胡浩
(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院,烏魯木齊830000)
克孜爾水庫壩址位于干流木扎提河與支流黑孜河交匯處下游500 m處,是一座防洪、灌溉、兼顧發(fā)電的多任務(wù)大(I)型水利樞紐。入庫徑流主要來源為上游冰川融水及降水混合補(bǔ)給,入庫水沙年際變化不大,但是年內(nèi)分配不均勻。根據(jù)系列水文資料顯示,克孜爾水庫的多年平均入庫泥沙主要集中在汛期6~8月份,占年平均入庫的一半以上。支流黑孜河上游水流挾帶泥沙沿河道右岸流向“魚嘴”。在“魚嘴”附近與干流木扎提河交匯,兩股水流相互混摻,能量受到削弱,攜帶泥沙原地落淤,最終形成淤積錐體[1],見圖1。
圖1 克孜爾水庫泥沙淤積現(xiàn)狀圖
淤積錐體的形成不僅阻斷了木扎提河的泥沙通道,而且使得黑孜河的泥沙也不斷落淤庫內(nèi)。據(jù)水庫管理局提供的實(shí)測資料顯示,庫區(qū)泥沙淤積量是預(yù)計淤積量的2倍,庫區(qū)河床逐年增高,庫容不斷損失,已經(jīng)嚴(yán)重威脅到水庫的使用壽命。清理庫區(qū)淤積泥沙,增加出庫沙量,從而延長水庫使用壽命,已刻不容緩。
為減緩泥沙淤積,水庫管理局采用清淤船、人工開挖、機(jī)械開挖等方式對庫區(qū)泥沙進(jìn)行清理,但成效不大,且費(fèi)用高昂。故考慮調(diào)節(jié)水庫運(yùn)行方式,利用水流自身將泥沙挾帶出庫,并將庫區(qū)已淤積的泥沙沖刷出庫。
敞庫排沙是指在來洪期間,上游來水全部向下游傾瀉,水庫不壅水。此方式能夠?qū)⑸嫌蝸砩车娜炕蛘叽蟛糠指S來水排出庫外,甚至可以將庫區(qū)淤積的泥沙沖走,排沙效果較好[2],比較適合克孜爾水庫這種前期有泥沙淤積的水庫。但綜合考慮水庫的運(yùn)行任務(wù):防洪、灌溉、發(fā)電,水庫協(xié)調(diào)各方難度較大,且為保證下游城鎮(zhèn)、人員、財產(chǎn)等安全,水庫的最大下泄流量不能超過750 m3/s,故此方案不能實(shí)現(xiàn)。
低水位排沙是在汛前將水庫泄空或者留有足夠的庫容,用以接納上游洪水。隨著庫水位的下降會產(chǎn)生溯源沖刷和沿程沖刷[3-4],不僅能夠?qū)稁嗌硾_刷出庫,而且在下游形成沖刷漏斗,不斷向上游延伸,剖切淤積體[5]。該方式能減少泥沙落淤,沖刷已淤積的泥沙,需水庫保持低水位運(yùn)行。
異重流排沙是壅水排沙的主要方式,其運(yùn)行機(jī)理是挾沙水流進(jìn)入庫區(qū)壅水段,因兩股水流的重度不同,挾沙渾水下潛至清水以下,在重力沿水流方向分量作用下,沿庫底向壩址運(yùn)行。此排沙方式排沙效果好,可以將下部渾水排出庫外,將上部清水滯留庫內(nèi),達(dá)到“蓄清排渾”的目的。但該方式產(chǎn)生的條件苛刻[6-7],運(yùn)行規(guī)律難以把握,排沙時間不好把控,較難實(shí)現(xiàn)。
綜上比較,低水位運(yùn)行排沙較易實(shí)現(xiàn),水庫管理者可以通過調(diào)節(jié)閘門開度來降低庫水位,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低水位運(yùn)行排沙。
庫區(qū)上游來水來沙年內(nèi)分配不均勻,多集中在汛期,水庫多年洪水期間水庫運(yùn)行水位與排沙比資料統(tǒng)計見表1~3(S'為出庫沙量)。
表1 克孜爾水庫歷年汛期排沙比統(tǒng)計(庫水位在1142.0 m)
表2 克孜爾水庫歷年汛期排沙比統(tǒng)計(庫水位在1 138.0-1 142 m)
表3 克孜爾水庫歷年汛期排沙比統(tǒng)計(庫水位在1 133-1 138 m)
由表1~3可知:①當(dāng)水庫水位在1 142.0 m左右運(yùn)行時,汛期水庫的排沙比幾乎為零,排沙效果差,上游來水挾沙幾乎全部淤積在庫內(nèi);②當(dāng)庫水位逐漸降低到1 138.0-1 142.0 m時,水庫的出庫泥沙比例相對1 142 m運(yùn)行水位時高,排沙效果稍好,但仍有大部分泥沙不能排除庫區(qū),隨著挾沙水流能量削弱落淤庫內(nèi);③當(dāng)庫水位在1 133.0-1 138.0 m低水位運(yùn)行時,來洪期間出庫泥沙明顯比高水位要多很多,排沙效果也相對顯著。
根據(jù)歷年實(shí)測資料,點(diǎn)繪克孜爾水庫運(yùn)行庫水位與出庫泥沙比例的關(guān)系圖,見圖2。
圖2 克孜爾水庫運(yùn)行庫水位與排沙比關(guān)系圖
由圖2可知:在汛期,庫水位降至死水位時排沙比最大,在1 139 m附近時排沙比最低。后隨著庫水位增加,排沙比有所回升,但回升幅度不大;在非汛期,隨著庫水位不斷增加,排沙比整體趨勢是逐漸下降,但下降幅度不大。
泥沙淤積問題日趨嚴(yán)重,尤其對于克孜爾水庫這種山區(qū)大庫盤水庫。為減少上游來水來沙在庫區(qū)的淤積,提高水庫運(yùn)行效率,延長水庫使用壽命,筆者通過分析水庫運(yùn)行方式分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論,希望能為水庫運(yùn)行管理提供幫助:
(1)相對敞庫排沙與壅水排沙,低水位排沙方式在保證下游安全泄量前提下,通過調(diào)節(jié)閘門開度即可實(shí)現(xiàn),對于水庫管理者操作簡便,易于管理,更加適合克孜爾水庫。
(2)庫水位在死水位1 135 m附近,排沙效果最好。隨著水位升高,排沙效果減弱。
(3)在保證下游安全前提下,能協(xié)調(diào)好防洪、灌溉、發(fā)電各方關(guān)系時,建議水庫保持低水位運(yùn)行。