疏勒河流域昌馬水庫壩址處水沙關(guān)系特性研究

(1.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735200；2.甘肅水務(wù)節(jié)水科技發(fā)展有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

疏勒河流域的開發(fā)歷史可追溯到漢武帝時期，自公元前2世紀以來，疏勒河就是絲綢之路的必經(jīng)之地，是敦煌的母親河。如今的疏勒河承擔著疏勒河灌區(qū)8.96hm2農(nóng)田灌溉和工業(yè)供水等任務(wù)。而昌馬水庫作為疏勒河的龍頭工程，是疏勒河灌區(qū)的命脈工程，直接關(guān)系著灌區(qū)的生死存亡。昌馬水庫工程自1997年開工，2001年12月下閘蓄水，2003年11月正式建成，設(shè)計總庫容1.934億m3。由于昌馬水庫建成后，大壩抬高了水位，形成了在水庫大壩至庫尾的回水曲線，使水庫沿水流方向，隨著水深的增加，水面比降降緩、流速減小、泥沙沉淀，最終在庫區(qū)形成淤積。據(jù)2015年4月實測數(shù)據(jù)，在汛限水位1993.30m時，淤積量為1763.89萬m3，相比初設(shè)庫容11586萬m3，庫容損失15.22%。嚴重影響水庫使用效益，甚至將可能導(dǎo)致水庫失效報廢。而初設(shè)提出的昌馬水庫排沙方式為7月份暢泄排沙，這與灌區(qū)的灌溉用水高峰期時間相同，無法按設(shè)計執(zhí)行排沙調(diào)度，故在實際調(diào)度過程中每隔2～3年在汛期選取2～3d進行排沙，但排沙效果不明顯。所以，對昌馬水庫進行減淤調(diào)度優(yōu)化研究就顯得尤為重要，直接影響著疏勒河灌區(qū)耕地的灌溉保障和23萬灌區(qū)人民的生存權(quán)。本文從昌馬水庫壩址處的水沙關(guān)系入手，理清水沙關(guān)系，建立數(shù)學模型，為下一步水庫的減淤調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

1 昌馬水庫壩址處水文氣象特征

1.1 徑流

1.1.1 徑流特性

疏勒河徑流主要補給靠上游降水和冰雪融化，因此，徑流在年內(nèi)分配極其不均勻。4—5月主要由積雪融化和河水補充，水量占全年的11.30%；6—9月，徑流主要由高山的積雪融化和降水來補充，占全年河道來水的68.90%，而其中7、8兩月，水量占全年河道來水的48.30%；10月—來年3月，徑流主要依靠地下水進行補給，全年最小的來水流量一般發(fā)生在這一時期的1—2月。

1.1.2 昌馬水庫設(shè)計年徑流

昌馬水庫壩址上游18.50km處設(shè)有昌馬堡水文站，觀測至今，控制流域面積10961km2，水庫壩址以下2.50km處設(shè)有昌馬峽專用站，有五年(1964—1968年)不完整的水文實測資料。1995年進行《昌馬水庫樞紐工程初步設(shè)計》時，利用這些資料與上游昌馬堡水文站相應(yīng)月份的平均流量進行相關(guān)聯(lián)，關(guān)系良好，由此插補出昌馬峽1952—1989年月年徑流系列資料，為水庫調(diào)節(jié)計算方便，資料系列采用(7—6月)調(diào)節(jié)年度統(tǒng)計，經(jīng)頻率分析計算，通過適線得：Wo=10.31億m3、Cv=0.24、Cs=2Cv(Wo為年際平均流量，Cv、Cs分別為變差系數(shù)和偏態(tài)系數(shù))(見表1)。

表1 昌馬水庫入庫設(shè)計年徑流成果

1.1.3 設(shè)計徑流年內(nèi)分配

昌馬水庫設(shè)計徑流年內(nèi)分配采用典型年法，由于年徑流實測資料系列較長，代表性好，包含了豐、平、枯變化周期。根據(jù)選擇典型年的原則，并考慮4—6月灌溉高峰期的具體情況，分別選定豐水年(P=25%)典型為2004年7月—2005年6月、平水年(P=50%)典型為1979年7月—1980年6月、枯水年(P=75%)典型為1961年7月—1962年6月、特枯水年(P=90%)典型為1965年7月—1966年6月。昌馬水庫不同設(shè)計頻率入庫年徑流，通過典型年進行年內(nèi)分配(見表2)。

表2 昌馬水庫入庫設(shè)計年徑流年內(nèi)分配成果

1.2 洪水

疏勒河汛期主要集中在7、8、9這三個月，洪水主要由上游山區(qū)的強降暴雨形成，規(guī)模較大的洪水一般歷時7～15d左右。由于在昌馬峽出山口至雙塔水庫之間分布著大量的戈壁灘，每當洪水下泄后，洪水的三分之二左右損失在這一段。昌馬水庫自2001年末開始蓄水，水庫防洪標準按百年一遇設(shè)計，二千年一遇校核，其洪峰流量分別為:Q1%=1620m3/s，Q0.05%=2960m3/s(見表3)。

表3 昌馬水庫斷面設(shè)計洪水

2 昌馬水庫壩址水沙關(guān)系

2.1 昌馬水庫泥沙特征

疏勒河流域干旱少雨，多年平均降水量94mm。多年平均懸移質(zhì)輸沙量359萬t，推移質(zhì)輸沙量90萬t(按照懸移質(zhì)的25%估算)，多年平均總輸沙量449萬t，多年平均含沙量3.49kg/m3,實測最大斷面平均含沙量99.30kg/m3。來沙量年際變化大，年最大輸沙量880萬t(1972年實測)，年最小輸沙量43.70萬t(1956年實測)。年內(nèi)來沙極不均勻，汛期(6—9月)來沙量占全年的94.30%，且主要集中在7、8兩月，分別占全年沙量的44.40%和37.60%，而7、8月來水分別占全年的20%左右(見圖1)。

圖1 昌馬水庫壩址典型年月平均流量、輸沙率

2.2 昌馬水庫泥沙關(guān)系分析

2.2.1 昌馬水庫典型年7—8月泥沙關(guān)系分析(一元線性回歸分析)

可利用一元線性回歸分析法對水沙關(guān)系數(shù)據(jù)進行處理和分析。以典型年7—8月份來水流量為x，含沙量為y，進行線性回歸分析計算，其理論計算如下：

?一元線性方程公式:

(1)

(2)

?對得到的方程進行相關(guān)系數(shù)檢驗

(3)

在α=0.05時，自由度=n-2，查相關(guān)系數(shù)表，只要R>0.3175，則存在相關(guān)系數(shù)合理。通過分析得出：在豐、平、枯三個典型代表年下，昌馬水庫水沙關(guān)系存在線性關(guān)系(見表4、圖2)。

表4 昌馬水庫水沙關(guān)系初步分析

圖2 壩址處7—8月豐、平、枯水年日平均流量、含沙量線性回歸圖

2.2.2 昌馬水庫系列年水沙關(guān)系分析

根據(jù)昌馬堡水文站1957年1月1日—2014年12月31日的逐日流量和逐日來沙量數(shù)據(jù)，逐日來水量在年度變化上呈現(xiàn)規(guī)律性周期變化，在每年的年中達到峰值，在每年的年初和年尾進入低谷(見圖3(a))，這與疏勒河流域的水文特性有關(guān)。根據(jù)對1957年1月1日—2014年12月31日的逐日平均來沙量進行分析，發(fā)現(xiàn)其含沙量變化規(guī)律與來水量相同，也是在年內(nèi)來沙極不均勻(見圖3(b))。

圖3 昌馬水庫1957—2014年逐日平均來水量與來沙量

來水來沙作為河床塑造的主要因素，對昌馬水庫的沖淤和淤積形態(tài)具有直接影響。水庫的水沙關(guān)系實際上就是昌馬水庫疏勒河流域上段的來水量和來沙量的關(guān)系。根據(jù)常用的泥沙和流量關(guān)系，該關(guān)系的水沙關(guān)系方程可表達為：

Qs=aQb

式中Qs——懸移質(zhì)含沙量，kg/m3；

Q——流量，m3/s；

a——系數(shù)；

b——指數(shù)。

通過對上式進行對數(shù)變化和一元線性回歸，可知含沙量和來水量變化顯著性不明顯。故對公式進行修訂，將Qs調(diào)整為輸沙率，單位kg/s，Q為流量，單位m3/s。令y=Ln(Qs)、x=Ln(Q)，代入水文泥沙數(shù)據(jù)(剔除河道流量為0的數(shù)據(jù))，采用線性回歸進行分析。通過采用指數(shù)變換，利用一元線性回歸分析，計算得Ln(Qs)=0.3983Ln(Q)+3.5494，相關(guān)度R2=0.5532，R=0.743。故得a=e3.5494=34.79,b=0.3983,故水沙數(shù)學模型初步可表達為：

Qs=34.79Q0.3983

由于疏勒河流域來水集中在7—8月之間，而昌馬水庫主汛期為7月上旬—8月中旬，故選取7—8月的來水量和輸沙量，利用上述步驟進行線性回歸，計算得Ln(Qs)=0.4632Ln(Q)+3.9886，相關(guān)度R2=0.7112，R=0.834，詳見圖4。故得a=e3.9886=53.98,b=0.4632,故水沙數(shù)學模型確定為：

Qs=53.98Q0.4632

圖4 壩址處7—8月逐日平均流量、含沙量線性回歸分析圖

3 結(jié) 論

疏勒河流域年內(nèi)來沙極不均勻，汛期來沙量占全年的94.30%，且主要集中在7、8兩月，分別占全年沙量的44.40%和37.60%，而7、8月來水分別占全年的20%左右；在豐、平、枯三個典型代表年下，疏勒河流域逐日來水量和來沙量存在線性關(guān)系；1957—2014年疏勒河流域昌馬水庫壩址處逐日水沙關(guān)系和7、8月水沙關(guān)系分析結(jié)果表明，昌馬水庫壩址處河道來水量中的沙量與流量成正相關(guān)，來水流量越大，則來沙量越大；洪水流量越大，則來沙量也越大。

來水量、含沙量和灌區(qū)需水量的研究分析，為找到一個既能滿足水庫灌溉,又能發(fā)揮沖沙效益的流量提供了理論上的可能，并為下一步昌馬水庫減淤調(diào)度提出分級流量打下了有力的數(shù)據(jù)支撐。