新疆克孜爾水庫能力提升工程
——非工程措施排沙效果初探研究

◎ 肖俊 張桂林 郭華 姚鵬亮 鄭忠 新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院

隨著科技領(lǐng)域和建筑技術(shù)的發(fā)展，人們?yōu)榱烁痈咝У乩盟Y源，在二戰(zhàn)結(jié)束后世界各國(guó)開始修筑大量的水庫，然而泥沙淤積問題卻成為了影響世界各國(guó)水庫壽命的主要問題之一。我國(guó)水資源在空間和時(shí)間上分配表現(xiàn)為東南水資源優(yōu)厚，西北水資源匱乏，夏季水資源較豐富，因此建國(guó)后我國(guó)修筑了大量的水庫，但是由于排沙管理方式和泥沙計(jì)算精度等問題，造成水庫短期內(nèi)泥沙淤積嚴(yán)重。如何選擇合適的水庫泥沙淤積計(jì)算模型和排沙方式對(duì)我國(guó)水庫的運(yùn)行十分重要。

水庫泥沙問題嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)灌溉用水、降低水庫防洪能力、擴(kuò)大水庫淹沒范圍、影響航運(yùn)、降低水庫的經(jīng)濟(jì)效益。由于早期我國(guó)水庫泥沙淤積研究相對(duì)較少，水庫運(yùn)行管理方式相對(duì)較為落后，導(dǎo)致多數(shù)水庫運(yùn)行不足20年,總淤積量占原設(shè)計(jì)庫容的18.6%，因此當(dāng)代學(xué)者逐漸加大對(duì)水庫泥沙淤積計(jì)算和排沙方式的研究。常云華等人以黃河潼關(guān)到三門峽水庫的泥沙淤積為例，用實(shí)例證明表明一維非飽和不平衡輸沙異重流數(shù)學(xué)模型泥沙淤積計(jì)算結(jié)果可靠。彭?xiàng)畹热艘匀龒{庫區(qū)為例，構(gòu)建非恒定一維水沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算水庫泥沙淤積量，通過與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)理論計(jì)算十分接近實(shí)際應(yīng)用。魏向陽等人通過研究小浪底水庫汛期低水位排沙調(diào)度的排沙效果，得到低水位排沙運(yùn)用調(diào)度排沙效率高，是對(duì)水庫排沙減淤的有益探索。候素珍等人以三峽水庫汛期排沙為例，研究水庫敞泄排沙的運(yùn)行效果，得出完全敞泄時(shí)庫區(qū)沖刷取決于流量大小和敞泄時(shí)間，凈排沙效率隨著水量的增加和敞泄時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。通過前面學(xué)者的辛苦付出，推動(dòng)了當(dāng)代學(xué)者對(duì)水庫泥沙淤積的研究，學(xué)者逐漸開始研究水庫泥沙淤積計(jì)算模型以及排沙方式，進(jìn)而延長(zhǎng)水庫使用壽命，增加水庫綜合效益。

本文以克孜爾水庫為例，通過構(gòu)建一維不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型對(duì)低水位排沙和敞泄排沙兩種排沙方式進(jìn)行計(jì)算和研究，得出克孜爾水庫能力提升的非工程措施的沖淤效果的定性評(píng)價(jià)及定量評(píng)價(jià)結(jié)論，為水庫排沙的研究提供參考。

1.河流特性及水庫概況

克孜爾水庫位于新疆阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)，塔里木河水系渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河的匯合處，是一座以灌溉、防洪為主兼有水力發(fā)電等綜合利用性的大型水利樞紐工程。原設(shè)計(jì)總庫容為6.4億m，設(shè)計(jì)灌溉面積320萬畝，屬于大（1）型Ⅰ等工程。至2017年底，水庫正常蓄水位1149.6m，相應(yīng)庫容為2.858億m，死水位1135m，相應(yīng)的死庫容0.014 億m，水庫多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為1190萬m，多年平均入庫推移質(zhì)輸沙量為100萬m，則庫沙比為18.9，根據(jù)《工程泥沙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［GB/ T 50180-2018］中標(biāo)準(zhǔn)劃分，屬于泥沙問題非常嚴(yán)重的水庫。

2.基本資料

2.1 水沙資料

根據(jù)克孜爾水庫的初設(shè)報(bào)告（1989年），多年平均懸移質(zhì)入庫沙量為878萬t；根據(jù)水文站統(tǒng)計(jì)1992-2017年共26年的入庫出庫沙量以及實(shí)測(cè)的庫容推算1992～2017年多年平均入庫總沙量為1872萬t，除推移質(zhì)外，多年平均入庫懸移質(zhì)沙量為1702萬t。經(jīng)對(duì)比分析可見1992～2017年由實(shí)測(cè)淤積后庫容推算的入庫懸移質(zhì)沙量為水文站觀測(cè)值的1.60倍，是初設(shè)階段入庫懸移質(zhì)沙量的1.94倍。本次非工程措施排沙效果評(píng)價(jià)計(jì)算時(shí)，采用逐時(shí)段修正后的1992～2017年多年平均入庫懸移質(zhì)沙量1702萬t，推懸比為10%，推移質(zhì)入庫為170萬t?？俗螤査畮烊霂燧斏沉坑?jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 克孜爾水庫入庫輸沙量計(jì)算（入庫泥沙修正成果） 單位（萬t）

2.2 地形觀測(cè)資料

本次依據(jù)實(shí)測(cè)的庫區(qū)1：10000電子地形圖，采用地形圖量算的水位～面積～庫容關(guān)系與歷次量算的水位～面積～庫容關(guān)系分析水庫泥沙的變化情況。

3.水庫實(shí)際運(yùn)行后淤積情況

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行水位可以看出未按照初步設(shè)計(jì)的運(yùn)行20年后泄空沖沙方案運(yùn)行，也未按照除險(xiǎn)加固的水庫6～7月在死水位排沙的方案運(yùn)行。水庫運(yùn)行至2017年，水庫死庫容基本淤平，主要淤積增量位于汛期限制水位以下，2007～2017年期間汛期限制水位以下淤積總量為1.425×10m，占總淤積量的99.78%，平均每年淤積量為0.1123×10m。克孜爾水庫實(shí)際運(yùn)行后水庫泥沙淤積情況見表2。2011年、2017年的庫區(qū)淤積DEM值以及2011年與2017年庫區(qū)淤積DEM的差值如圖1～圖3。

表2 克孜爾水庫實(shí)際運(yùn)行后水庫泥沙淤積情況

圖1 2011～2017年庫區(qū)淤積差值

圖2 2011年庫區(qū)淤積

圖3 2017年庫區(qū)淤積

4.模型的基本方程

本次針對(duì)清淤的非工程措施，構(gòu)建了干流和支流的定期泥沙淤積計(jì)算數(shù)學(xué)模型和敞泄排沙的數(shù)學(xué)模型，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。以下是相關(guān)的模型基本方程：

（1）懸移質(zhì)平均含沙量沿程變化：

（2）水流挾沙力方程。對(duì)于數(shù)模計(jì)算，主要為長(zhǎng)系列年研究，因而更有必要考慮懸移質(zhì)泥沙的淤積影響。本數(shù)模進(jìn)行懸移質(zhì)水流輸沙能力計(jì)算采用張紅武水流挾沙力公式：

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(guó)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(cè)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。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。

分組挾沙力可由下式計(jì)算：

式中：

（3）推移質(zhì)水流挾沙力方程。對(duì)于數(shù)學(xué)模型中各斷面推移質(zhì)輸沙率的計(jì)算采用與懸移質(zhì)邊連續(xù)方程相類似的方法計(jì)算，即：

式中：

Q——進(jìn)口斷面推移質(zhì)輸沙率，kg/s；

Q——進(jìn)口斷面流量，m3/s。其他符號(hào)含義同前文。

推移質(zhì)主要在主河槽淤積，在水庫淤積三角洲中推移質(zhì)與懸移質(zhì)混合堆積，推移質(zhì)主要堆積在三角洲的尾坡段和頂坡段，隨著淤積年限增加推移質(zhì)淤積面逐漸抬高。

（4）水流連續(xù)方程：

（5）水面線方程：

（6）床變形方程

（7）斷面特性曲線處理。淤積時(shí)，斷面按濕周等厚分布；沖刷時(shí)，沖槽不沖灘，按水平狀態(tài)進(jìn)行沖刷。

5.克孜爾水庫非工程措施排沙效果初評(píng)

5.1 汛期定期低水位運(yùn)行

1）初選排沙控制水位：

由于克孜爾水庫泥沙問題嚴(yán)重，從排沙的角度考慮，要求汛期排沙水位盡可能低；從興利的角度出發(fā)，要求汛期排沙水位高一些較好，而排沙水位過高，則會(huì)加大水庫淤積量，影響水庫的運(yùn)行壽命。因此，本次初選死水位1135m作為汛期排沙控制水位，即考慮了降低水位排沙，同時(shí)兼顧了灌溉和發(fā)電的要求。

2）進(jìn)一步論證汛期排沙控制水位：

將6、7、8三個(gè)月的月時(shí)段劃分成九個(gè)旬時(shí)段進(jìn)行不同排沙水位方案的論證比選，6月上旬至8月下旬水沙基本的對(duì)應(yīng)關(guān)系是水大沙大，并逐旬遞增，輸沙率在7月下旬達(dá)到最大值，其中6月上旬和8月下旬的水量及沙量相對(duì)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)段劃分為6月下旬～8月上旬，形成14組組合方案。干支流組合不同排方案計(jì)算成果見表3。

表3 干支流組合不同排方案計(jì)算成果表

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著低水位運(yùn)行時(shí)段的加長(zhǎng)，庫區(qū)泥沙是逐漸向壩前推進(jìn)的過程，低水位時(shí)段越多，推進(jìn)的趨勢(shì)越為明顯。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，同理降三個(gè)旬比降兩個(gè)旬的排沙效果好，以此類推，水位越低排沙效果越好，水位下降的時(shí)段越長(zhǎng)排沙效果越好，同時(shí)結(jié)合興利，綜合考慮來推薦較優(yōu)的汛期排沙控制水位方案。

5.2 敞泄沖沙運(yùn)行

根據(jù)水庫2007年以來的實(shí)際運(yùn)行水位，6月份水庫有一個(gè)蓄放過程，7月上、中旬水庫運(yùn)行水位為相對(duì)較低的過程，8月份水庫運(yùn)行水位較高，因此，敞泄沖沙時(shí)段選擇在7月份，以此擬定了7月上、中、上中旬分別進(jìn)行敞泄沖沙、7月其它時(shí)段采用死水位排沙的三個(gè)泥沙調(diào)度方案。從各方案計(jì)算成果可以看出，水庫運(yùn)行5～7年達(dá)到?jīng)_淤平衡，均能保持現(xiàn)狀庫容不再損失，并略有恢復(fù)。不同時(shí)段敞泄沖沙下的庫容變化見表4。

表4 不同時(shí)段敞泄沖沙下的庫容變化

6.結(jié)論

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著低水位運(yùn)行時(shí)段加長(zhǎng)，庫區(qū)泥沙是逐漸向壩前推進(jìn)的過程，低水位時(shí)段越多，推進(jìn)的趨勢(shì)越為明顯。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，同理降三個(gè)旬比降兩個(gè)旬的排沙效果好，以此類推，水位越低排沙效果越好，水位下降的時(shí)段越長(zhǎng)排沙效果越好，但最終需要與興利相結(jié)合，綜合考慮來推薦較優(yōu)的汛期排沙控制水位方案。