多沙河流水庫淤積影響評價及對策分析

劉 江，張宗亮

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

1 項目背景

英吉沙縣位于新疆喀什地區(qū)境內(nèi)，全縣人口29.38萬人，其中維吾爾族占總?cè)丝诘?0%以上，耕地面積35.87萬畝，灌溉面積59萬畝，人均耕地僅有1.5畝，是典型的沙漠干旱區(qū)，是以農(nóng)牧業(yè)為主的縣，工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，農(nóng)牧民的收入低，縣財政不足以支付本縣的經(jīng)濟開支，屬國家級貧困縣。

沙汗水庫位于英吉沙縣城東南方向約5 km處，是喀什噶爾河流域庫山河岔河沙汗溝末端的平原區(qū)內(nèi)，是一座平原中型水庫。水庫壩長2300 m，最大壩高22 m，原設(shè)計總庫容5600萬m3，是一座具有灌溉、防洪等綜合用途的水利樞紐工程[1]。沙汗水庫是控制耕地20萬畝，灌溉面積24.84萬畝，對該縣的經(jīng)濟起著決定性的作用。沙汗水庫主要水源有四個[2]：依格孜牙河河水、庫山河引水、庫依兩河之間的淺山降水以及沙汗溝泉水。

(1)依格孜牙河洪水是沙汗水庫的主要水源，依格孜牙河全長110 km，集水面積1340 km2，多年平均徑流量1.12×108m3，屬于降雨、季節(jié)性積雪和暴雨補給型河流。

(2)庫山河位于水庫西南面，全長232 km，河源海拔高程7546 m，流域面積6950 km2，多年平均徑流量6.52×108m3，徑流量年季變化較穩(wěn)定。該河屬于冰川融雪補給型河流。庫山河進入沙汗水庫的水量通過木華里渠首控制，最大引水流量為30 m3/s。

(3)庫依兩河間共有小山洪溝21條，這些山洪溝均為季節(jié)性洪溝。區(qū)間集水面積共454 km2。這些洪溝產(chǎn)生的洪水均注入沙汗水庫。

(4)沙汗水庫進庫泉水水量比較穩(wěn)定，年平均值為0.731×108m3，年平均流量2.30 m3/s。

2 泥沙運動規(guī)律

沙汗水庫的泥沙主要是洪水期匯流沖刷侵蝕作用強烈，水流含沙量很大，洪水攜帶大量泥沙泄入庫中，造成水庫淤積，水庫泥沙淤積以懸移質(zhì)為主。根據(jù)1967年和1997年實測庫容曲線及水庫淤積情況推求泥沙淤積量。懸移質(zhì)泥沙平均每年淤積沙汗水庫庫容102.6×104m3，推移質(zhì)取懸移質(zhì)的10%。沙汗水庫運行時間較短，泥沙淤積緊密度相對疏松。參考有關(guān)資料，取折算系數(shù)1.6計算進庫泥沙的總量。沙汗水庫平均每年的淤積總量為93.32×104m3。沙汗水庫為多泥沙河流上修建的中型水庫，泥沙淤積類型為典型的錐體淤積[3]。此種淤積形態(tài)的主要特點是壩前淤積多，泥沙淤積很快發(fā)展到壩前，形成淤積錐體，與大型水庫先在上游淤積然后向壩前推進發(fā)展的淤積形式完全不同。當水庫淤滿后，河床縱比降比原河床縱比降小，此后淤積繼續(xù)向上游發(fā)展。

沙汗水庫泥沙淤積具有多沙河流上水庫普遍地存在的“淤積一大片，沖刷一條帶”[4]的特點和規(guī)律。這就是水庫淤積在橫斷面上的分布基本上是平淤的，庫區(qū)橫斷面不存在明顯的灘槽形態(tài)，出現(xiàn)“淤積一大片”的特點。當庫水位下降時，如果水庫具有足夠大的泄流能力，并采取經(jīng)常泄空的運用方式，則庫區(qū)將拉出一條深槽，恢復(fù)橫斷面上灘槽分明的河道形態(tài)，形成一個有灘有槽的復(fù)式斷面，出現(xiàn)“沖刷一條帶”的特點。

多沙河流水庫在淤積過程中，橫斷面的發(fā)展變化，一般還具有“死灘活槽”的規(guī)律。即灘地只淤不沖，灘面逐年淤高；主槽則有淤有沖，在采用合理的運用方式的條件下，淤廢的主槽可以復(fù)活，使庫區(qū)保持一條相對穩(wěn)定深槽，不致被泥沙淤死。

3 歷次整治工程

沙汗水庫自1967年建成運行以來，經(jīng)過30多年的運行，庫區(qū)淤積嚴重，如果不進行除險加固措施，根據(jù)目前年淤積100萬m3的速度，15年后水庫興利庫容將被淤死，將極大地制約英吉沙縣農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，英吉沙水利局先后進行過兩次清淤整治：

第一次：2008年英吉沙水利局對沙汗水庫進行了除險加固，2009年除險加固施工完成。

第二次：2011年～2013年，沙汗水庫又實施了水庫清淤，為了對壩前進行清淤，英吉沙縣水利局在庫中建設(shè)庫中壩，繼而對壩前泥沙進行了清淤，恢復(fù)了死庫容。

4 庫容曲線對比

為詳細評價每次整治工程的效果，英吉沙縣水利局組織測量單位實施了水下地形測量[5-6]，分別繪制了水庫整治前以及各次工程整治后的庫容～水位曲線[7]，對其進行對比，通過對比分析泥沙淤積趨勢，找出主要原因，以便針對性的提出防淤策略。

4.1 整治前庫容

依據(jù)《英吉沙縣沙汗水庫除險加固工程初步設(shè)計報告》，水庫除險加固前，水庫庫容參數(shù)如下：

(1)沙汗水庫原設(shè)計死庫容800×104m3，運行30多年來，水庫庫區(qū)目前已淤積3000×104m3，淤積面已達到1322.0 m，高于涵洞進口8.5 m，原設(shè)計死庫容已被淤積。

(2)水庫正常蓄水位為1324.1 m，對應(yīng)庫容1577×104m3。

水庫除險加固前庫容曲線見表1[1]。

表1 沙汗水庫除險加固前水位～庫容數(shù)值表

4.2 除險加固后的庫容

沙汗水庫除險加固工程實施后，消除了水庫存在的險情，恢復(fù)了部分興利庫容，水庫總庫容達到3185×104m3，2010年水庫采取水力清淤(人工輔助)措施后，預(yù)計水庫增加庫容500×104m3。除險加固后的庫容參數(shù)如下：

(1)水庫死水位為1321.4 m，死庫容200×104m3。

(2)水庫正常蓄水位為1324.1 m，對應(yīng)庫容2100×104m3。

(3)水庫設(shè)計洪水位為1324.71 m。對應(yīng)庫容2622×104m3。

(4)水庫校核洪水位為1325.24 m，對應(yīng)庫容3185×104m3。

沙汗水庫除險加固后水位～庫容數(shù)值見表2。

表2 沙汗水庫除險加固后水位～庫容數(shù)值表

4.3 第二次清淤后庫容

2011年～2013年，沙汗水庫又實施了水庫清淤，為了對壩前進行清淤，英吉沙水利局在庫中建設(shè)庫中壩，繼而對壩前泥沙進行了清淤，恢復(fù)了死庫容，第二次清淤后的庫容參數(shù)如下：

(1)水庫死水位為1321.4 m，死庫容455×104m3。

(2)水庫正常蓄水位為1324.1 m，對應(yīng)庫容2096×104m3。

(3)水庫設(shè)計洪水位為1324.71 m。對應(yīng)庫容2594×104m3。

(4)水庫校核洪水位為1325.24 m，對應(yīng)庫容3031×104m3。

沙汗水庫第二次清淤后水位～庫容數(shù)值見表3。

表3 第二次清淤后沙汗水庫水位～面積、水位～庫容關(guān)系曲線表

4.4 歷次庫容曲線對比分析

為更清晰對比兩次清淤工程的實施效果，將工程實施前后三次量測的庫容曲線放到一張圖上[8]，沙汗水庫三次測量水位～庫容關(guān)系曲線變化對比，見圖1。

圖1 沙汗水庫三次測量水位～庫容關(guān)系曲線變化對比圖

由以上圖可以看出，第一次除險加固前，沙汗水庫淤積十分嚴重，1322 m水位以下庫容全部淤死，隨著除險加固的進行，對水庫進行清淤后，增加了較多庫容，死庫容恢復(fù)到設(shè)計庫容。第二次填筑庫中壩清淤后，起到了圍堰的作用，加大了壩前清淤的力度，使得死庫容增加至455萬m3。三次量算正常蓄水位對應(yīng)庫容、死庫容及調(diào)節(jié)庫容對比，見表4。

表4 沙汗水庫三次測量水庫特征參數(shù)對比表 單位：萬m3

由表4可以看出，雖然經(jīng)過幾輪水庫清淤后，水庫庫容有所恢復(fù)，但并不能改變水庫每年淤積的泥沙量。第一次除險加固后，雖然又進行了死庫容的清淤，但受制于每年的泥沙淤積，調(diào)節(jié)庫容仍然有所減少，因此若想保住目前的調(diào)蓄能力，需保持目前每年清淤的方式，方可保證沙汗水庫能夠滿足下游灌區(qū)灌溉調(diào)蓄要求。

4 對策及建議

“淤積一大片，沖刷一條帶”和“死灘活槽”的概念[9]，對于水庫的正確管理運用非常重要。這個規(guī)律告訴我們：主槽庫容的損失是容易恢復(fù)的，灘地庫容的損失則是不容易恢復(fù)的。水庫的管理運用要盡量保持水庫的有效庫容，以充分發(fā)揮水庫的作用。因此，必須一方面力求避免損失灘地庫容，即在汛期含沙量高時盡量使水流不漫灘，以減少灘地淤積；另一方面，應(yīng)盡可能擴大主槽庫容，即在主槽沖刷時盡可能使它沖得更深、拉得更寬。為此，應(yīng)盡可能采取蓄清排渾或滯洪運用方式，使水庫有泄空沖刷的條件；其次，還應(yīng)盡可能加大泄流能力，并降低底孔位置，以加強主槽沖刷。

根據(jù)多泥沙水庫淤積特點和規(guī)律，沙汗水庫運行管理中應(yīng)采用以下幾種主要排沙措施：

(1)滯洪排沙：洪水到來時，盡可能空庫迎洪，或者降低水位運用。當入庫洪水流量大于泄水流量時，便會產(chǎn)生滯洪壅水；為了減輕下游洪水的負擔，可滯留一部分洪水。滯洪期內(nèi)，整個庫區(qū)要保持一定的行近流速，粗顆粒泥沙淤積在庫中，細顆粒泥沙可被水流帶至壩前排出庫外，避免蓄水運用可能產(chǎn)生的嚴重淤積。

(2)異重流排沙：在水庫蓄水期間發(fā)生洪水，當洪水具有產(chǎn)生異重流的條件時，則洪水入庫后將以異重流形式潛入庫底向壩前運動。這時應(yīng)及時打開閘門渲泄異重流，便可將一部分泥沙排走，從而減少水庫的淤積量[10]。

利用異重流排沙時，因為渾水潛入清水后將有部分渾水向清水中擴散，尤其是潛入點附近的泥沙在主槽兩側(cè)灘地上大量淤積，因而排沙效果較滯洪排沙為低。但是，異重流排沙也有其優(yōu)越性，主要是棄水量小，不會影響水庫蓄水。

(3)泄空排沙：將水庫放空，在泄空過程中回水末端將逐漸向壩前移動，因而原來淤積的泥沙也將因回水的下移而發(fā)生沖刷，特別是在水庫泄空的最后階段突然加大泄量，則沖刷效果更加顯著。

(4)基流排沙：水庫泄空后繼續(xù)打開閘門，讓含沙量較小的常流量暢行沖刷主槽，以減少水庫泥沙的淤積。

上述各種水庫排沙措施，除機械清淤外，其余幾種應(yīng)視水庫的具本情況加以聯(lián)合運用，做到因地制宜、因時制宜，最大限度排走水庫淤積的泥沙，達到減少水庫淤積的目的。