考慮排沙運(yùn)用的巴家咀水庫興利調(diào)度研究

蔡蕁 魏國梁 史漢忠

摘 要：巴家咀水庫位于甘肅黃土地貌地區(qū)，天然來水含沙量大，庫區(qū)泥沙淤積嚴(yán)重，是典型的承擔(dān)排沙任務(wù)的供水水庫，亟需編制綜合考慮排沙與供水運(yùn)用的調(diào)度規(guī)程。為此分析了巴家咀水庫來沙與排沙特性，提出一種基于實(shí)測排沙數(shù)據(jù)采用線性回歸分析擬合的排沙能力反正切函數(shù)，確定了7、8月份為主要排沙期，提出敞泄排沙與蓄清排渾兩種排沙方案，分別采用迭代方程試算蓄水指示線，繪制水庫興利、排沙綜合調(diào)度圖，結(jié)合排沙能力函數(shù)模擬多年排沙調(diào)度過程，通過比較排沙與興利之間的銜接及排沙能力對(duì)供水保障的影響，最終確定排沙期采用蓄清排渾方式排沙，并制定綜合調(diào)度方案。

關(guān)鍵詞：排沙;興利調(diào)度;排沙能力函數(shù);蓄清排渾;巴家咀水庫

Abstract：Bajiaju Reservoir is located in the loess geomorphology area in Gansu Province where confronts serious water resources shortage and large amount of sediment transportation and sedimentation problems. It is a typical water supply reservoir undertaking sediment discharge task. Thus， the operation regulation is urgently needed to work out with comprehensive consideration of sediment discharge and water supply. The characteristics of coming sediment and sediment discharge of Bajiaju Reservoir were analyzed. A linear reversed inverse tangent sediment ejection capacity function based on real sediment discharge data was proposed. The main sediment discharge period was determined as July and August. The two sediment discharge schemes of free sediment discharging and storing clear water and releasing the muddy were adopted. The water retaining indicator curves were calculated by a set of iterative equations. The profiting and sediment discharge operation chart was then obtained. The long-term sediment operation was simulated by adopting sediment discharge capacity function. Considering better transform between sediment discharge and profiting and the influence to the water supply assurance due to sediment discharge capacity， the storing clear water and releasing the muddy scheme was eventually adopted and the integrated regulation was determined.

Key words： sedimentdischarge; profiting regulation; sediment discharge capacity function; storing clear water and releasing the muddy; Bajiaju Reservoir

水庫調(diào)度是水庫發(fā)揮既定效益的主要手段。在中國中部偏北部黃土地貌地區(qū)，水庫上游來水含沙量大，水庫在發(fā)揮興利功能的同時(shí)，必須規(guī)劃合理的排沙調(diào)度計(jì)劃，否則庫區(qū)泥沙淤積將減少水庫興利與防洪庫容，影響水庫發(fā)揮正常功能[1]。但排沙調(diào)度與興利調(diào)度在用水需求上存在矛盾，在西北地區(qū)，天然來水量較少，用水緊張，排沙與興利矛盾顯得尤為突出，只有科學(xué)地排沙，才能最大化發(fā)揮水庫綜合效益[2]。

巴家咀水庫位于甘肅省黃土地貌地區(qū)，天然來水含沙量大，工程建設(shè)的最初目的是收集水沙運(yùn)動(dòng)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，研究水庫泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理與機(jī)制，因此配備有巴家咀水庫專用水文實(shí)驗(yàn)站，量測了多年水沙數(shù)據(jù)，并取得了部分成果。1985年廖咸祖[3]對(duì)巴家咀水庫實(shí)測資料進(jìn)行了初步分析，研究了其高含沙異重流流動(dòng)特性、阻力特性及輸沙特性等，揭示了巴家咀水庫排沙比變化規(guī)律;1987年焦恩澤[4]提出了輸沙率與流量的關(guān)系，揭示了巴家咀水庫淤積成因。以上研究未提出明確的輸沙、排沙能力估算公式。

由于工程最初的主要功能不包括向城市供水，因此工程運(yùn)行中未制訂可持續(xù)的排沙運(yùn)用調(diào)度計(jì)劃。隨著巴家咀水庫周邊社會(huì)環(huán)境的發(fā)展，下游慶陽市城市用水需求不斷增大，水庫主要功能開始向供水轉(zhuǎn)移，負(fù)責(zé)保障慶陽市城市用水，并逐步成為慶陽市唯一水源。由于巴家咀庫區(qū)泥沙淤積形勢嚴(yán)峻，高程1 104.30 m以下淤積率達(dá)100%，正常蓄水位1 115.00 m以下淤積率達(dá)78.45%[5]，每年入庫泥沙不斷侵占水庫有效興利庫容，因此必須盡快制定有效合理的排沙與供水規(guī)劃[6]，協(xié)調(diào)解決其興利與排沙調(diào)度的矛盾。

1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

巴家咀水庫位于慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)，在西峰區(qū)以西17 km的涇河支流蒲河中游，是一座以防洪和城市供水為主，兼顧生態(tài)補(bǔ)水功能的大（2）型年調(diào)節(jié)水庫，總庫容5.4億m3，控制流域面積3 522 km2。巴家咀水庫所在蒲河發(fā)源于甘肅省環(huán)縣磚城子。蒲河中上游為黃土丘陵溝壑區(qū)，溝谷發(fā)育，河道陡峻;下游為黃土塬區(qū)，地勢平坦;流域內(nèi)植被覆蓋較差，黃土裸露，水土流失嚴(yán)重。

水庫正常蓄水位為1 115.00 m，設(shè)計(jì)興利庫容為0.250億m3，現(xiàn)狀興利庫容為0.054億m3;水庫死水位為1 095.00 m，死庫容為0.004億m3，現(xiàn)已淤滿。巴家咀水庫配套五臺(tái)山及南小河溝引水式調(diào)蓄水庫在排沙期協(xié)調(diào)供水，南小河溝水庫調(diào)節(jié)庫容為50萬m3，五臺(tái)山水庫設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)庫容為573萬m3。

水庫配備泄洪洞、增建泄洪洞及溢洪道等泄洪排沙工程。泄洪洞為短管進(jìn)口明流洞，圓形斷面，洞徑4 m，最大泄流量103 m3/s，進(jìn)口底板高程1 085.50 m，出口位于南小河溝水庫;增建泄洪洞為明流城門洞型，凈尺寸（寬×高）為5 m×7.5 m，最大泄洪能力514.5 m3/s，進(jìn)口底板高程1 085.00 m，出口設(shè)在南小河溝;溢洪道控制段為兩孔開敞式WES實(shí)用堰，堰頂高程1 106.00 m，溢流孔口尺寸（寬×高）為13 m×10.3 m，設(shè)計(jì)、校核流量分別為3 056.8、4 708.5 m3/s。

水庫多個(gè)泄水設(shè)施為排沙運(yùn)用提供了工程基礎(chǔ)。同時(shí)，巴家咀水庫配備有專用水文站，用于測量入庫水量與沙量等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)翔實(shí)可信且系列較長，具備良好的泥沙研究基礎(chǔ)條件。

2 水沙特性分析

2.1 來沙特性分析

（1）水庫入庫洪水猛漲猛落、峰高量小歷時(shí)短、來沙集中、含沙量高。入庫洪水過程呈猛漲猛落尖瘦型，洪峰歷時(shí)一般不超過20 h，短則2～3 h。暴雨洪水造成的沙量占較大比例，按流量大于50 m3/s為洪水期計(jì)，洪水期累計(jì)來水量18.55億m3、占總來水量的34.2%，來沙量9.66億t、占總來沙量的78.3%;非洪水期累計(jì)來水量35.64億m3、占總來水量的65.8%，來沙量2.67億t、占總來沙量的21.7%。

（2）水沙量年際年內(nèi)分配不均。水庫年最大來水量27 875萬m3（1958年），最小來水量7 769萬m3（1965年）;年最大來沙量10 395萬t（1964年），最小來沙量419萬t（1952年）。入庫水沙年內(nèi)分配與降水年內(nèi)分配基本一致，水、沙多集中在7—8月，而沙之集中更甚于水。據(jù)1951—2017年統(tǒng)計(jì)，7—8月水量6 098萬m3、占全年水量的46.7%，沙量2 272萬t、占全年沙量的79.8%;7—9月水量7 290萬m3、占全年水量的55.8%，沙量2 456萬t、占全年沙量的86.2%;10—6月水量5 770萬m3，沙量393萬t。

2.2 排沙特性分析

依據(jù)巴家咀水庫實(shí)測排沙資料，結(jié)合三門峽水庫[7-8]、汾河水庫[9-10]、官廳水庫[11-12]部分實(shí)測資料，建立水庫排沙比公式：擬合的反正切函數(shù)排沙能力曲線如圖1所示，由圖1可知，V/Q出·Q入/Q出越大，η越小，排沙比中值為58.31%，曲線較好地?cái)M合了排沙實(shí)測數(shù)據(jù)。

3 興利與排沙調(diào)度分析

3.1 排沙方案與限制水位

水庫排沙時(shí)庫水較為渾濁，不能用于正常供水，排沙時(shí)段與供水時(shí)段分開，不含重疊部分。巴家咀水庫洪水期累計(jì)來沙量9.66億t，占總來沙量的78.3%，而洪水主要集中在7、8月份，因此將7月1日—8月31日定為排沙時(shí)段是合適的?？紤]如下兩種排沙方案：①排沙期水庫敞泄排沙，溢洪道保持敞開，水位降低至實(shí)際空庫水位1 104.30 m，其他月份庫水位超過正常蓄水位時(shí)結(jié)合防洪調(diào)度實(shí)施相機(jī)排沙;②排沙期水庫蓄清排渾，當(dāng)入庫流量小于50 m3/s時(shí)水庫蓄水并控制庫水位不超過汛限水位1 111.00 m，當(dāng)入庫流量大于50 m3/s時(shí)開啟溢洪道敞泄排沙，其他月份庫水位超過正常蓄水位時(shí)結(jié)合防洪調(diào)度實(shí)施相機(jī)排沙。

結(jié)合水庫汛限水位與正常蓄水位，水庫調(diào)度運(yùn)用限制水位見表1。

3.2 水沙平衡模擬計(jì)算

慶陽市城市用水設(shè)計(jì)水平年規(guī)劃供水總量1 566萬m3，供水規(guī)模4.29萬m3/d，設(shè)計(jì)供水保證率為90%。

巴家咀水庫水文年為6月至次年5月，對(duì)1951—2017年共計(jì)67 a入庫水量進(jìn)行頻率分析，由P-Ⅲ型曲線配線確定巴家咀水庫設(shè)計(jì)保證率為90%的天然來水量為4 766.09萬m3。蒸發(fā)量采用巴家咀水文測站實(shí)測多年平均蒸發(fā)強(qiáng)度1 503.5 mm與水庫庫水面積之積計(jì)。

在95%頻率附近，根據(jù)“三性審查”原則選取2014年6月—2015年5月、2011年6月—2012年5月、2017年6月—2018年5月、2016年6月—2017年5月、2015年6月—2016年5月作為典型水文年，將入庫水量由水量平衡試算修正，得各典型水文年入庫水量過程，見表2。

對(duì)各典型年修正后的來水過程，選擇起調(diào)日期為水文年初始日期前一日即5月31日，逆時(shí)序迭代試算起調(diào)水位與供水過程，迭代方程如下：

試算過程滿足水量平衡方程及上述限制水位邊界條件，同時(shí)為保證慶陽市區(qū)用水，水庫供水期間控制庫水位不低于1 107.00 m，作為應(yīng)急備用水源。依據(jù)以上方法與條件試算求得各典型年蓄水指示線。水庫供需水量平衡分析試算結(jié)果見表3。

根據(jù)各典型年蓄水指示線試算結(jié)果繪制水庫蓄水指示線，取各年指示線的上包線與下包線，即可得到水庫供水調(diào)度的上、下基本調(diào)度線，采用描點(diǎn)法繪制水庫調(diào)度圖，如圖2所示。

假定每年汛期發(fā)生頻率為95%的洪水，洪水期與非洪水期來沙量按多年平均入庫沙量計(jì)，排沙能力按式（3）計(jì)算，考慮多年運(yùn)行情況，兩種排沙方案水庫淤積過程如圖3所示。

排沙期巴家咀水庫停止供水，此時(shí)五臺(tái)山水庫與南小河溝水庫代替其完成供水任務(wù)，需計(jì)算分析五臺(tái)山水庫與南小河溝水庫興利能力。

由天然來水頻率可知，巴家咀水庫設(shè)計(jì)保證率90%的天然來水量（徑流量）為4 766.09萬m3，而設(shè)計(jì)平水年需水量為3 643.53萬m3，對(duì)應(yīng)保證率為95.44%，在滿足設(shè)計(jì)平水年需水量時(shí)，設(shè)計(jì)保證率下的天然來水量每年可剩余1 122.56萬m3，其中：汛期余水約占55%，為617.41萬m3;非汛期余水約占45%，為505.15 m3。五臺(tái)山水庫建成后，可在水質(zhì)清澈時(shí)通過引水工程將巴家咀水庫多余水量儲(chǔ)備于五臺(tái)山水庫，五臺(tái)山水庫蓄滿保證率（蓄滿率）在90%以上。汛期五臺(tái)山水庫蓄滿時(shí)，按4.8萬m3日供水量計(jì)，可滿足約120 d供水，基本解決慶陽市汛期供水緊張問題，并協(xié)助巴家咀水庫完成排沙任務(wù)。

3.3 調(diào)度方案比選分析

由水量平衡試算結(jié)果（表3）可知，兩種調(diào)度方案下巴家咀水庫天然來水均可保證慶陽市供水，供水保證率均為95.44%。

從調(diào)度過程（見圖2）來看，方案1由于7、8月份敞泄排沙，期間庫水位降低至1 104.30 m（實(shí)際死水位），至9月水庫需要供水時(shí)，水庫蓄水量較少，供水能力存在銜接不上的可能，因此需要五臺(tái)山及南小河溝水庫幫助供水，增大了反調(diào)節(jié)水庫的供水壓力;方案2采用蓄清排渾策略，7、8月排沙過程中不會(huì)放空水庫，保持庫水位在汛限水位，僅來洪時(shí)排沙，至9月供水時(shí)水庫存水較多，能夠保障排沙與供水之間的銜接。

從多年淤積過程（見圖3）來看，由于敞泄排沙的排沙比與排沙量均高于蓄清排渾，方案1多年累計(jì)淤積率低于方案2，因此多年運(yùn)行后方案1有效興利庫容高于方案2?，F(xiàn)狀興利庫容為538萬m3，兩個(gè)方案在運(yùn)行20 a后來沙與排沙基本達(dá)到平衡，此時(shí)方案1興利庫容淤積率為18.83%，有效興利庫容為436.72萬m3，實(shí)際死水位將提高至1 106.02 m;方案2興利庫容淤積率為23.52%，有效興利庫容為411.47萬m3，實(shí)際死水位將提高至1 106.86 m。雖然蓄清排渾淤積量較敞泄排沙高，但由于設(shè)計(jì)安全取水水位為1 107.00 m，高于兩方案多年運(yùn)行淤積死水位，因此多年運(yùn)行后兩方案剩余有效興利庫容均可滿足城市供水要求。

綜上所述，由于方案2能夠保障排沙期與供水期之間的轉(zhuǎn)換銜接，雖然排沙量小于方案1，但多年運(yùn)行后剩余有效興利庫容仍可滿足城市供水要求，因此推薦采用方案2進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度過程見圖2（b），具體調(diào)度方案如下：①當(dāng)庫水位位于上、下基本調(diào)度線之間時(shí)，按需求供水;②當(dāng)庫水位高于上基本調(diào)度線時(shí)，按需求供水，視情況向五臺(tái)山、南小河溝水庫輸出多余水量;③當(dāng)庫水位位于下基本調(diào)度線至死水位之間時(shí)，優(yōu)先滿足居民生活用水，停止生態(tài)用水，減少工業(yè)企業(yè)、公共設(shè)施與環(huán)境等用水量，并由五臺(tái)山、南小河溝水庫協(xié)助供水;④水庫排沙期（7—8月），當(dāng)入庫流量小于50 m3/s時(shí)水庫蓄水，并控制庫水位不超過汛限水位1 111.00 m，當(dāng)入庫流量大于50 m3/s時(shí)開啟溢洪道敞泄排沙，排沙期巴家咀水庫停止供水，改由五臺(tái)山、南小河溝水庫供水;⑤水庫非排沙期庫水位超過正常蓄水位時(shí)，結(jié)合防洪調(diào)度實(shí)施相機(jī)排沙。

4 結(jié)論與展望

針對(duì)巴家咀水庫興利與排沙矛盾，結(jié)合水庫水沙特性，研究了排沙方案，協(xié)調(diào)分配了排沙與興利任務(wù)，制定了符合規(guī)范的水庫綜合調(diào)度規(guī)程，得出如下結(jié)論。

（1）分析水庫來沙與排沙特性，提出一種反正切函數(shù)用于擬合排沙能力，基于實(shí)測排沙資料采用線性回歸分析擬合了排沙能力曲線，擬合結(jié)果表明該反正切函數(shù)曲線表示排沙能力較為合適。

（2）根據(jù)水庫來沙與排沙特性，提出敞泄排沙與蓄清排渾兩種排沙方案，基于水沙平衡計(jì)算結(jié)合排沙能力曲線模擬多年水沙調(diào)度過程，通過比較排沙與興利之間的銜接及排沙能力對(duì)供水保障的影響，最終確定排沙期采用蓄清排渾方式排沙。

（3）巴家咀水庫為典型的承擔(dān)排沙任務(wù)的供水水庫，興利與排沙綜合調(diào)度研究平衡了排沙與供水需求矛盾，可為類似工程提供參考依據(jù)。

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【責(zé)任編輯 張 帥】