大二泉水庫淤積分析及治理措施探討

李輝發(fā)

（烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000）

1 水庫概況

1.1 水庫

烏蘇市大二泉水庫位于準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣的烏蘇市頭臺鄉(xiāng)境內(nèi)的自南向北的古河谷和天然洼地上，距烏蘇市20 km，該水庫的主要任務(wù)是引蓄奎屯河、四棵樹河的調(diào)水和攔蓄喇嘛溝河洪水，調(diào)節(jié)水量在時空上分布不均的問題和解決下游部分奎屯河灌區(qū)和車排子灌區(qū)的用水問題。該水庫是以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的平原水庫。大二泉水庫總庫容550 萬m3，由于庫區(qū)被位于古河床中間的一道土山梁隔開，分為東泄洪區(qū)和西蓄水區(qū)，其中東泄洪區(qū)庫容77 萬m3，西蓄水區(qū)庫容473 萬m3，壩型為均質(zhì)土壩，由引水渠首、引水渠道、大壩、溢洪道、放水涵洞及渠道等構(gòu)成，其中引水渠道為混凝土襯砌梯形渠道，最大設(shè)計流量5 m3/s，放水渠道同上，最大設(shè)計流量2.5 m3/s，溢洪道最大泄流量96.8 m3/s。根據(jù)《水利水工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2000），水庫規(guī)模為?。↖）型，工程等別四等，主要建筑物4 級，次要建筑物5 級。設(shè)計洪水10 年一遇，校核洪水50 年一遇。

1.2 水庫水源及調(diào)度運(yùn)行情況

大二泉水庫水源主要有三個，第一個由奎屯河農(nóng)七師引水渠道（長14.9 km，最大設(shè)計流量30 m3/s），經(jīng)八十四戶大閘分水進(jìn)入南水北調(diào)一期渠道（長12.495 km，最大設(shè)計流量5.5 m3/s），與大灣水庫放水去交匯進(jìn)入大排干渠道（長10.43 km，最大流量設(shè)計3 m3/s）進(jìn)入大二泉水庫引水渠首，2000 年以后開始使用，主要入庫時間為3 月～5 月，奎屯河年徑流量6.509 億m3。第二個由四棵樹河新渠首由向陽閘經(jīng)喇嘛溝干渠（長48 km，最大流量15 m3/s）進(jìn)入大二泉水庫引水渠首，2005 年以后開始使用，主要入庫時間為7 月～10 月，四棵樹河年徑流量3.062 億m3。第三個由將軍溝及左、右支流洪水匯集至喇嘛溝河（長70.94 km，最大洪峰流量80 m3/s），經(jīng)大二泉水庫引水渠首排濁后進(jìn)入大二泉水庫，主要入庫時間為7 月下旬～8 月上旬。

大二泉水庫歷史最高庫水位340.88 m，對應(yīng)庫容471 萬m3，發(fā)生日期2011 年10 月22 日。歷史最大入庫流量4.2 m3/s，發(fā)生日期2011 年9 月21 日。歷史最大出庫流量2.4 m3/s，及發(fā)生日期2011 年7 月8 日。

2 泥沙設(shè)計

2.1 水文站觀測點(diǎn)建立

大二泉水庫流域內(nèi)無一常規(guī)的水文觀測點(diǎn)，鄰近區(qū)域有兩個基本國家基本水文站，一個是1954 年設(shè)立的四棵樹河吉勒德水文站，另一個是1958 年設(shè)立的奎屯河加勒果拉水文站，1987 年8 月加勒果拉水文站上遷12 km，更名為將軍廟水文站。水文站主要觀測項(xiàng)目有水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、水溫、降水、蒸發(fā)、氣溫、水質(zhì)監(jiān)測。在進(jìn)行水庫初步設(shè)計時，利用加勒果拉水文站1970 年～1987 年和將軍廟水文站1988 年～1995 年實(shí)測徑流、輸沙率成果，并采用插補(bǔ)延長法[1]得到1970 年～2018 年共52 年泥沙系列。該資料滿足水文數(shù)據(jù)“三性”審查，其徑流泥沙成果可以直接應(yīng)用于大二泉水庫。

2.2 排沙方案分析

大二泉水庫現(xiàn)行運(yùn)行方式單一，水庫泥沙主要來自洪水?dāng)y砂，所以在洪水期內(nèi)低水位運(yùn)行，甚至空庫迎洪便能加速水流流速，通過水流挾帶大量泥沙排出庫外。此外，庫水位的降低還能加速回水末端淤積的水流流速，加劇有效庫容內(nèi)部分泥沙向壩前的運(yùn)動，并將其帶出庫外，降低有效庫容損失。排沙設(shè)計方案主要是基于降雨洪水預(yù)報，在其沙峰期敞泄排沙，從防洪汛限水位預(yù)泄，并在沙峰到來前敞泄至死水位，始終保持較低水位大流量排沙直至洪水結(jié)束；對于中小洪水年份，水庫蓄洪運(yùn)行，主要利用棄水過程“蓄清排濁”、重流排沙[2]。

排沙方案在頻率＞5%的洪水過程中通過水位降低實(shí)現(xiàn)集中性排沙，這與水庫防洪任務(wù)存在矛盾，為實(shí)現(xiàn)水庫防洪的目標(biāo)，必須對現(xiàn)行排沙方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，充分利用防洪庫容在洪峰到來前進(jìn)行部分洪水調(diào)蓄，實(shí)現(xiàn)削峰錯峰。

3 水庫實(shí)際淤積分析

3.1 干流泥沙實(shí)際淤積

根據(jù)大二泉水庫插補(bǔ)延長法得到的1966 年～2018 年共52 年泥沙系列數(shù)據(jù)，進(jìn)行水庫干流泥沙實(shí)際淤積情況分析。根據(jù)淤積縱剖面形態(tài)（圖1）可推斷出淤積形態(tài)為三角洲型，且淤積面向壩前方向逐年升高推進(jìn)，2018 年頂坡和前坡比降分別為0.12‰和2.19‰，三角洲洲頂高程平均為336.8 m，大二泉水庫并未達(dá)到?jīng)_淤平衡。

圖1 大二泉水庫干流淤積縱剖面

大二泉水庫干流壩前段橫剖面淤積嚴(yán)重，灘槽剖面主槽的淤積厚度（247 m）比灘地淤積厚度（218.5 m）大，壩前段淤積逐年增大且層次較為分明。隨著淤積三角洲洲頭不斷向剖面下游的推進(jìn)，庫中段剖面淤積逐年增加。

3.2 支流泥沙實(shí)際淤積

大二泉水庫庫區(qū)支流少，頭臺鄉(xiāng)引水干渠可通過流量5 m3/s，下游有4 km2容泄區(qū)，同時，部分洪水通過支渠分流到三泉水庫，三泉水庫庫容70×104m3。結(jié)合水庫歷次實(shí)測剖面資料進(jìn)行頭臺鄉(xiāng)引水干渠泥沙淤積分析。頭臺鄉(xiāng)引水干渠淤積縱剖面見圖2，頭臺鄉(xiāng)引水干渠淤積形態(tài)呈錐體，淤積體末端淤積高程基本不變，而渠口淤積高程不斷升高，淤積體比降不斷減緩，1998 年、2008 年、2010 年、2015 年、2018 年淤積體比降分別為1.10%、1.31%、1.78%、2.59%、3.86%，2018 年與2015 年相比，淤積面并未發(fā)生較大變化，說明頭臺鄉(xiāng)引水干渠從2015 年開始基本達(dá)到淤積平衡。到2018 年頭臺鄉(xiāng)引水干渠錐形淤積體淤積高程平均為335 m，與大二泉水庫庫區(qū)運(yùn)行水位平均值（340.82 m）接近。頭臺鄉(xiāng)引水干渠正常蓄水位以下庫容從1998年的550 萬m3減小為2018 年的505 萬m3；死庫容從1998 年的250 萬m3到2018 年全部損失；有效庫容也從1998 年的160 萬m3減小到2018 年的54 萬m3。

圖2 頭臺鄉(xiāng)引水干渠淤積縱剖面

3.3 實(shí)測值與設(shè)計值對比

大二泉水庫呈現(xiàn)出三角洲淤積形態(tài)，三角洲洲頂高程平均為320.18 m，從1998 年5 月水庫蓄水至2018 年年底數(shù)十年的實(shí)際運(yùn)行情況來看，庫區(qū)泥沙淤積三角洲洲頂平均高程已經(jīng)達(dá)到239 m，這也與設(shè)計值相符。注：庫容損失率是水庫淤積損失的庫容占原有庫容的百分比。

表1 大二泉水庫淤積實(shí)測值與設(shè)計值對比

從表1 對比結(jié)果可以看出，大二泉水庫總淤積量、庫容損失等計算成果比設(shè)計值偏小，水庫自1998 年5 月運(yùn)行以來～2018 年年底，有效庫容實(shí)際減小值為1920 萬m3，比設(shè)計值20 年淤積水平高，這表明，大二泉水庫淤積速度比預(yù)先設(shè)想的要快。水庫運(yùn)行5 a、10 a、15 a、20 a 后壩前淤積高程設(shè)計值分別為342.4 m、333.7 m、323.4 m、281.2 m，實(shí)測值則分別為236 m、237 m、238 m、239 m，實(shí)測值比設(shè)計值高。根據(jù)本文泥沙設(shè)計成果水庫運(yùn)行20 年淤積三角洲洲頂高程平均為237.5 m，表明水庫在運(yùn)行20 年后相同流量下水位已經(jīng)超過設(shè)計成果，淤積升高速度比設(shè)計的要快。

4 大二泉水庫淤積治理

4.1 治理工程措施

就大二泉水庫淤積的原因來看，主要包括入庫沙量增加、水庫汛期運(yùn)行水位較高等方面，這些原因共同導(dǎo)致水庫庫區(qū)淤積加快，為了有效治理泥沙淤積，2017 年8 月實(shí)施了對四棵樹河七一大渠和引洪干渠高邊坡處理工程、喇嘛溝河西湖段防洪工程，2020 年對喇嘛溝河上游段實(shí)施了將軍溝山洪災(zāi)害治理工程。

表2 大二泉水庫年排沙效果統(tǒng)計

4.2 調(diào)度措施

近年來水庫排沙效果統(tǒng)計見表2。

由表2 可知，水庫2003 年全年入庫沙量1.204 億t，淤積量為1.311 億t，出庫沙量為0.674 億t，故排沙比（一定時間內(nèi)排出水庫的泥沙與進(jìn)入水庫泥沙的比率）為84.4%，2008 年、2013 年和2018 年排沙比分別為39.2%、95.2%和63.7%，2018年水庫入庫沙量明顯增多，2003 年和2013 年大二泉水庫均處于所在流域大洪水時期，排沙比比平常年份高，說明利用大洪水過程，如果前期淤積較嚴(yán)重，在大洪水前提前預(yù)泄，降低洪水位在汛限水位以下，洪水進(jìn)庫時，由回水逐漸向壩前移動，將原來的泥沙讓回水帶動而沖刷。在回水上游沖刷時產(chǎn)生溯源沖刷，逐步地由下往上不斷進(jìn)行切割，由此便能實(shí)現(xiàn)多來多排的較為明顯的排沙沖沙效果。

5 結(jié)論

本文分析結(jié)果表明，大二泉水庫自蓄水運(yùn)行以來，由于入庫沙量增加、汛期運(yùn)行水位升高等原因，泥沙淤積速度不斷加快，壩前實(shí)際淤積高程比設(shè)計值大。如果大二泉水庫仍然能嚴(yán)格按照設(shè)計的“蓄清排濁”方式運(yùn)行，則庫區(qū)淤積和有效庫容損失定會得到一定程度的遏制。