淺析蓋孜水電站流域泥沙計(jì)算

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實(shí)驗(yàn)站，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程背景

蓋孜河屬于內(nèi)陸河流，是喀什噶爾河水系的源流之一。蓋孜水電站工程為蓋孜河中游河段水電規(guī)劃梯級(jí)電站的第二級(jí)。蓋孜水電站利用在建的布侖口—公格爾水電站尾水進(jìn)行發(fā)電，直接接在其尾水部位，采用“清水不下河”的方式引水發(fā)電，蓋孜水電站不設(shè)置攔河建筑物，工程發(fā)電廠房位于蓋孜河出山口以上約53.2km處。蓋孜水電站工程總工期34個(gè)月，工程主要建筑物包括引水調(diào)節(jié)池、退水建筑物、發(fā)電廠房、發(fā)電引水系統(tǒng)和反調(diào)節(jié)池。蓋孜水電站總投資10.89億元，工程等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型，電站裝機(jī)總?cè)萘?16MW，多年平均年發(fā)電量3.76億kW·h。

截至目前，克勒克水文站以上蓋孜河流域內(nèi)，在建的水利工程有布倫口—公格爾水電站。其中布倫口水庫(kù)壩址位于蓋孜河布倫口水文站站址附近，是開(kāi)發(fā)蓋孜河水利、水能資源的龍頭水庫(kù)。該水庫(kù)總庫(kù)容為6.44億m3，屬于不完全多年調(diào)節(jié)性水庫(kù)，建成后將對(duì)流域的徑流、洪水和泥沙起到一定的調(diào)節(jié)和攔蓄作用。

本階段蓋孜水電站擬定了上閘址(引水調(diào)節(jié)池方案)、中壩址、下壩址三種開(kāi)發(fā)方案，其中引水調(diào)節(jié)池方案直接接布倫口—公格爾水電站尾水，為本階段推薦方案，而中壩址、下壩址為攔河方案，為本階段的比較方案。上閘址、中壩址和下壩址位于布倫口水文站下游18～20km的蓋孜河內(nèi)。中壩址控制流域面積8605km2，下壩址控制流域面積8654km2，其上、下游分別有布倫口水文站和克勒克水文站。

2 流域概況

蓋孜河流域主要位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莅⒖颂湛h境內(nèi)，地處新疆塔里木盆地西南邊緣、帕米爾高原東部。西臨喀什地區(qū)的克孜河流域，東靠慕士塔格—公格爾雪山與葉爾羌河流域比鄰，南與塔吉克斯坦接壤，北匯塔里木盆地的喀什噶爾河。蓋孜河流域范圍介于東經(jīng)73°42′～77°08′、北緯38°10′～39°10′之間，流域總面積18543km2，其中山區(qū)面積10712km2、平原面積7831km2。

蓋孜河的東源為喀拉庫(kù)里河(又名亞瑪亞河、康西瓦河、布倫口河)，該河源于慕士塔格冰山東側(cè)的吐?tīng)柌悸∵_(dá)里亞溝，左冀為薩雷闊勒嶺，右冀為公格爾山，河流長(zhǎng)83km，流域面積2623km2，河道平均比降為19‰。喀拉庫(kù)里河冰川積雪面積為422km2，占喀拉庫(kù)里河流域的16.10%。

蓋孜河的西源為木吉河(又名阿赤曼河、木孜蘇河)，發(fā)源于薩雷闊勒嶺的瓊喀拉吉勒戈套，主峰海拔高5512.9m，其上源為克孜勒吉也克河、喀拉足克溝，流經(jīng)木吉盆地后稱(chēng)木吉河，該河大體為西東走向，流域左冀以昆蓋山為界，右冀以薩雷闊勒嶺為界。木吉河河長(zhǎng)157km，流域面積約5750km2，河流縱坡為上游陡、中下游平緩，河道平均比降為10.60‰。木吉河的冰川積雪面積為500.40km2，占流域面積的8.70%。

喀拉庫(kù)里河、木吉河于布侖口匯合后始稱(chēng)蓋孜河，布倫口水文站至克勒克水文站之間的蓋孜河(下文中統(tǒng)稱(chēng)為布—克區(qū)間)，河長(zhǎng)約38km，區(qū)間流域面積864km2。區(qū)間流域?yàn)榈湫蛵{谷，其左岸為昆蓋山，右岸為公格爾山和公格爾九別山，山體有大量永久性冰川積雪均勻分布，面積為266km2，占區(qū)間面積的30.80%。蓋孜河經(jīng)塔什米里克山口后，在塔里木盆地的疏附、疏勒、岳普湖等縣境內(nèi)消失。

3 泥沙分析

3.1 水文站網(wǎng)狀況

蓋孜河克勒克水文站以上流域氣候嚴(yán)寒，無(wú)霜期短，不適合農(nóng)作物生長(zhǎng)，但有很多天然草場(chǎng)，這些草場(chǎng)是克州的主要牧區(qū)之一。布倫口水文站以上流域內(nèi)湖泊、沼澤較多，著名的湖泊有布倫口湖、瓊塊勒巴什、卡拉克勒等湖泊。湖泊總面積約為21km2；高山沼澤分布較廣，面積約達(dá)42.20km2，其中木吉河的沼澤面積約為27km2。

蓋孜河流域由上游至下游先后設(shè)有喀拉庫(kù)里水文站、布倫口水文站、克勒克水文站、維他克水文站和塔什米力克水管站(下文中各水文站簡(jiǎn)稱(chēng)為布倫口站、喀拉庫(kù)里站、克勒克站、維他克站和塔什米力克站)。蓋孜河流域各水文、水管站的設(shè)置情況見(jiàn)表1。

3.2 泥沙分析

3.2.1 泥沙特性

蓋孜在維吾爾語(yǔ)中是灰色的意思，因?yàn)樯w孜河水中細(xì)沙粒較多，因此水色呈灰白色，蓋孜河因此而得名。

由于蓋孜河的上、中、下游河段的地質(zhì)結(jié)構(gòu)有所不同，因此，不同河段的泥沙特性也有所不同。布倫口以上的上游河道以塊石、片石為主，河水較清澈，

表1 蓋孜河流域水文站網(wǎng)一覽

含沙量相對(duì)較小；布倫口以下的中游河段以礫石、沙土為主，略顯渾濁，含沙量相對(duì)較大；出山口以下的河段含沙量最大，河水呈灰色。

但蓋孜河同鄰近的庫(kù)山河、克孜河、葉爾羌河、提茲那甫河相比較，仍屬于少沙河流。蓋孜河布倫口站以上流域?qū)崪y(cè)多年平均侵蝕模數(shù)為123t/km2，約是克孜河卡拉貝利站、庫(kù)山河沙曼站的l/7。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，布倫口站懸移質(zhì)輸沙量約是克勒克站懸移質(zhì)輸沙量的1/3，布—克區(qū)間產(chǎn)沙量較大。且根據(jù)克勒克站43年實(shí)測(cè)泥沙資料可知，蓋孜河一年中的輸沙量多集中在汛期(6—8月)，約占全年輸沙量的79.30%。

3.2.2 泥沙計(jì)算

3.2.2.1 參證站泥沙計(jì)算

此次收集克勒克站1962—1967年、1973—2009年共43年的泥沙資料，利用本站實(shí)測(cè)月平均輸沙率與本站實(shí)測(cè)月平均流量進(jìn)行相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為0.9414(見(jiàn)圖1)。

圖1 克勒克水文站月平均流量-月平均輸沙率關(guān)系曲線

利用以上相關(guān)關(guān)系可延長(zhǎng)克勒克站1957—1961年、1968—1972年缺測(cè)期內(nèi)的月平均輸沙率?？死湛苏静逖a(bǔ)延長(zhǎng)后的多年平均懸移質(zhì)輸沙成果見(jiàn)表2。

利用收集的布倫口站1962—1967年6年的泥沙資料，采用克勒克站與布倫口站的實(shí)測(cè)月平均懸移質(zhì)輸沙率進(jìn)行相關(guān)分析(見(jiàn)圖2)。

圖2 克勒克站、布倫口站月平均輸沙率相關(guān)曲線

利用以上相關(guān)關(guān)系，可延長(zhǎng)布倫口站1957—1961年、1968—2009年缺測(cè)期的月平均輸沙率。布倫口站多年平均懸移質(zhì)輸沙成果見(jiàn)表2。

3.2.2.2 工程閘址、壩址泥沙計(jì)算

布倫口水庫(kù)的運(yùn)行將對(duì)泥沙起到攔蓄作用，根據(jù)審查通過(guò)的《新疆蓋孜河布倫口—公格爾水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，布倫口水庫(kù)運(yùn)行100年內(nèi)平均排沙比為0.90%。

蓋孜水電站上閘址確定為接布倫口—公格爾水電站尾水的方案，因此，其泥沙為布倫口水庫(kù)調(diào)節(jié)出庫(kù)泥沙，計(jì)算公式為

Qs上閘址=0.009Qs布

式中Qs上閘址——蓋孜上閘址處月平均輸沙率，kg/s；

Qs布——布倫口站月平均輸沙率，kg/s。

蓋孜水電站上閘址處泥沙計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 布倫口、克勒克站多年平均懸移質(zhì)輸沙成果

表3 蓋孜上閘址多年平均懸移質(zhì)年內(nèi)分配情況

蓋孜水電站中壩址、下壩址泥沙為布倫口出庫(kù)泥沙與布—壩區(qū)間泥沙之和。布—壩區(qū)間泥沙依據(jù)上述插補(bǔ)外延后的布倫口站、克勒克站懸移質(zhì)輸沙率系列相減得到的布—克區(qū)間輸沙率系列，采用面積比擬法折算至布—壩區(qū)間。經(jīng)布倫口水庫(kù)調(diào)節(jié)后壩址處輸沙率計(jì)算公式為

式中Qs壩——蓋孜壩址處月平均輸沙率，kg/s；

Qs布——布倫口站月平均輸沙率，kg/s；

Qs克——克勒克站月平均輸沙率，kg/s；

F布——布倫口站集水面積，km2；

F克——克勒克站集水面積，km2；

F壩——蓋孜閘址集水面積，km2。

經(jīng)計(jì)算得到中壩址、下壩址經(jīng)布倫口調(diào)節(jié)后的1959—2009年逐月輸沙率系列。

由蓋孜水電站壩址處逐月輸沙率系列計(jì)算得：中壩址、下壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙率分別為51.20kg/s、55.30kg/s，多年平均懸移質(zhì)含沙量分別為2.91kg/m3、3.02kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙量分別為161.6萬(wàn)t、174.6萬(wàn)t。計(jì)算壩址處多年平均懸移質(zhì)年內(nèi)分配成果見(jiàn)表4。

根據(jù)《新疆蓋孜河布倫口—公格爾水電站工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，布倫口水庫(kù)以上推移質(zhì)經(jīng)攔截后淤積在水庫(kù)中，因此蓋孜水電站壩址處推移質(zhì)為布—壩區(qū)間產(chǎn)生的推移質(zhì)，蓋孜河山區(qū)河段推懸比按15%計(jì)算。中壩址、下壩址多年平均推移質(zhì)輸沙量分別為8.61萬(wàn)t 、10.6萬(wàn)t，多年平均輸沙總量分別為171萬(wàn)t、186萬(wàn)t。

表4 蓋孜壩址多年平均懸移質(zhì)年內(nèi)分配情況

4 結(jié) 論

蓋孜水電站順利通過(guò)了竣工驗(yàn)收，電站在2018年2月已經(jīng)開(kāi)始投產(chǎn)。事實(shí)證明，通過(guò)對(duì)蓋孜河流域泥沙情況歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，充分驗(yàn)證了選址的理論依據(jù)，電站運(yùn)行至今狀態(tài)良好，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到預(yù)期水平，對(duì)泥沙的正確估計(jì)保障了蓋孜水電站的穩(wěn)定、安全運(yùn)行，泥沙計(jì)算分析為水電站初設(shè)和選址提供了理論依據(jù)。