新疆石門水庫設計中的泥沙淤積分析研究

古麗菲婭·吾斯曼

(新疆維吾爾自治區(qū)水文局水文實驗站，新疆 烏魯木齊 830000)

在河流上修建水庫，是人類開發(fā)水力資源、利用水資源和治理河流的一種有效的技術手段，水庫在給人類帶來巨大的社會經濟效益的同時，也給天然河流的環(huán)境帶來新的影響，水庫泥沙淤積就是其中之一。河流上特別是多沙河流上修建水庫將破壞天然河流水沙條件與河床形態(tài)的相對平衡狀態(tài)[1]，使水沙條件和河床形態(tài)重新調整，庫區(qū)水位壅高，水深增大，水面比降減緩，流速減小，水流輸沙能力顯著降低，大量泥沙在庫內淤積，其結果是不僅導致水庫有效庫容減小，原設計的防洪、發(fā)電、灌溉等興利指標不能全部實現(xiàn)，更嚴重的是將威脅水庫壽命[2]。由于水庫泥沙淤積，使得水庫調節(jié)庫容減小、效益下降，嚴重影響水庫使用壽命，如果設計和使用不當，水庫有完全淤廢的可能。因此，如何通過水庫優(yōu)化設計和調度運用，使得水庫有效庫容得以長期保留，是在水庫規(guī)劃設計階段就必須加以解決的技術問題。本文將采用一維水流非均勻不平衡輸沙數學模型，就新疆兵團新建蘇塘灌區(qū)的石門水庫泥沙淤積問題開展研究。

1 區(qū)域概況

新疆兵團所在的且末縣位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州(以下簡稱巴州)南部，昆侖山、阿爾金山北麓，塔里木盆地東南緣。東與若羌縣交界，西與和田地區(qū)民豐縣接壤，南屏阿爾金山、東昆侖山與西藏自治區(qū)為界，北部深入塔克拉瑪干大沙漠與尉犁縣相望，西北相鄰阿克蘇地區(qū)沙雅縣，東西最寬320 km，南北最長460 km，總面積14.025萬 km2。蘇塘灌區(qū)水利工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州的且末縣境內，是新疆生產建設兵團和新疆兵團農二師的重點水利建設項目，也是當地急需實現(xiàn)的首要基礎設施。它的開發(fā)建設將會有力地推進且末墾區(qū)的全面建設，使工程全面發(fā)揮應有的經濟效益、社會效益和生態(tài)效益。蘇塘灌區(qū)水利工程(一期)開發(fā)規(guī)模18萬畝，主體工程由水源工程、輸水工程、灌區(qū)工程和生活工業(yè)用水水源地四部分組成。石門水庫[3]是其中一項關鍵性水利工程，為預測石門水庫的庫容變化，需要對水庫泥沙淤積和水庫運用方式進行研究。通過研究，給出水庫不同運行方式下，水庫的泥沙淤積量、淤積部位、淤積縱剖面、壩前淤積高程、不同使用期限內的庫容變化、排沙比等，為石門水庫規(guī)模確定、運用方式優(yōu)化、延長水庫使用壽命和長期發(fā)揮水庫的綜合效益提供技術支持。

2 研究方法

本文采用韓其為院士非均勻沙不平衡輸沙理論[4]，建立了石門水庫泥沙淤積的數學模型。該數學模型理論基礎強，考慮因素較全面，計算內容豐富，輸出信息量大，不僅能對沖淤量、水位等一些常規(guī)量進行模擬，而且對懸沙、床沙的級配變化、斷面變形、深泓變化等也能進行計算?；陧n其為院士的非均勻不平衡懸移質輸沙理論建立的水庫泥沙淤積數學模型已在三峽水庫運用方式優(yōu)化和泥沙淤積預測、三峽水庫運用方式調整、小浪底水庫運用方式與泥沙淤積關系等國內外眾多水庫泥沙淤積計算中得到應用，其模擬結果己被大量實測資料所證實。利用該模型研究水庫泥沙淤積已涵蓋從特大型水庫到中小型水庫，從低含沙量水庫到高含沙量水庫，從不斷流水庫到季節(jié)性斷流水庫等各種不同條件的水庫，可以說該模型已經得到了全面檢驗。因此，利用該模型研究石門水庫泥沙淤積是合適的，所得的結果可以作為水庫設計和運用方式選擇的依據。下面對該數學模型的基本原理進行簡單介紹[5]。

2.1 水力因素計算

一維恒定非均勻流的水流運動方程為：

(1)

采用有限差分方法，可以寫成如下的有限差形式：

(2)

式中：H為水位(m)，n為曼寧糙率，Q為流量(m3/s)，B為水面寬(m)，A為過水面積(m2)，g為重力加速度(m/s2)，△x為斷面間距(m)，腳標i表示時段，j表示斷面編號，計算時，給定出口斷面的水位及進口斷面的流量，便可計算出各斷面的水位。

2.2 含沙量計算

對于均勻泥沙而言，一維恒定非均勻流含沙量沿程變化的方程為：

(3)

當泥沙為非均勻沙時，其分組泥沙在水流中的運動仍然遵從方程(3)所描述的規(guī)律。如果假定分組挾沙能力沿程線性變化，對方程(3)進行積分并求和可得到不平衡非均勻沙的含沙量計算公式：

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

(8)

此處S為懸移質含沙量(kg/m3)，為水流挾沙力(kg/m3)，Pl為懸移質級配，Pl為第Z組粒徑泥沙沉速(m/s)，L是不均勻泥沙分組總數，盟為恢復飽和系數，淤積時取1.0，沖刷時取0.25，k0為挾沙能力系數，需要實測資料率定確定。

表1 石門水庫設計典型年日流量過程 m3/s

2.3 泥沙淤積計算

泥沙淤積面積方程：

(9)

式中：Δai，j為斷面沖淤面積，其他符號意義同前。當Δai，j為正時，是淤積狀態(tài)；當Δai，j為負時，是沖刷狀態(tài)。

圖1 設計典型年日均流量和含沙量過程

2.4 邊界狀態(tài)

數學模型在進行計算時，進口斷面給定流量、含沙量過程，以及懸移質級配，出口斷面給定水位和流量過程。區(qū)間如有支流入匯或取排水，還應給定相應水沙資料。計算初始時，應基于實測的大斷面資料，在計算中根據計算的沖淤量對初始斷面進行修正。另外計算開始時將床沙分層，并給出可沖的床沙層數和各層的泥沙級配。

3 實例研究

石門水庫壩址附近現(xiàn)有一個水文站，該水文站從2014年開始進行水文泥沙測驗，至2017年共有4 a測驗資料。在研究水庫運用方式與泥沙淤積時，需要確定合理的入庫水沙系列。為此，利用已有的幾年實測資料，設計了典型年水沙過程。典型年的流量過程是以2015年和2016年實測日均流量為基礎，以年均徑流量3.08億 m3為控制，進行同比縮放得到的。典型年的日均含沙量過程則根據各月的日輸沙率與流量關系并依據典型年日均流量推算得到，期間年均懸移質輸沙量253萬 t以及實測月份輸沙量的比例作為控制和約束條件。設計得到的典型年水沙過程如表1和表2所示，設計典型年日均流量和含沙量過程如圖1所示。

表2 石門水庫設計典型年日含沙量過程 kg/m3

4 結語

泥沙淤積對于水庫正常運行產生了巨大的負面影響。本文基于非均勻不平衡輸沙理論，建立了石庫泥沙沖淤數學模型，根據石門水庫壩址附近河段水文泥沙測驗資料，初步分析了入庫水沙特性，給出了各月的輸沙率與流量關系，建議采用年均徑流量3.08億 m3和懸移質輸沙量253萬 t作為入庫水沙條件，設計了入庫典型年水沙過程。庫泥沙淤積與運用方式密切相關，正常運用水位對水庫規(guī)模和有效庫容影響較大。汛期控制水位越高，泥沙淤積越多；正常運用水位越高，泥沙淤積也越多；如果在高含沙量時采用更低的排沙水位，對減少水庫淤積有比較明顯的效果；在汛期運用方式相同時，正常水位越高，水庫規(guī)模和有效庫容越大。研究結果為相關水庫設計提供一定的參考。