烏魯瓦提水利樞紐工程泥沙調(diào)度方案研究

黃 濤

(新疆維吾爾自治區(qū)烏魯瓦提水利樞紐管理局，新疆 和田 848000)

1 工程概況

烏魯瓦提水庫(kù)屬于一座集防洪發(fā)電、生態(tài)保護(hù)、農(nóng)業(yè)灌溉等功能于一體的大(2)型工程，樞紐以上控制面積19983km2，控制全河徑流量97%。水利樞紐包括升壓變電站、開(kāi)關(guān)樓、水電站廠(chǎng)房、發(fā)電引水洞、泄洪排沙洞、沖沙洞、大壩、溢洪道等建筑結(jié)構(gòu)，總庫(kù)容3.336億m3，設(shè)計(jì)和校核洪水位為1962.65、1963.29m，正常蓄水位1962.00m，裝機(jī)容量60MW，年發(fā)電量1.97億kW·h。工程投入運(yùn)行后改善和擴(kuò)大灌溉面積7.58hm2，通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)每年平均向塔里木河供水10.57億m3。烏魯瓦提水利工程有利于減輕洪水災(zāi)害和維護(hù)和田河下游綠色廊道生態(tài)環(huán)境，顯著提升下游河道的防洪能力和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平[1-3]。

喀拉喀什河發(fā)源于山勢(shì)陡峭險(xiǎn)峻的昆侖山區(qū)，為外力強(qiáng)烈沖擊和構(gòu)造隆起的中高山地帶，工程地質(zhì)以礫巖、粉砂巖、石膏巖、砂頁(yè)巖、砂礫巖、碳系灰?guī)r、粉砂巖及砂礫為主。該流域氣候干燥屬于內(nèi)陸干旱區(qū)，一面瀕臨沙漠、三面高山環(huán)抱，地表干燥剝蝕和物理風(fēng)化強(qiáng)烈，而高山河道凍冰剝蝕風(fēng)化、冰磧物豐富且地勢(shì)陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，因此地表和河道沙源豐富，高山段河流洪水期水量集中且流速較大，水流具有較強(qiáng)的攜沙能力，同時(shí)中低山地帶的暴雨和融雪也將大量泥沙沖入河道，以上各因素作用使得河流含沙量大[5-8]。

根據(jù)以上河流特性分析，為保持有效庫(kù)容采用蓄洪運(yùn)用的方式，在滿(mǎn)足興利防洪的條件下盡可能的利用棄水排沙。結(jié)合河流實(shí)際情況和工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的4種運(yùn)行方案如下：①蓄洪方案：該方案的死水位為1924.00，訊限水位和正常蓄水位為1962.00m；②蓄洪排沙方案：其死水位為1924.00，訊限水位和正常蓄水位為1962.00m，采用降低水位迎流排沙作為20a一遇洪水以下的運(yùn)用方式；③分階段蓄洪：運(yùn)行年限為1-10a、11-30a、31-50a的正常蓄水位為1957.40m、1932.00m、1962.20m；④蓄清排渾方案：運(yùn)行年限1-10a、11-30a、31-50a的正常蓄水位為1957.40m、1932.00m、1962.20m，壩前水位在汛期7月上旬降低至1910.00m運(yùn)行。

2 來(lái)水來(lái)沙分析

水庫(kù)上游63km處存在托滿(mǎn)水文站，該站數(shù)據(jù)資料的代表性、一致性和可靠性較好，選取2003-2017年實(shí)測(cè)泥沙資料為設(shè)計(jì)依據(jù)，采用實(shí)測(cè)水文資料序列補(bǔ)差延長(zhǎng)部分年份缺測(cè)泥沙數(shù)據(jù)。

2.1 流域水沙分析

喀拉喀什河年內(nèi)徑流分布不均勻且年際徑流變化較大，依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料徑流量最大的年份為多年平均和徑流量最小年份的1.82、2.56倍，汛期徑流量占全年平均約47.20%。輸沙量年內(nèi)分配不均且年際存在較大變化，多年平均懸移質(zhì)為562×105t，年輸沙量實(shí)測(cè)最大和最小值比達(dá)到15.2，汛期集中了大部分泥沙，年均輸沙量的62.7%發(fā)生于汛期。

2.2 水庫(kù)水沙分析

采用集水面積比和托滿(mǎn)水文站天然年徑流量數(shù)據(jù)推求水庫(kù)徑流量，烏魯瓦提水庫(kù)天然年均徑流量12.26×109m3，庫(kù)區(qū)支流徑流量1.38×109m3。采用面積比法和托滿(mǎn)站實(shí)測(cè)輸沙量數(shù)據(jù)推求水庫(kù)入庫(kù)輸沙量，推移質(zhì)和懸移質(zhì)入庫(kù)輸沙量多年平均值為21.82、570×105t，庫(kù)區(qū)支流懸移質(zhì)多年平均入庫(kù)量68×105t。

3 泥沙沖淤數(shù)值模型

3.1 數(shù)值模型

以?xún)?nèi)陸干旱區(qū)水庫(kù)水沙為研究對(duì)象，當(dāng)前關(guān)于該方面的研究較多并取得了一些成果。例如，韓其為等[9]通過(guò)深入研究不平衡非均勻輸沙理論，基于恢復(fù)飽和系數(shù)創(chuàng)建了一維數(shù)值模型；關(guān)見(jiàn)朝等[10]提出了泥沙數(shù)學(xué)模型關(guān)鍵參數(shù)及懸移質(zhì)輸沙非均勻概化模型；童思陳等[11]深入分析了泥沙淤積與水庫(kù)運(yùn)用方式之間的關(guān)系，結(jié)合相關(guān)研究模型提出了合理化建議；朱春耀[12]、李舍梅[13]等將汾河水庫(kù)、白石水庫(kù)的泥沙沖淤過(guò)程利用一維不平衡全沙模型進(jìn)行了研究。

多種調(diào)度模式下的泥沙淤積分布及有效庫(kù)容損失為本研究的主要內(nèi)容，根據(jù)喀拉喀什河為山區(qū)性河流的實(shí)際情況，需對(duì)庫(kù)區(qū)長(zhǎng)時(shí)期長(zhǎng)河段的河床沖淤變形進(jìn)行模擬分析，因此屬于推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙淤積綜合問(wèn)題。結(jié)合上述分析結(jié)果，擬選取不平衡全沙模型進(jìn)行模擬研究，其數(shù)學(xué)方程為：

水流連續(xù)和運(yùn)動(dòng)方程為如下：

(1)

(2)

懸移質(zhì)泥沙連續(xù)方程、水流分組挾沙力、懸移質(zhì)和推移質(zhì)河床變形方程分別如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：A、Asi為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e和懸移質(zhì)泥沙分組沖淤面積，m2；U、ωi為過(guò)水?dāng)嗝嫫骄魉俸土浇M沉速，m/s；Q為河道流量，m3/s；B、Z、R為河寬、水位和水力半徑；S*i、Si為非均勻沙分組挾沙力及其分組含量，kg/s、kg/m3；n、m、K、α為糙率、水流挾沙力指數(shù)、水流挾沙力系數(shù)和恢復(fù)飽和系數(shù)；Gbi、Pbi為分組推移質(zhì)輸沙率和泥沙級(jí)配，kg/s；Z0si為推移質(zhì)泥沙淤積引起的河床變形厚度，m；γ為泥沙干密度，t/m3；

運(yùn)用非耦合法求解以上模型，其基本流程為：先對(duì)水力條件進(jìn)行求解，然后確定河床沖淤變化和泥沙運(yùn)動(dòng)情況。根據(jù)有限差分法計(jì)算上述方程組，通過(guò)單元格劃分將連續(xù)解區(qū)間域轉(zhuǎn)化為若干節(jié)點(diǎn)，基本方程用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，然后采用差商替代離散控制方程中的微商，對(duì)該復(fù)雜問(wèn)題利用方程組求解，具有解的收斂性、穩(wěn)定性、相容性較完善且數(shù)學(xué)概念直觀等明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 參數(shù)的處理

根據(jù)韓其為等[14]構(gòu)造的曲線(xiàn)差值公式求解水庫(kù)淤積過(guò)渡期糙率，針對(duì)不同的情況設(shè)定相應(yīng)的恢復(fù)飽和系數(shù)，在河床顯著淤積、顯著沖刷和沖淤交替情況下的a值為0.25、1.00、0.50。采用普遍應(yīng)用的懸浮指標(biāo)作為沖泄質(zhì)與床沙質(zhì)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，即河沙質(zhì)的懸浮指標(biāo)值≥0.06，沖泄質(zhì)的該指標(biāo)值<0.06。按照等厚沖刷或等厚淤積的方式控制穩(wěn)定河床，從而修正斷面和沖淤模式。

3.3 計(jì)算條件

1)斷面布設(shè)：根據(jù)河流走勢(shì)和水庫(kù)運(yùn)行情況共布設(shè)48個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中主河道32個(gè)(C1-C32)，托爾干支流有10個(gè)(ZC39-48)，各斷面距離壩址距離，見(jiàn)表1。

2)數(shù)據(jù)系列：主河道和支流斷面最早測(cè)量時(shí)間為2004年，因淤積嚴(yán)重C31、C32斷面無(wú)法測(cè)量，位于淺水區(qū)的C48號(hào)斷面因測(cè)船無(wú)法駛?cè)胗?017年不具備測(cè)量條件。水庫(kù)泥沙沖淤數(shù)據(jù)來(lái)源于2004-2016年共12a序列測(cè)量資料，該序列基本涵蓋了平水平沙、豐水豐沙、枯水枯沙等年份，水沙入庫(kù)點(diǎn)有托兒干支流ZC39和托滿(mǎn)河C1兩個(gè)斷面。

3)壩前控制水位和計(jì)算時(shí)段的劃分：選取1d作為沖淤計(jì)算時(shí)段，采用徑流調(diào)節(jié)獲取的長(zhǎng)序列壩前平均運(yùn)行水位作為每一計(jì)算時(shí)段的壩前控制水位。

表1 監(jiān)測(cè)斷面距壩址距離

4)顆粒級(jí)配：通過(guò)對(duì)不同粒徑泥沙在渾水中顆粒間相互作用和自身運(yùn)動(dòng)特性的分析，根據(jù)均勻沙平均輸沙的挾沙能力計(jì)算結(jié)果解釋非均勻懸移質(zhì)輸沙機(jī)理。采用懸移質(zhì)泥沙2010-2013年實(shí)測(cè)成果平均值作為懸移質(zhì)顆粒級(jí)配，選取干流及壩址河段的粒徑分析和河床質(zhì)取樣監(jiān)測(cè)成果作為床沙顆粒級(jí)配。

5)河段糙率：天然河道糙率采用水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)率定，根據(jù)下游水文站實(shí)測(cè)糙率值、庫(kù)區(qū)植被及河床組成情況，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整和比較后獲取最終的糙率值，綜合糙率取值區(qū)間為0.020-0.024。

4 結(jié)果分析

對(duì)蓄清排渾、分階段蓄洪、蓄洪排沙和蓄洪運(yùn)用方案利用以上數(shù)值模型進(jìn)行研究，分別模擬100a、50a、30a、20a和10a5種不同運(yùn)行年限下的庫(kù)容、水位、排沙比、淤積量、淤積縱/橫斷面等。

4.1 蓄洪運(yùn)用方案

1)水庫(kù)淤積量及分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，該方案的全庫(kù)淤積量表現(xiàn)出累積性增長(zhǎng)趨勢(shì)且泥沙淤積嚴(yán)重，托兒干支流匯口附近庫(kù)段為水庫(kù)淤積量主要集中段，以50a運(yùn)行年限為例，托兒干支流、匯河口以下和托滿(mǎn)河庫(kù)段的淤積量占比依次為6.2%、40.6%、53.2%，總淤積量的50.8%位于壩址上游2.0-8.5km庫(kù)段。

2)淤后庫(kù)容。有效庫(kù)容淤積損失比例在不同運(yùn)行年限下分別為83.2%、54.6%、39.5%、32.6%、18.5%，具體如圖1。

圖1 方案一水庫(kù)淤積容積變化特征

3)水庫(kù)排沙比。滯洪運(yùn)用方案下水庫(kù)的排沙比較小，水庫(kù)排沙比隨著運(yùn)行年限的增加呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)。蓄洪方案排沙比數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

表2 蓄洪方案排沙比數(shù)據(jù)

4.2 蓄洪排沙運(yùn)用方案

1)水庫(kù)淤積量及分布。較蓄洪運(yùn)用方案的水庫(kù)淤積量，該方案存在一定的減少趨勢(shì)，且降低幅度有限，其原因?yàn)閴吻八唤档头仍谂派称陂g較小。

2)淤后庫(kù)容。有效庫(kù)容淤積損失比例在不同運(yùn)行年限下分別為81.0%、51.8%、39.2%、33.1%、19.6%，方案2水庫(kù)淤積容積變化特征，見(jiàn)圖2。

圖2 方案2水庫(kù)淤積容積變化特征

3)水庫(kù)排沙比。洪水來(lái)臨之前，雖然該方案采用降低庫(kù)水位的方式排沙，但壩前水位減少程度較小，排沙比整體處于較低水平。蓄洪排沙方案排沙比數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

表3 蓄洪排沙方案排沙比數(shù)據(jù)

4.3 分階段蓄洪運(yùn)用方案

1)水庫(kù)淤積量及分布。較蓄洪運(yùn)用方案的泥沙淤積量，該方案有所降低，且隨著水庫(kù)運(yùn)行水位分階段抬高其淤積量減小幅度呈降低趨勢(shì)，具體為：水庫(kù)運(yùn)行至10a、50a和100a的減小幅度依次為33.5%、19.2%和14.1%，以100a運(yùn)行年限為例，托兒干支流、匯河口以下和托滿(mǎn)河庫(kù)段的淤積量占比依次為7.4%、37.2%、55.4%。

2)淤后庫(kù)容。有效庫(kù)容淤積損失比例在不同運(yùn)行年限下分別為79.3%、44.7%、25.1%、17.5%、6.0%。方案3水庫(kù)淤積容積變化特征，見(jiàn)圖3。

圖3 方案3水庫(kù)淤積容積變化特征

3)水庫(kù)排沙比。壩前水位在運(yùn)行初期處于較低水平，較蓄洪運(yùn)用方案前10a的壩前平均水位底10m左右，在洪水期水流作用下有利于泥沙輸移至壩前并排除庫(kù)外，較蓄洪運(yùn)行方案其排沙比大大增加。水庫(kù)運(yùn)行10a排沙比較蓄洪方案增加3.6倍，達(dá)到41.7%，水庫(kù)排沙比變化隨著分階段庫(kù)水位的抬升和運(yùn)行年限的增大逐漸變?yōu)槠骄?。分階段蓄洪方案排沙比數(shù)據(jù)，見(jiàn)表4。

表4 分階段蓄洪方案排沙比數(shù)據(jù)

4.4 蓄清排渾運(yùn)用方案

分階段蓄洪運(yùn)用方案與該方案大致相同，選取蓄清排渾作為前10a運(yùn)行方案，具體分析如下：

1)水庫(kù)淤積量及分布。較分階段蓄洪運(yùn)用方案其泥沙淤積量有所降低，但減少程度不明顯，減小幅度在10a運(yùn)行初期為7.1%，分階段蓄洪方式與11a后的運(yùn)行方式相同，淤積量整體未呈現(xiàn)出明顯的變化。

2)淤后庫(kù)容。有效庫(kù)容淤積損失比例在不同運(yùn)行年限下分別為77.5%、43.1%、22.0%、14.5%、3.2%。方案4水庫(kù)淤積容積變化特征，見(jiàn)圖4。

圖4 方案4水庫(kù)淤積容積變化特征

3)水庫(kù)排沙比。較分階段蓄洪運(yùn)用方案其前10a平均排沙比呈一定的增大趨勢(shì)，增大幅度為4.2%。分階段蓄洪方式與11a后的排沙比運(yùn)行方式相同，不同運(yùn)行年限的平均排沙比因前10a排沙比增大的原因，較分階段蓄洪相應(yīng)階段有所增大。蓄清排渾方案排沙比數(shù)據(jù)，見(jiàn)表5。

表5 蓄清排渾方案排沙比數(shù)據(jù)

4.5 運(yùn)用方案比較

根據(jù)數(shù)值模結(jié)果，統(tǒng)計(jì)整理每1個(gè)方案的有效庫(kù)容變化情況，水庫(kù)有效庫(kù)容統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表5。根據(jù)表6可知：①蓄洪方案：運(yùn)行過(guò)程中壩前水位始終處于位于高值，因此該方案的泥沙淤積和有效庫(kù)容損失均處于較高狀況，有效庫(kù)容在運(yùn)行至100a時(shí)僅有0.305×109m3，減少率達(dá)到80%以上；②蓄洪排沙方案：盡管該方案設(shè)置了減少庫(kù)水位的措施，其壩前水位減少較低，因此其排沙效果并不顯著，以100a運(yùn)行年限為例，較蓄洪方案其有效庫(kù)容近增加了0.031×109m3;③分階段蓄洪方案：為了能夠?qū)⒛嗌齿斔椭了浪灰韵虏扇∏?0a降低水位的措施，由此大大提升了有效庫(kù)容，較蓄洪運(yùn)用方案有效庫(kù)容運(yùn)行至50a、100a時(shí)增大了0.166、0.065×109m3，增幅超過(guò)了20%;④蓄清排渾方案：以蓄清排洪作為前10a運(yùn)行方式，其初期運(yùn)行泥沙淤積量有所改善，10、20、30、50、100a運(yùn)行年限的有效庫(kù)容增加量為0.020-0.041×109m3，增幅處于3.0%-6.1%。

綜上分析，在保持有效庫(kù)容和增大水庫(kù)服役年限方面，相對(duì)于其它方案蓄清排渾或分階段蓄用存在明顯的優(yōu)勢(shì)。

表6 水庫(kù)有效庫(kù)容統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié) 論

根據(jù)河流水文情勢(shì)和來(lái)水來(lái)殺特性，對(duì)不同運(yùn)行調(diào)度方式的泥沙量利用一維不飽和全沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示：在保持有效庫(kù)容和增大水庫(kù)服役年限方面，相對(duì)于其它方案蓄清排渾或分階段蓄用存在明顯的優(yōu)勢(shì)。由于泥沙淤積在托兒干支流匯合口附近較為嚴(yán)重，很容易產(chǎn)生攔門(mén)沙坎，為進(jìn)一步分析水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題建議開(kāi)展物理模型試驗(yàn)。