關(guān)于水庫汛期排沙控制水位的論證研究
——以新疆玉龍喀什水庫為例

肖 俊

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆大部分河流為季節(jié)性河流，大水大沙時(shí)期多集中在汛期，對泥沙問題較為嚴(yán)重的水庫，汛期排沙控制水位的確定將直接關(guān)系到水庫設(shè)計(jì)過程中的規(guī)模及綜合利用指標(biāo)的確定，也將直接影響到水庫建成后的綜合運(yùn)行效益。水庫在滿足排沙控制水位泄流規(guī)模的前提下，還需要有合理的水庫運(yùn)行方式來實(shí)現(xiàn)水庫淤積控制，否則仍不能控制水庫淤積而加速損失庫容。實(shí)踐證明，無論多沙或少沙河流水庫，都有泥沙淤積問題，所以，處理泥沙問題，控制泥沙淤積是水庫運(yùn)用的主要矛盾。但泥沙處理問題往往同綜合利用發(fā)生矛盾。本文針對泥沙問題較為嚴(yán)重的水庫——新疆玉龍喀什水庫為例，進(jìn)行汛期排沙控制水位的論證研究，此項(xiàng)研究對水庫工程的設(shè)計(jì)是有必要和有意義的。

對水庫泥沙采用“攔”或“排”的調(diào)度方案，應(yīng)從工程的效益與興利指標(biāo)，因地制宜的原則予以考慮，片面地將泥沙全部攔在庫內(nèi)，或?qū)⒛嗌橙颗懦鰩焱舛际遣豢尚械?。根?jù)《泥沙設(shè)計(jì)手冊》[1]，庫沙比Kt<100的水庫不應(yīng)蓄洪運(yùn)用，可采用“蓄清排渾”的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式。玉龍喀什水庫庫沙比Kt=60.3<100，因此采用“蓄清排渾”的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式，采取主汛期適當(dāng)降低水位排沙，控制在排沙控制水位運(yùn)行。

1 水庫概況

玉龍水利樞紐位于玉龍喀什河同古孜洛克水文站上游約48 km處，是玉龍喀什河上的控制性工程。在保證向塔里木河下泄生態(tài)水量目標(biāo)的前提下，以調(diào)控生態(tài)輸水、灌區(qū)供水、防洪為主，兼顧發(fā)電等綜合利用任務(wù)。水庫正常蓄水位2170 m，相應(yīng)庫容為52 784萬m3，死水位2080 m，死庫容10 061萬m3，天然情況下庫區(qū)河床比降為11.8‰。

玉龍喀什水庫多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為1027萬t，多年平均入庫推移質(zhì)輸沙量為154萬t，以懸移質(zhì)干容重1.3t/m3，推移質(zhì)干容重1.8t/m3折算成體積，玉龍喀什水庫多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為790萬m3，多年平均入庫推移質(zhì)輸沙量為86萬m3，則庫沙比為60.3，小于壅水建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年，根據(jù)《水電工程泥沙設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB/T 35049—2015)中標(biāo)準(zhǔn)劃分，屬于泥沙問題嚴(yán)重的水庫。

2 材料與方法

2.1 水沙資料

選擇同古孜洛克水文站為玉龍喀什水庫的水沙設(shè)計(jì)代表站，以水文站1964年、1965年、1978—2016年實(shí)測資料為參證，按輸沙模數(shù)法推算玉龍喀什水利樞紐壩址斷面水沙系列。

2.2 地形觀測資料

采用庫區(qū)實(shí)測縱橫斷面進(jìn)行水庫泥沙淤積計(jì)算。

2.3 模型的數(shù)值計(jì)算方法

采用非均勻流不飽和全沙水庫數(shù)學(xué)模型進(jìn)行水庫泥沙淤積和排沙計(jì)算。水庫泥沙數(shù)學(xué)模型在具體模擬計(jì)算中采用非耦合解法，即先單獨(dú)求解水流連續(xù)方程和水流運(yùn)動(dòng)方程，待求出有關(guān)水力要素后(如流速、水深等)，再求解泥沙連續(xù)方程和河床變形方程，從而推求河床沖淤變形結(jié)果，如此交替進(jìn)行。

經(jīng)清華大學(xué)舒安平、黃委會(huì)江恩惠、朱太順、王嚴(yán)平等學(xué)者以及國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“高含沙水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究”(項(xiàng)目編號(hào)：59339170)，通過大量實(shí)測資料檢驗(yàn)，證實(shí)公式是現(xiàn)有公式中最適用于天然河流的水流挾沙力公式，目前已得到廣泛應(yīng)用[2]。因此，采用該水流挾沙力公式，可保證我們所建立泥沙數(shù)學(xué)模型正確模擬懸移質(zhì)泥沙沖淤影響。

各旬入庫流量、出庫流量和相應(yīng)的壩前水位采用徑流調(diào)節(jié)計(jì)算的連續(xù)長系列成果，各旬入庫含沙量采用相應(yīng)的實(shí)測系列值，進(jìn)行水庫泥沙淤積計(jì)算，也就是說泥沙淤積計(jì)算和徑流調(diào)節(jié)計(jì)算是完全結(jié)合的[3]。

3 汛期排沙控制水位論證

3.1 初選汛期排沙控制水位

根據(jù)《泥沙設(shè)計(jì)手冊》，對于多沙河流水庫，要以死水位作為汛期排沙控制水位，針對大量泥沙主要是洪水時(shí)挾帶來的特點(diǎn)，要求常遇洪水洪峰流量不滯洪，并且具有常遇洪水沖刷排沙能力。泥沙設(shè)計(jì)規(guī)范要求，水庫排沙水位下泄流規(guī)模應(yīng)滿足水庫排沙要求，應(yīng)不小于2年一遇洪峰流量，排沙水位下足夠的泄流規(guī)模和建設(shè)合理的泄流排沙設(shè)施是控制水庫淤積末端和長期保持調(diào)節(jié)庫容的必要條件。首先考慮死水位2080 m，作為汛期排沙控制水位，根據(jù)水工的設(shè)計(jì)依據(jù)，2080 m水位下相應(yīng)的下泄量為699 m3/s，大于2年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為692 m3/s，2080 m作為初選的汛期排沙控制水位，泄流規(guī)?？苫緷M足汛期水庫排沙的要求

3.2 進(jìn)一步論證汛期排沙控制水位

關(guān)于汛期排沙控制水位的確定，是徑流調(diào)節(jié)計(jì)算與泥沙淤積計(jì)算相互結(jié)合試算才確定下來的，兼顧水庫興利和排沙的矛盾。其過程如下：

(1)汛期排沙時(shí)段初選。玉龍喀什河6—8月3個(gè)月是全年的大水大沙月份，其多年平均輸沙量占到全年輸沙總量的93%以上，其中6月份的多年平均輸沙量占全年輸沙量的18.8%、7月份的多年平均輸沙量占全年輸沙量的42.2%、8月份的多年平均輸沙量占全年輸沙量的32.5%；這3個(gè)月的多年平均徑流量占到全年徑流量的78.0%以上，其中6月份的多年平均徑流量占全年徑流量的12.1%、7月份的多年平均徑流量占全年徑流量的32.6%、8月份的多年平均徑流量占全年徑流量的33.5%，水沙關(guān)系基本一致，詳見表1。

表1 玉龍喀什水利樞紐壩址斷面處多年平均懸移質(zhì)泥沙成果

基于以上分析，將6—8月3個(gè)月作為初選的汛期排沙控制水位的論證時(shí)段。

(2)細(xì)化汛期排沙時(shí)段、擬定排沙水位方案。進(jìn)一步將6—8月3個(gè)月的月時(shí)段劃分成9個(gè)旬時(shí)段進(jìn)行不同排沙水位方案的論證比選，主汛期各旬流量及輸沙率見表2。

表2 玉龍喀什水庫主汛期各旬流量及輸沙率成果表

可以看出，6月上旬—8月下旬水沙基本的對應(yīng)關(guān)系是水大沙大，并逐旬遞增，流量在8月上旬達(dá)到最大值324 m3/s，輸沙率在7月下旬達(dá)到最大值1943 kg/s，其中6月上旬和中旬的水量及沙量相對較小，8月中旬結(jié)合綜合利用要求水庫需蓄水，基于以上原因?qū)⒄撟C的重點(diǎn)時(shí)段定為6月下旬—8月上旬?？紤]兩種特殊情況即6—8月均在死水位和6—8月均在汛限水位與重點(diǎn)時(shí)段，形成17個(gè)組合方案。重點(diǎn)時(shí)段方案組合首先按單旬分別降水位，形成5個(gè)方案的單旬分別降至2080 m進(jìn)行泥沙淤積計(jì)算；然后按雙旬對這五個(gè)單旬做了組合，形成4個(gè)方案的雙旬分別降至2080 m進(jìn)行泥沙淤積計(jì)算；以此類推再按照三旬、四旬、五旬分別組合形成3個(gè)方案、2個(gè)方案、1個(gè)方案進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)和泥沙淤積的配合計(jì)算。

(3)徑流調(diào)節(jié)與泥沙淤積的配合過程。首先將不同方案的旬水位降到2080 m進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，根據(jù)以上水位下的徑流調(diào)節(jié)成果及相應(yīng)的水沙系列，進(jìn)行不同方案的水庫泥沙淤積計(jì)算；采用不同方案的水庫泥沙淤積水平年50年的庫容曲線，再進(jìn)行不同方案的徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，同時(shí)復(fù)核相應(yīng)的興利指標(biāo)，也就是說泥沙淤積計(jì)算和徑流調(diào)節(jié)計(jì)算是完全結(jié)合的。

4 分析論證確定汛期排沙控制水位

4.1 從泥沙的角度分析

由以上方案淤積計(jì)算成果可以看出，單旬組合中7月下旬剩余調(diào)節(jié)庫容最大為24 120萬m3，8月上旬次之為24 111萬m3，6月下旬剩余調(diào)節(jié)庫容最小為23 412萬m3；雙旬組合中7月中旬—7月下旬和7月下旬—8月上旬這兩種方案剩余調(diào)節(jié)庫容較大，分別為26 152萬m3、25 487萬m3，6月下旬—7月上旬方案剩余調(diào)節(jié)庫容最小為24 614萬m3；三旬組合中7月中旬—8月上旬方案剩余調(diào)節(jié)庫容最大為27 899萬m3，6月下旬—7月中旬剩余調(diào)節(jié)庫容最小26 298萬m3；四旬組合中7月上旬—8月上旬剩余調(diào)節(jié)庫容較大29 932萬m3。

圖1為不同排沙運(yùn)行水位下的淤積縱斷面圖，從圖中可以看出，隨著運(yùn)行水位時(shí)段加長，庫區(qū)泥沙是逐漸向壩前推進(jìn)的，時(shí)段越多，推進(jìn)的趨勢越為明顯[4]。因此，僅從泥沙淤積的角度來分析，水位降兩個(gè)旬的方案一定是比降一個(gè)旬的方案保留的有效庫容大，排沙效果也更好，同理降三旬比降兩旬的淤積會(huì)更少，以此類推，水位下降的時(shí)段越多，排沙效果越好，但最終要與興利相結(jié)合，綜合考慮來推薦較優(yōu)的汛期排沙控制水位方案[5]。

圖1 不同排沙運(yùn)行水位下淤積縱斷面

4.2 從興利的角度分析

4.2.1 分析特殊工況

6—8月均在死水位方案，充分考慮了汛期降低水位排沙，剩余調(diào)節(jié)庫容3.77億m3，剩余庫容最大，排沙效果較優(yōu)，但6—8月死水位排沙無法充分發(fā)揮水庫調(diào)蓄能力，無法滿足流域灌區(qū)灌溉保證率75%和向塔里木河下泄生態(tài)水量9.00億m3目標(biāo)要求。6—8月均在汛限水位方案，未考慮汛期降低水位排沙，剩余調(diào)節(jié)庫容2.26億m3，水庫泥沙淤積較嚴(yán)重，但6—8月汛限水位運(yùn)行充分發(fā)揮水庫調(diào)蓄能力，滿足流域灌區(qū)灌溉保證率75%要求，但向塔里木河下泄生態(tài)水量僅為8.81億m3，未達(dá)到9.00億m3生態(tài)水量目標(biāo)要求。通過兩組方案對比分析可以看出，6—8月排沙水位維持在汛限水位，能夠有效調(diào)蓄生態(tài)水量，可增加高效率區(qū)流量次數(shù)，減小河道輸水損失。

4.2.2 分析單旬死水位排沙方案

單旬死水位排沙方案均能滿足流域灌區(qū)灌溉保證率75%的要求，僅8月上旬死水位方案滿足向塔里木河下泄生態(tài)水量9.00億m3目標(biāo)要求，并向兵團(tuán)增供1.13億m3。通過對比分析，8月上旬壩址斷面天然來水較大，水庫降低水位排沙的同時(shí)，可兼顧生態(tài)補(bǔ)水，因此，8月上旬降低水位排沙效果較好。

4.2.3 分析雙旬死水位排沙方案

雙旬死水位排沙方案中各方案均能滿足流域灌區(qū)灌溉保證率75%的要求，僅7月下旬—8月上旬死水位排沙方案滿足向塔里木河下泄生態(tài)水量9.00億m3目標(biāo)要求，并向兵團(tuán)增供1.16億m3。通過對比分析，7月下旬—8月上旬壩址斷面徑流及輸沙量均較大，采用死水位排沙使水庫兼顧排沙和下泄生態(tài)相對較優(yōu)。

4.2.4 分析三旬、四旬和五旬死水位排沙方案

各方案均能滿足流域灌區(qū)灌溉保證率75%的要求，但均不滿足9.00億m3生態(tài)水量目標(biāo)要求。

通過對各排沙水位比選方案成果對比分析可以看出，各汛期排沙水位方案中僅8月上旬死水位方案和7月下旬—8月上旬死水位方案滿足向塔里木河下泄9.00億m3生態(tài)水量目標(biāo)要求，并分別向兵團(tuán)增供1.13億m3和1.16億m3。其余各方案中除6—8月死水位方案不能滿足流域灌區(qū)灌溉保證率75%的要求，其他方案均能夠滿足灌溉要求，但肖塔斷面下泄生態(tài)水量均不滿足9.00億m3要求。

針對8月上旬死水位方案和7月下旬—8月上旬死水位方案進(jìn)行對比分析，8月上旬死水位方案剩余調(diào)節(jié)庫容2.41億m3，兵團(tuán)增供1.13億m3；7月下旬—8月上旬死水位方案剩余調(diào)節(jié)庫容2.55億m3，兵團(tuán)增供1.16億m3，7月下旬—8月上旬死水位方案剩余調(diào)節(jié)庫容和兵團(tuán)增供水量均較大，綜合考慮采用7月下旬—8月上旬死水位方案為初選的推薦方案。

4.2.5 汛期排沙水位細(xì)化論證

(1)7月中旬排沙水位比選。在初選的推薦7月下旬、8月上旬死水位方案的基礎(chǔ)上，考慮到6月的水量及沙量相對較小，6月維持在汛限水位2169.0 m運(yùn)行，8月中旬為滿足流域綜合利用要求，水庫需蓄水，針對7月中旬在汛限水位與死水位之間以水位間隔15 m擬定了七組排沙水位方案進(jìn)一步細(xì)化比選，各比選方案計(jì)算成果見表3[6]。

表3 玉龍喀什水利樞紐工程7月中旬排沙水位比選方案成果表

通過各方案計(jì)算成果對比分析，從方案1～方案7，隨著7月中旬水庫排沙水位逐步降低，水庫調(diào)節(jié)庫容呈遞增趨勢，調(diào)節(jié)庫容由25 487萬m3增加到27 899萬m3，調(diào)節(jié)庫容增加2412萬m3，增幅9.5%；各方案均能滿足灌溉保證率75%的要求，而從下泄塔里木河生態(tài)水量分析，隨著7月中旬汛限水位的降低，肖塔斷面收到的水量由9.00億m3遞減至8.83億m3，僅方案1能滿足多年平均下泄塔里木河生態(tài)水量9.00億m3的目標(biāo)；從多年平均年發(fā)電量分析，隨著7月中旬汛限水位的降低，多年平均年發(fā)電量由5.15億kW·h減小到5.11億kW·h。

(2)7月上旬—7月中旬排沙水位比選。在初選的推薦7月下旬—8月上旬降低水位排沙的基礎(chǔ)上，針對7月上旬—7月中旬在汛限水位與死水位之間以水位間隔15 m擬定了七個(gè)排沙水位方案進(jìn)一步細(xì)化比選，各比選方案計(jì)算成果見表4[7]。

表4 玉龍喀什水利樞紐工程7月上旬—7月中旬排沙水位成果表

通過各方案計(jì)算成果對比分析，從方案1～方案7，隨著7月上旬—7月中旬水庫排沙水位逐步降低，水庫調(diào)節(jié)庫容呈遞增趨勢，調(diào)節(jié)庫容由25 487萬m3增加到29 932萬m3，調(diào)節(jié)庫容增加4445萬m3，增幅17.4%；各方案均能滿足灌溉保證率的要求，而從下泄塔里木河生態(tài)水量分析，隨著7月上旬—7月中旬汛限水位的降低，肖塔斷面收到的水量由9.00億m3遞減至8.62億m3，僅方案1能滿足多年平均下泄塔里木河生態(tài)水量9.00億m3的目標(biāo)；從多年平均年發(fā)電量分析，隨著7月上旬—7月中旬汛限水位的降低，多年平均年發(fā)電量由5.15億kW·h減小到5.08億kW·h。

(3)7月上旬—7月中旬滿足9.00億m3要求排沙水位試算。在7月上旬和7月上旬—7月中旬排沙水位比選成果的基礎(chǔ)上，針對7月上旬、7月中旬和7月上旬—7月中旬三個(gè)方案滿足肖塔斷面生態(tài)水量9.00億m3要求情況下，所能達(dá)到的最低排沙運(yùn)行水位進(jìn)行試算[8]。各比選方案計(jì)算成果見表5。

表5 玉龍喀什水利樞紐工程7月上旬、7月中旬和7月上旬—7月中旬排沙水位成果表

當(dāng)7月上旬降低至2146 m時(shí)，剩余調(diào)節(jié)庫容2.57億m3，兵團(tuán)預(yù)留1.10億m3，肖塔斷面水量滿足9.00億m3要求；當(dāng)7月中旬降低至2165 m時(shí)，剩余調(diào)節(jié)庫容2.56億m3，兵團(tuán)預(yù)留1.10億m3，肖塔斷面水量滿足9.00億m3要求；當(dāng)7月上旬—7月中旬降低至2165 m時(shí)，剩余調(diào)節(jié)庫容2.57億m3，兵團(tuán)預(yù)留1.10億m3，肖塔斷面水量滿足9.00億m3要求。經(jīng)對比分析可以看出，以上三種組合方案均能滿足流域灌區(qū)灌溉保證率75%的要求，滿足向塔里木河下泄生態(tài)水量9.00億m3目標(biāo)要求，并向兵團(tuán)增供1.10億m3，各方案剩余調(diào)節(jié)庫容變化不大，最大調(diào)節(jié)庫容為2.57億m3，最小調(diào)節(jié)庫容為2.55億m3，僅相差0.02億m3。

6 結(jié) 論

綜合上述分析，經(jīng)過多方案論證，本次推薦采用7月上中旬2165 m、7月下旬和8月上旬降至死水位2080 m方案運(yùn)行，其他旬在汛限水位運(yùn)行，這種運(yùn)行方案的剩余調(diào)節(jié)庫容相對較大，同時(shí)能滿足綜合利用的要求。