新疆克孜爾水庫人工輔助排沙工程排沙效果初步分析

(克孜爾水庫管理局， 新疆 拜城 842313)

新疆克孜爾水庫人工輔助排沙工程排沙效果初步分析

夏新利

(克孜爾水庫管理局， 新疆 拜城 842313)

本文通過對2011～2012年克孜爾水庫利用人工輔助排沙工程排沙資料進(jìn)行分析，得出結(jié)論：水庫“借助人工輔助排沙工程、汛期降低庫水位”調(diào)水調(diào)沙的運(yùn)用方式，實現(xiàn)了庫區(qū)黑孜河庫段沖淤基本達(dá)到平衡，排沙效果十分理想，發(fā)揮了水庫的綜合利用效益。從而為在多沙河流上修建水庫如何解決“減少淤積、保持庫容、維持沖淤平衡”的問題提供了借鑒。

克孜爾水庫； 人工輔助排沙工程； 效益； 分析

1 工程概況

渭干河克孜爾水庫是渭干河流域大型水利樞紐工程，是以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電的綜合性利用水庫。克孜爾水庫是渭干河上已建的最大控制性水利工程，水庫壩址位于渭干河干流木扎提河與支流黑孜河匯合口以下約500m處，控制集水面積16637km2。水庫正常蓄水位1149.6m，相應(yīng)庫容6.04×108m3。水庫控制下游庫車、沙雅、新和三縣灌區(qū)，設(shè)計灌溉面積為21.33萬hm2,為一等大(I)型工程,主要建筑物為1級，整個樞紐由主壩、副壩、溢洪道、泄洪排沙涵洞與發(fā)電站組成。電站裝機(jī)容量為4×6.5MW，保證出力6.4MW，多年平均年發(fā)電量1.34億kW·h。

2 渭干河流域水沙特性

渭干河屬塔里木河水系,由5 條支流匯合而成,其中：干流木扎提河和卡普斯浪河洪水主要由冰川融水和積雪融水組成，峰形肥胖歷時稍長；卡拉蘇河洪水則以冰雪融水和暴雨為主；距壩址最近的黑孜河則以暴雨為主，峰形尖瘦歷時短，呈單峰或雙峰。因此，干支流水沙特性差異較為明顯。除黑孜河在庫區(qū)匯入外，其他支流均在水庫末端以上匯入。黑孜河因?qū)偕絽^(qū)暴雨型河流，天然河床比降大，中淺山區(qū)紅壤土暴露，泥沙土壤細(xì)而松散，兩岸風(fēng)化巖，沙土和黃土易被沖刷而帶入渭干河。

據(jù)1953～2006年渭干河克孜爾水庫出庫站資料分析統(tǒng)計：克孜爾水庫多年平均流量為83.1m3/s,多年平均水量為26.2×108m3,多年平均年懸沙總量約1318×104t,多年平均含沙量約為4.46kg/m3。入庫水量、沙量在年內(nèi)的分配，主要集中在汛期的6～9月，汛期水量占年水量的58.3%；相比之下,沙量比水量更集中于汛期,汛期懸沙量占年沙量的90.0%,主要集中于7～8月,且更集中于幾次沙峰過程。

3 問題的提出

鑒于克孜爾水庫泥沙淤積日趨嚴(yán)重，利用異重流排沙和底水位渾水排沙在實際運(yùn)用中效果均不甚理想，經(jīng)過多方論證及模型試驗，最終確定為：為有效分離支流黑孜河與干流木扎提河庫段的泥沙運(yùn)行路徑，通過采取人工輔助排沙工程措施在黑孜河庫段右岸布設(shè)丁壩，將支流黑孜河的主河道由庫盤的右岸改向左岸；為盡可能縮短洪水輸沙距離以減少落淤，可在左岸二階臺地上人工開挖輸沙渠道，將泥沙輸送至泄洪排沙明渠，并從排沙底孔直接排出庫外。此外，為確保改道后的高含沙洪水能夠完全匯入左岸二階臺地上的人工輸沙渠道，在輸沙渠道入口處修筑導(dǎo)流堤進(jìn)行導(dǎo)流。

通過修筑人工排沙渠工程，解決了黑孜河庫段的泥沙淤積對干流木扎提河床段首部的阻塞問題，將黑孜河庫段與木扎提河床段的泥沙運(yùn)行路徑進(jìn)行分離，使之各行其道；同時利用黑孜河自然縱坡較大的優(yōu)勢，在水庫汛期6～8月初的低水位運(yùn)行期，將支流黑孜河高含沙洪水通過人工排沙渠直接輸送至泄洪排沙底孔進(jìn)口處排出庫外，不僅減輕了支流在庫盤內(nèi)的泥沙淤積，同時也抑制了支流在干流上形成的攔沙底坎的推進(jìn)?？俗螤査畮烊斯ぽo助排沙工程于2011年主汛前投入試驗運(yùn)行。

4 排沙效益分析

克孜爾水庫人工輔助排沙工程經(jīng)過兩個汛期(2011～2012年)初步運(yùn)行，支流黑孜河主河床明顯改道至距排沙底孔較近的左岸，在庫水位低于1140m高程時，隨支流黑孜河入庫的泥沙全部進(jìn)入導(dǎo)流明渠排出庫外，2012年汛期排沙總量達(dá)51.60萬t；同時支流黑孜河段庫盤形成自淤積體三角洲頂點(diǎn)向上游發(fā)展的溯源沖刷，沖刷下切深度平均在1.5m以上，寬約40m、長約6km左右，排沙效果十分理想。

4.1 汛期洪水沙峰排沙

根據(jù)多年實測資料統(tǒng)計，克孜爾水庫汛期進(jìn)庫洪水輸沙量占全年輸沙量的90%，是造成水庫淤積的最主要部分。在洪水期降低庫水位排沙，再加上有利的水沙條件，水庫不但在泥沙數(shù)量上沖淤平衡，而且在沖刷部位上也達(dá)到?jīng)_淤平衡。因此,汛期(6～8月)在高含沙量洪水進(jìn)庫時期降低庫水位，借助于進(jìn)庫洪水的富余輸沙能力和溯源沖刷能力排沙出庫是減少水庫淤積的重要措施。同時，由于降低庫水位又引起庫區(qū)壩前段發(fā)生溯源沖刷，故而排沙比超過100%，如表1所示。

表1 克孜爾水庫2011～2012年汛期沙峰期間排沙效果統(tǒng)計

4.2 非汛期降低庫水位排沙

非汛期的入庫水流含沙量很低，其中4月進(jìn)庫輸沙量占全年輸沙量的0.86%,而4月進(jìn)庫徑流量占全年徑流量的3.63% 。非汛期(9月～翌年5月)正值下游渭干河灌區(qū)小麥二水、棉花一水灌溉期，灌區(qū)需水量大，水庫不存在棄水問題，并不影響水庫的興利效益。因此，充分利用此時低含沙量的水流在降低庫水位條件下運(yùn)行，進(jìn)行沖刷淤積泥沙來恢復(fù)庫容是非常有利的。

表2 克孜爾水庫2011～2012年非汛期降低庫水位排沙效果統(tǒng)計

從表1、表2中可知,2012年4月11～20日,庫水位自1137.31m下降至1134.72m,庫水位下降幅度為2.55m,平均進(jìn)庫流量34.70m3/s,相應(yīng)排沙渠(進(jìn)庫)實測含沙量0.47～2.28kg/m3，庫水位驟降歷時216h,其沖刷量為2.47萬t；又如2011年7月4～14日,庫水位自1139.95m下降至1137.19m,庫水位下降幅度為2.76m,平均進(jìn)庫流量121.4m3/s,相應(yīng)排沙渠(進(jìn)庫)實測最大含沙量3.62 kg/m3，庫水位驟降歷時240h,其沖刷量為2.16萬t。

克孜爾水庫汛初，在庫水位下降低于非汛期黑孜河庫段淤積體的三角洲頂點(diǎn)高程(1140m)之后，水位落差集中，在排沙渠尾端形成很陡的水面比降(跌水)，水深減少，流速增大，排沙渠尾端處首先發(fā)生沖刷，沖刷范圍逐漸向上游發(fā)展，河床下切1.5m多，形成強(qiáng)烈的溯源沖刷，排沙效果明顯。

4.3 結(jié)論

從上述洪水期庫區(qū)沖刷及排沙情況來看：?克孜爾水庫來水來沙主要集中在汛期，而汛期來水來沙主要集中在幾場洪水；?在洪水期，由于洪峰水流及泥沙的作用，加上人工排沙渠工程裁彎取直了黑孜河河道，使水流更為規(guī)順，從而達(dá)到了改善淤積河段河勢的目的，進(jìn)而提高河道的水流輸沙能力，相對增加了汛期的挾沙能力；?在低水位時期，克孜爾水庫庫區(qū)存在富余輸沙能力和溯源沖沙能力。

5 經(jīng)驗總結(jié)

a.克孜爾水庫是在西北地區(qū)多沙河流渭干河上興建的一座重要的控制性工程。水庫采用“借助人工輔助排沙工程、汛期降低庫水位”調(diào)水調(diào)沙的運(yùn)行方式，經(jīng)過不斷的改進(jìn)，逐漸成為適合克孜爾水庫排沙運(yùn)行方式。

b.在蓄清排渾的原則下，汛期克孜爾水庫采用“借助人工輔助排沙工程、降低庫水位”的方式，充分利用了渭干河水沙分配不均及汛期的排沙能力，重點(diǎn)研究幾場洪水的自然規(guī)律，在洪水期降低庫水位排沙，經(jīng)過2011～2012年試驗研究，取得很好的成果。在實際運(yùn)用中，庫區(qū)黑孜河庫段沖淤基本平衡，控制了黑孜河庫段淤積上延的問題，發(fā)揮了水庫的綜合利用效益。

c.克孜爾水庫資料表明，溯源沖沙的范圍和數(shù)量對沖刷非汛期淤積在庫區(qū)的泥沙、恢復(fù)有效庫容十分重要。

d.克孜爾水庫下游渭干河灌區(qū)積極將高含沙洪水作為肥水引入田間，改良鹽堿地。因此，克孜爾水庫排沙對下游灌區(qū)不產(chǎn)生負(fù)面影響。

e.在汛期水庫降低水位排沙時，往往不能在洪峰到達(dá)之前及時打開泄流建筑物的閘門，造成水庫滯洪，從而影響了排沙效果。

6 思考與建議

a.克孜爾水庫為了排沙減淤，不可避免地在汛初降低庫水位集中排沙，會出現(xiàn)小流量挾帶大含沙量出庫的現(xiàn)象，如此不協(xié)調(diào)的出庫水沙過程，也給下游沙雅大河、英大牙河河道造成不利影響，致使兩退洪河道發(fā)生淤積、河床抬高，影響其防洪功效。

b.如果放棄汛期發(fā)電，汛期排沙效益會更大，這就存在發(fā)電效益與排沙效益兩者之間的矛盾。同時水庫為調(diào)蓄渭干河灌區(qū)小麥二水、棉花一水灌溉用水，勢必抬高前汛期庫水位，從而影響水庫前汛期的排沙效果。

c.前汛期水庫最好低水位運(yùn)行(不超過1137m高程)，使非汛期進(jìn)庫泥沙盡可能落在近壩區(qū)，使淤積重心靠近壩區(qū)，這樣有利于汛期降低水位排沙。

d.目前由于受人類活動的影響，支流黑孜河流域生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重的破壞，致使支流黑孜河進(jìn)入水庫徑流量大幅度減少，而平均含沙量增大；同時支流黑孜河水沙搭配關(guān)系較原設(shè)計發(fā)生了較大的變化，不利的進(jìn)庫水沙條件對水庫調(diào)度運(yùn)行帶來影響，值得進(jìn)一步研究。

1 焦恩澤,繆鳳舉.水庫調(diào)水調(diào)沙[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.

2 趙琪.李燕.新疆克孜爾水庫除險加固枯水期及分期洪水分析計算[R].烏魯木齊:新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,2008.

3 新疆水利水電勘測設(shè)計研究院.新疆渭干河克孜爾水庫設(shè)計報告[R].1995.

4 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué).新疆克孜爾水庫黑孜河庫段輸沙水工模型試驗[R].2010

PreliminaryAnalysisofSandFlushingEffectofArtificialAssistantSandFlushingProjectinXinjiangKizilReservoir

XIA Xin-li

(KizilReservoirAuthority,Baicheng842313,China)

Sand flushing data of Kizil Reservoir using artificial assistant sand flushing project from 2011 to 2012 is analyzed in the paper. The conclusion is obtained as follows: Heimei River Section erosion in the reservoir area is basically balanced by the mode of transferring water and sand by artificial assistant sand flushing project and lowering reservoir water level in the reservoir during flooding season. The sand flushing effect is ideal, and comprehensive utilization benefits of the reservoir are exerted, thereby providing reference for constructing reservoir in sandy river to ‘reduce sand, keep reservoir volume and maintain flushing balance’.

Kizil Reservoir; artificial assistant sand flushing project; benefits; analysis

TV897.1

B

1005-4774(2014)03-0062-03