害，解决了水库蓄水兴利与泄洪排沙二者之间的矛盾，且不影响水库汛期整体防洪运用。

(2)汛期泄洪时，上层清水通过电站引水口排出，泄洪的同时兴利发电；下层浑水通过泄洪排沙孔排出，泥沙淤积体通过泄洪排沙孔排出库区，通过分层泄洪，既提高了泄洪效率，增加了发电量，又防止了粗沙过机，一举三得。

(3)汛期过后，传统单一库区整体水位较低，将影响发电、灌溉等功能的充分发挥；本发明通过调整兴利区的闸门高度，电站可从清水区直接引用存蓄的清水发电，并向下游供水灌溉，同时防止粗沙过机。通过兴利区的巧妙设计，在拦水区水位高、含沙量低、水体满足过机要求时，电站优先从拦水区引水发电。

(4)利用悬移质垂直分布测量系统和闸门启闭控制系统，可以高效确定引水水位，自动控制清水区、拦水区和兴利区的联系，操控效率高。

附图说明

图1是本发明的整体平面布置图。

其中，1为大坝，2为电站引水口，3为泄洪排沙孔，4为泄洪排沙孔闸门，5为隔水坝，6为拦沙坎，7为输沙廊道，8为排沙口，9为水流方向，10为清水区，11为闸门A，12为闸门B，13为闸门C，14为闸门D，15为闸门E，16为闸门F，17为拦水区，18为兴利区。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

一种水库的综合调度方法，首先，在大坝1上游修建隔水坝5，所述大坝1上设有电站引水口2和泄洪排沙孔3，在所述泄洪排沙孔3上设有泄洪排沙孔闸门4。所述大坝1与所述隔水坝5将水库库区分隔成三部分：由所述大坝1与所述隔水坝5围成的不包含所述电站引水口2和泄洪排沙孔3在内的封闭式库区为清水区10；由所述大坝1与所述隔水坝5围成的包含所述电站引水口2在内的封闭式库区为兴利区18；其余水库库区为拦水区17，所述大坝1的泄洪排沙孔3位于所述拦水区17内。

所述隔水坝5的坝顶高程与水库正常蓄水位相同。所述隔水坝5上设有多处闸门，所述闸门优选垂直升降闸门；所述清水区10、拦水区17和兴利区18通过所述闸门连通。本实施方式中，在所述兴利区18周围的三条隔水坝5上各设有一道闸门，分别为闸门A 11、闸门B12和闸门C 13；在所述清水区10与所述拦水区17之间的隔水坝5上设有三道闸门，分别为闸门D 14、闸门E 15和闸门F 16。所述闸门A～F的顶部高程与隔水坝5的坝顶高程相同，所述闸门A～F的底部高程与水库死水位相同，也就是说，所述闸门A～F控制的最低水位等于水库死水位，控制的最高水位等于水库正常蓄水位。

设置自动控制系统，所述自动控制系统包括闸门启闭控制系统和悬移质垂直分布测量系统，所述悬移质垂直分布测量系统包括水深自动测量装置、含沙量自动测量装置和泥沙粒径测量装置。所述悬移质垂直分布测量系统设置在所述隔水坝5朝向所述拦水区17的一面上，并靠近所述闸门B～F，用于测量闸门B～F前不同水深的泥沙含沙量和泥沙粒径。所述水深自动测量装置、含沙量自动测量装置和泥沙粒径测量装置可以根据实际需要选用现有的各种测量设备。

所述悬移质垂直分布测量系统也可以由水深自动测量装置和自动取样装置组成，自动取样后人工测量含沙量和泥沙粒径。

所述清水区10的位置及规模，闸门的数量、闸门宽度，根据所述大坝1的特征水位、上游水沙条件、装机容量及库区地质条件等情况，本领域专业技术人员根据实际需求和设计规范可以计算得到，属于现有技术，本发明不再赘述。

在所述电站引水口2前缘设有拦沙坎6，所述拦沙坎6前设有输沙廊道7，所述输沙廊道7与所述泄洪排沙孔3连通，在所述输沙廊道7顶部设有排沙口8。

所述电站引水口2通过所述兴利区18可选择从所述清水区10或所述拦水区17引水发电。提升所述闸门A 11，所述清水区10与所述兴利区18隔绝；此时，降低所述闸门B 12和所述闸门C 13，所述电站引水口2可直接从所述拦水区17引水发电。

降低所述闸门A 11，并提升所述闸门B 12和所述闸门C 13，所述清水区10与所述兴利区18连通，所述电站引水口2从所述清水区10引水发电。所述大坝1的泄洪排沙孔3不包含在所述清水区10和所述兴利区18内，全部位于所述拦水区17内。

本发明的闸门A、闸门B、闸门C、闸门D、闸门E和闸门F都是同一类型的闸门，其中的编号A～F仅仅表示其位置的不同。

闸门的设置数量和规格大小，并不限于本发明具体实施方式中所列的情形，由本领域技术人员可以根据实际来水量、蓄水量等具体调节要求，利用现有技术确定。

水轮机允许过机的含沙量和泥沙粒径，并没有一个统一的定值，与水库的主要建设目的和实际需要有关，例如，若水库的主要建设目的是防洪或蓄水灌溉，发电是次要目的，则允许过机的水流的含沙量较低，泥沙粒径较小；若水库建设的主要目的是兴利发电，或者用电高峰时，为了保证发电量，允许过机的含沙量较高、泥沙粒径较大。因此，具体是数值每个水库不完全一致，同一个水库不同的时期也不一致，由水库调度人员根据水库的调度规划确定。

本发明的水库综合调度方法的具体运行方式为：当所述拦水区17的水位高于清水区10水位时，所述悬移质垂直分布测量系统测量拦水区17内不同水位的含沙量和泥沙粒径，确定含沙量和泥沙粒径满足水轮机过机许可的相应水位，将该水位确定为引水水位；闸门启闭控制系统将所述闸门A 11提升至最高，然后，将所述闸门D 14、闸门E 15和闸门F 16的高度降至引水水位，拦水区17内引水水位以上的水通过所述闸门D 14、闸门E 15和闸门F16进入所述清水区10。根据悬移质泥沙沿水深分布规律可知，进入所述清水区10的来水为含沙率较低和粒径较小的清水。当所述清水区10的水位逐渐升高至正常蓄水位时，闸门启闭控制系统将所述闸门D 14、闸门E 15和闸门F 16的高度升高至正常蓄水位，以保证在上游来水减少时，所述清水区10存蓄的清水水位依然保持在正常蓄水位。

汛前降低水库水位时(用于留出防洪库容)，所述清水区10中所述闸门A 11、闸门D14、闸门E 15和闸门F 16的高度位于正常蓄水位，以保证所述清水区10存蓄的清水位于正常蓄水位。通过所述悬移质垂直分布测量系统确定引水水位，闸门启闭控制系统将所述闸门B 12和闸门C 13的高度降至引水水位，所述兴利区18与所述拦水区17连通，拦水区17内引水水位以上的水进入兴利区18，并通过电站引水口2排出，在降低水库水位的同时兴利发电。

汛期发生洪水泄洪时，所述悬移质垂直分布测量系统测量拦水区17内不同水位的含沙量和泥沙粒径，并按照以下两种情况进行调度：

①当拦水区17内的全部来水都不满足过机要求时，将所述闸门B 12、闸门C 13、闸门D 14、闸门E 15和闸门F 16提升至最高，所述清水区10和兴利区18与所述拦水区17隔绝，以防止所述拦水区17内浑水进入所述清水区10和兴利区18，防止大量泥沙过机，所述电站引水口2不再从所述拦水区17引水。打开所述泄洪排沙孔闸门4，通过所述泄洪排沙孔3进行泄水排沙，以减少所述拦水区17的泥沙淤积，淤损库容得到恢复。

②当测量确定拦水区17内上层水的含沙量和泥沙粒径满足水轮机过机许可时，根据测得的引水水位，闸门启闭控制系统将所述闸门B 12、闸门C 13、闸门D 14、闸门E 15和闸门F 16的高度降至引水水位，同时将所述闸门A 11降低最低，拦水区17内的上层清水通过清水区10和兴利区18，进入所述电站引水口2，发电的同时排泄洪水。打开所述泄洪排沙孔闸门4，拦水区17内的下层浑水通过所述泄洪排沙孔3进行泄水排沙。这样，既可以加快排洪进度，又可以充分利用洪水发电。

当上游预报发生大洪水时，将所述闸门A 11、闸门B 12、闸门C 13、闸门D 14、闸门E 15和闸门F 16的高度降低至最低高程，打开所述泄洪排沙孔闸门4，所述清水区10、所述兴利区18和所述拦水区17一起参与防洪调度，保证大坝安全。

当水库承担发电或/和下游灌溉等用水任务时，若所述拦水区17的水位高程和泥沙含量、泥沙粒径均满足过机要求，将所述兴利区18与所述清水区10隔绝，将所述兴利区18与所述拦水区17连通，所述电站引水口2从所述拦水区17引水；若所述拦水区17的水位高程低，或者，泥沙含量或/和泥沙粒径不满足过机要求，则将所述闸门B 12和闸门C 13提升至最高高程，使所述兴利区18与所述拦水区17隔绝；将所述闸门A 11的高度降低至根据用水任务计算而得的水位，使所述兴利区18与所述清水区10连通，所述清水区10中蓄存的清水通过所述闸门A 11进入所述电站引水口2，完成发电或/和调水任务。

本发明解决了多沙河流水库库区蓄水兴利与泄洪排沙之间的矛盾，以及库区整体清淤费用高、历时长的难题。在恢复淤损库容的同时，防止粗沙过机，显著提高了库区水资源的利用率，且原理简单、操作方便、安全可靠、经济实用，对多沙河流水库兴利减淤具有较高的实用价值。

Claims (3)

1.一种水库的综合调度方法，其特征在于，包括：在大坝(1)上游修建隔水坝(5)，所述大坝(1)上设有电站引水口(2)和泄洪排沙孔(3)；所述大坝(1)与所述隔水坝(5)将水库库区分隔成三部分：由所述大坝(1)与所述隔水坝(5)围成的不包含所述电站引水口(2)和泄洪排沙孔(3)在内的封闭式库区为清水区(10)；由所述大坝(1)与所述隔水坝(5)围成的包含所述电站引水口(2)在内的封闭式库区为兴利区(18)；其余水库库区为拦水区(17)，所述大坝(1)的泄洪排沙孔(3)位于所述拦水区(17)内；

在所述电站引水口(2)前缘设有拦沙坎(6)，所述拦沙坎(6)前设有输沙廊道(7)，所述输沙廊道(7)与所述泄洪排沙孔(3)连通，在所述输沙廊道(7)顶部设有排沙口(8)；

在所述兴利区(18)周围的三条隔水坝(5)上各设置一道闸门，分别为闸门A(11)、闸门B(12)和闸门C(13)；在所述清水区(10)与所述拦水区(17)之间的隔水坝(5)上设置三道闸门，分别为闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)；所述闸门A(11)、闸门B(12)、闸门C(13)、闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)为垂直升降闸门；

设置自动控制系统，所述自动控制系统包括闸门启闭控制系统和悬移质垂直分布测量系统，所述悬移质垂直分布测量系统包括水深自动测量装置、含沙量自动测量装置和泥沙粒径测量装置；所述悬移质垂直分布测量系统设置在所述隔水坝(5)朝向所述拦水区(17)的一面上，并靠近所述闸门B(12)、闸门C(13)、闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)，用于测量不同水深的含沙量和泥沙粒径；

当所述拦水区(17)的水位高于清水区(10)水位时，所述悬移质垂直分布测量系统测量拦水区(17)内不同水位的含沙量和泥沙粒径，确定引水水位；闸门启闭控制系统将所述闸门A(11)提升至最高，将所述闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)降至引水水位，拦水区(17)内引水水位以上的水进入所述清水区(10)；

汛前需要降低水库水位时，将所述闸门A(11)、闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)提升至最高；通过所述悬移质垂直分布测量系统确定引水水位，闸门启闭控制系统将所述闸门B(12)和闸门C(13)的高度降至引水水位，使拦水区(17)内引水水位以上的水进入兴利区(18)，并通过电站引水口(2)排出，在降低水位的同时兴利发电；

汛期发生洪水需要泄洪排沙时，所述悬移质垂直分布测量系统测量拦水区(17)内不同水位的含沙量和泥沙粒径，并按照以下两种情况进行调度：

①当拦水区(17)内的全部来水都不满足过机要求时，闸门启闭控制系统将所述闸门B(12)、闸门C(13)、闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)提升至最高，所述清水区(10)和兴利区(18)与所述拦水区(17)隔绝；同时，打开所述泄洪排沙孔闸门(4)，通过所述泄洪排沙孔(3)进行泄洪排沙，减少所述拦水区(17)的泥沙淤积，使淤损库容得到恢复；

②当测量确定拦水区(17)内上层水的含沙量和泥沙粒径满足水轮机过机要求时，根据测得的引水水位，闸门启闭控制系统将所述闸门B(12)、闸门C(13)、闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)的高度降至引水水位，同时将所述闸门A(11)降低最低，拦水区(17)内的上层清水通过清水区(10)和兴利区(18)，进入所述电站引水口(2)，排泄洪水的同时发电；同时，打开所述泄洪排沙孔闸门(4)，通过所述泄洪排沙孔(3)进行泄洪排沙，减少所述拦水区(17)的泥沙淤积，使淤损库容得到恢复；

当上游预报发生大洪水时，将所述闸门A(11)、闸门B(12)、闸门C(13)、闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)的高度降至最低，打开所述泄洪排沙孔闸门(4)，所述清水区(10)、所述兴利区(18)和所述拦水区(17)连通，一起参与防洪。

2.根据权利要求1所述的一种水库的综合调度方法，其特征在于，当水库承担发电或/和下游灌溉用水任务时，若所述拦水区(17)的水位高程和泥沙含量、泥沙粒径均满足过机要求，将所述兴利区(18)与所述清水区(10)隔绝，将所述兴利区(18)与所述拦水区(17)连通，所述电站引水口(2)从所述拦水区(17)引水；若所述拦水区(17)的水位高程低，或者，泥沙含量或/和泥沙粒径不满足过机要求，则将所述闸门B(12)和闸门C(13)提升至最高，使所述兴利区(18)与所述拦水区(17)隔绝；将所述闸门A(11)的高度降低至根据用水任务计算而得的水位，所述清水区(10)蓄存的清水通过所述闸门A(11)进入所述电站引水口(2)，完成发电或/和调水任务。

3.根据权利要求1所述的一种水库的综合调度方法，其特征在于，在所述兴利区(18)周围的三条隔水坝(5)上各设有一道闸门，分别为闸门A(11)、闸门B(12)和闸门C(13)；在所述清水区(10)与所述拦水区(17)之间的隔水坝(5)上设有三道闸门，分别为闸门D(14)、闸门E(15)和闸门F(16)。