沙爾托海水庫(kù)壩址處泥沙淤積分析

葉爾登

(新疆博爾塔拉水文勘測(cè)局，新疆 博爾塔拉蒙古自治州 833400)

1 工程概況

大河沿子河發(fā)源于新疆博羅科努山西段、科古琴山北面兩山交匯處，沿途兩岸匯集眾多小溪，呈典型樹(shù)枝狀水系，出山口后系南北流向，過(guò)沙爾托海水文站至大河沿子鎮(zhèn)匯入博爾塔拉河，最終流入艾比湖[1]。沙爾托海水庫(kù)位于沙爾托海水文站上游600 m，2013年10月1日正式下閘蓄水，2019年通過(guò)竣工驗(yàn)收，主要以灌溉為主，兼顧防洪。2021年，規(guī)劃加高水庫(kù)大壩，工程任務(wù)以灌溉、防洪為主，遠(yuǎn)期兼顧發(fā)電。

2 泥沙特性分析

大河沿子河上游發(fā)育有34條冰川，冰川面積4.17 km2。海拔2500 m以上，分布有終年積雪和冰川；海拔800～2500 m之間，山高林密，水土保持條件較好，含沙量相對(duì)較小[2]。在低山區(qū)部分范圍內(nèi)，兩岸植被稀疏，山體裸露，風(fēng)化和風(fēng)磧作用強(qiáng)烈，一旦進(jìn)入汛期暴雨將兩岸松散風(fēng)積物帶入河道，尤其遇大暴雨洪水時(shí)，河道泥沙有所增加，因而冰雪融化和暴雨洪水是大河沿子河泥沙產(chǎn)生的主要原因。

3 推懸比和排沙比分析

對(duì)于改擴(kuò)建水庫(kù)工程，計(jì)算水庫(kù)淤積，首先需使用實(shí)測(cè)資料計(jì)算入庫(kù)泥沙的推懸比和排沙比。由于沙爾托海水庫(kù)建成運(yùn)行期間一直沒(méi)有監(jiān)測(cè)水庫(kù)的入庫(kù)泥沙和出庫(kù)泥沙，故本次水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算，仍需借用推懸比和排沙比經(jīng)驗(yàn)值。根據(jù)新疆其他5座中型水庫(kù)推懸比和排沙比資料，分析對(duì)比兩個(gè)參數(shù)借用的合理性(見(jiàn)表1)。

表1 水庫(kù)推懸比和排沙比分析成果

通過(guò)5個(gè)水庫(kù)特點(diǎn)和所在流域的水沙特性及采用的推懸比和排沙比分析，并結(jié)合沙爾托海水庫(kù)自身特點(diǎn)和所在河流大河沿子河的水沙特性，確定本次推懸比取15%，水庫(kù)運(yùn)行10 a內(nèi)，平均排沙比取38%，水庫(kù)運(yùn)行11～20 a內(nèi)，排沙比取47%，水庫(kù)運(yùn)行21～30 a內(nèi)，排沙比取 50%，水庫(kù)運(yùn)行31～40 a內(nèi)，排沙比取51%，水庫(kù)運(yùn)行41～50 a內(nèi)，排沙比取53%。

4 水庫(kù)泥沙淤積計(jì)算

由于沙爾托海水庫(kù)建設(shè)前后無(wú)任何泥沙實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)采用多種方法進(jìn)行泥沙淤積分析計(jì)算。

4.1 實(shí)測(cè)庫(kù)容差值法

沙爾托海水庫(kù)2013年10月1日正式下閘蓄水，正常蓄水位604.14 m。2010年9月進(jìn)行過(guò)沙爾托海水庫(kù)庫(kù)區(qū)原始地形圖測(cè)量，2017年4月、2021年5月又進(jìn)行了沙爾托海水庫(kù)庫(kù)區(qū)地形圖測(cè)量，包含水下地形，制作了水位-庫(kù)容對(duì)照表(見(jiàn)表2)、不同高程區(qū)間淤積分析圖(見(jiàn)圖1)[3]。

圖1 2010—2021年區(qū)間淤積分析

表2 沙爾托海水庫(kù)水位～庫(kù)容關(guān)系對(duì)照情況

由表2可知，2010年至2021年水庫(kù)泥沙淤積量增大，庫(kù)容減小。其中，2010年至2017年間水庫(kù)泥沙淤積量增大，庫(kù)容減??；2017年至2021年間水庫(kù)整體呈現(xiàn)泥沙沖刷現(xiàn)象，庫(kù)容增大。

由圖1可知，沙爾托海水庫(kù)建成運(yùn)行到現(xiàn)狀年，庫(kù)區(qū)泥沙淤積量最大的區(qū)域是在570～572 m高程區(qū)間，淤積量為3.98×104m3；淤積量最小的是在598～600 m高程區(qū)間，淤積量為0.18×104m3。

4.1.1 泥沙縱向、橫向淤積形態(tài)分析

(1)泥沙縱向淤積形態(tài)分析。繪制沙爾托海水庫(kù)一期工程建成后2017年和2021年水庫(kù)沿程庫(kù)底高程線(見(jiàn)圖2)。

圖2 水庫(kù)泥沙沖淤縱向變化形態(tài)

從圖2中可以看出，在沙爾托海水庫(kù)一期工程運(yùn)行期2017—2021年間：距大壩0～477 m、968～1174 m縱形態(tài)呈現(xiàn)水庫(kù)泥沙沖刷；距大壩1402～1649 m縱形態(tài)呈現(xiàn)水庫(kù)泥沙淤積；其他地方縱形態(tài)水庫(kù)泥沙沖淤基本平衡，縱形態(tài)水庫(kù)泥沙總體呈現(xiàn)沖刷現(xiàn)象。

(2)泥沙橫向淤積形態(tài)分析。分別在2017年和2021年庫(kù)區(qū)地形圖中選取代表水庫(kù)上、中、下游三個(gè)同一位置的斷面，分別繪三個(gè)斷面2017年和2021年的大斷面套繪圖，發(fā)現(xiàn)在水庫(kù)一期工程運(yùn)用的2017—2021年間：上游斷面泥沙淤積變化呈現(xiàn)左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷狀；中游斷面泥沙淤積變化為左、右岸均呈現(xiàn)泥沙沖刷狀；下游斷面泥沙淤積變化為左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷，總體來(lái)看呈現(xiàn)微弱泥沙沖刷狀態(tài)。

4.1.2 泥沙淤積量計(jì)算

(1)水庫(kù)淤積計(jì)算。沙爾托海水庫(kù)工程建成蓄水后到現(xiàn)狀年(2020年)期間的水庫(kù)泥沙淤積總量，可以通過(guò)對(duì)比沙爾托海水庫(kù)工程蓄水前水庫(kù)水位-庫(kù)容曲線(2010年實(shí)測(cè))和現(xiàn)狀年庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)地形率定的水庫(kù)水位-庫(kù)容曲線得到。通過(guò)對(duì)來(lái)水來(lái)沙規(guī)律分析可知，10月—次年5月枯期來(lái)水來(lái)沙少，故2013年10—12月、2021年1—5月不加入計(jì)算，由此計(jì)算得到沙爾托海水庫(kù)建成蓄水到現(xiàn)狀年(2014—2021年)泥沙淤積總量為42.6×104m3。

本次計(jì)算推懸比采用0.15，推移質(zhì)干容重取1.70 t/m3，懸移質(zhì)干容重取1.36 t/m3。則推移質(zhì)和懸移質(zhì)的體積比為0.12，2014—2020年沙爾托海水庫(kù)推移質(zhì)淤積容積為4.56萬(wàn)m3，推移質(zhì)淤積量為7.76萬(wàn)t，推移質(zhì)年平均淤積量為1.11萬(wàn)t/a。2014—2020年沙爾托海水庫(kù)懸移質(zhì)淤積容積為38.0萬(wàn)m3，懸移質(zhì)淤積量為51.7萬(wàn)t，懸移質(zhì)年平均淤積量為7.39萬(wàn)t/a。

(2)出庫(kù)泥沙計(jì)算。經(jīng)過(guò)調(diào)查，沙爾托海水庫(kù)蓄水在11月和12月，其他月份基本不蓄水。大河沿子河洪水主要集中在6月、7月、8月，這3個(gè)月的來(lái)水含沙較多，泥沙量約占全年的90%以上。為了在洪水期排沙，沙爾托海水庫(kù)這三個(gè)月不蓄水，處于放空排沙工況。沙爾托海水庫(kù)運(yùn)行10 a內(nèi)排沙比為38%，即推移質(zhì)年平均出庫(kù)量為0.679萬(wàn)t/a，懸移質(zhì)年平均出庫(kù)量為4.53萬(wàn)t/a。

沙爾托海水庫(kù)壩址斷面徑流量為1.256×108m3，多年平均含沙量為1.09 kg/m3，推移質(zhì)多年平均為0.142 kg/m3，懸移質(zhì)多年平均為0.949 kg/m3。

4.2 輸沙模數(shù)法

4.2.1 入庫(kù)泥沙計(jì)算

參證站精河溫泉水文站懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為82.3 t/km2，精河山口水文站懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為261 t/km2，從工程安全角度，本次選用精河山口水文站輸沙模數(shù)261 t/km2作為沙爾托海水庫(kù)泥沙計(jì)算使用參數(shù)[4]。

沙爾托海水文站多年平均年徑流量1.256×108m3，利用輸沙模數(shù)261 t/km2和沙爾托海水庫(kù)壩址以上集水面積1697 km2，計(jì)算得到該水庫(kù)壩址斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量為44.3萬(wàn)t/a，懸移質(zhì)多年平均為3.53 kg/m3。推懸比為15%，計(jì)算得到多年平均推移質(zhì)輸沙量為6.65萬(wàn)t/a，推移質(zhì)多年平均為0.529 kg/m3。

4.2.2 出庫(kù)泥沙計(jì)算

沙爾托海水庫(kù)運(yùn)行10 a排沙比為38%，則多年平均懸移質(zhì)出庫(kù)量為16.8萬(wàn)t/a，多年平均推移質(zhì)出庫(kù)量為2.53萬(wàn)t/a。

4.2.3 水庫(kù)淤積計(jì)算

沙爾托海壩址斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量44.3萬(wàn)t/a減去多年平均懸移質(zhì)出庫(kù)量16.8萬(wàn)t/a，得到多年平均懸移質(zhì)淤積量27.5萬(wàn)t/a；多年平均推移質(zhì)輸沙量6.65萬(wàn)t/a減去多年平均推移質(zhì)出庫(kù)量2.53萬(wàn)t/a，得到多年平均推移質(zhì)淤積量4.12萬(wàn)t/a。

4.3 平均徑流含沙量法

4.3.1 入庫(kù)泥沙計(jì)算

從工程安全角度，本次以臨近的精河山口水文站實(shí)測(cè)資料為參證[5]。用沙爾托海水文站多年平均年徑流量1.256×108m3乘以精河山口水文站懸移質(zhì)多年平均值0.803 kg/m3，即為沙爾托海水文站懸移質(zhì)多年平均輸入量10.1萬(wàn)t。推懸比為15%，計(jì)算得到多年平均推移質(zhì)輸沙量為1.52萬(wàn)t/a，推移質(zhì)多年平均為0.121 kg/m3。

4.3.2 出庫(kù)泥沙計(jì)算

沙爾托海水庫(kù)運(yùn)行10 a內(nèi)排沙比取38%，則多年平均懸移質(zhì)出庫(kù)量為3.840萬(wàn)t/a，多年平均推移質(zhì)出庫(kù)量為0.578萬(wàn)t/a。

4.3.3 水庫(kù)淤積計(jì)算

沙爾托海壩址斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量10.10萬(wàn)t減去多年平均懸移質(zhì)出庫(kù)量3.84萬(wàn)t/a，得到多年平均懸移質(zhì)淤積量為6.26萬(wàn)t；用沙爾托海壩址斷面多年平均推移質(zhì)輸沙量1.520萬(wàn)t/a減去推移質(zhì)出庫(kù)量0.578萬(wàn)t/a，計(jì)算得到多年平均推移質(zhì)淤積量0.939萬(wàn)t/a。

4.4 借用單位徑流深輸沙模數(shù)法

4.4.1 入庫(kù)泥沙計(jì)算

根據(jù)精河山口水文站多年平均懸移質(zhì)輸沙量37.1萬(wàn)t，流域面積1419 km2，年徑流量4.627×108m3，輸沙模數(shù)261 t/km2，得出精河山口水文站流域徑流深為326.07 mm，徑流深每毫米輸沙模數(shù)為0.80 t/km2。

用徑流深輸沙模數(shù)法推算沙爾托海水庫(kù)壩址斷面泥沙，根據(jù)壩址斷面以上流域面積1697 km2，多年平均年徑流量1.256×108m3，得出沙爾托海徑流深為74.01 mm，壩址斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量10.1萬(wàn)t，多年平均含沙量0.801 kg/m3。推懸比為15%，計(jì)算得到多年平均推移質(zhì)輸沙量為1.52萬(wàn)t/a，推移質(zhì)多年平均為0.121 kg/m3。

4.4.2 出庫(kù)泥沙計(jì)算

沙爾托海水庫(kù)運(yùn)行10 a內(nèi)排沙比取38%，因此沙爾托海水庫(kù)多年平均懸移質(zhì)出庫(kù)量為3.840萬(wàn)t/a，多年平均推移質(zhì)出庫(kù)量為0.578萬(wàn)t/a。

4.4.3 水庫(kù)淤積計(jì)算

沙爾托海壩址斷面處多年平均懸移質(zhì)輸沙量10.1萬(wàn)t減去多年平均懸移質(zhì)出庫(kù)量3.84萬(wàn)t/a，得到多年平均懸移質(zhì)淤積量6.26萬(wàn)t；根據(jù)沙爾托海壩址斷面多年平均推移質(zhì)輸沙量為1.520萬(wàn)t/a和多年平均推移質(zhì)出庫(kù)量為0.578萬(wàn)t/a，計(jì)算得到多年平均推移質(zhì)淤積量為0.939萬(wàn)t/a。

4.5 成果選取

本次水庫(kù)泥沙計(jì)算采用了四種方法，如表3所示。其中借用輸沙模數(shù)法計(jì)算的水庫(kù)泥沙結(jié)果與其他方法計(jì)算的相差較大[6]。

表3 沙爾托海水庫(kù)壩址斷面泥沙計(jì)算不同方法成果對(duì)比

借用輸沙模數(shù)法計(jì)算水庫(kù)泥沙結(jié)果誤差較大的原因是沙爾托海水文站以上集水面積為1697 km2，多年平均年徑流量為1.256×108m3/a，多年平均徑流深為74.0 mm；而參證站精河山口水文站以上集水面積為1419 km2，多年平均年徑流量為4.761×108m3/a，多年平均徑流深為335.5 mm。二者植被條件、下墊面泥沙顆粒級(jí)配、流域坡度、降水強(qiáng)度、降水量等影響泥沙模數(shù)的因素差異較大。從而導(dǎo)致兩個(gè)流域輸沙模數(shù)大小會(huì)相差較遠(yuǎn)。因此輸沙模數(shù)法推算大河沿子河沙爾托海水庫(kù)壩址斷面入庫(kù)泥沙誤差較大，不予采用。

另外三種方法計(jì)算的沙爾托海水庫(kù)壩址斷面入庫(kù)泥沙結(jié)果相對(duì)較為合理。為工程安全考慮，沙爾托海水庫(kù)壩址斷面入庫(kù)泥沙計(jì)算推薦采用實(shí)測(cè)庫(kù)容差值法計(jì)算的成果，沙爾托海水庫(kù)壩址斷面懸移質(zhì)年入庫(kù)量為11.9萬(wàn)t，懸移質(zhì)多年平均為0.949 kg/m3。

5 結(jié) 語(yǔ)

由于缺乏實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)資料，使得沙爾托海水庫(kù)大壩加高擴(kuò)容時(shí)，水庫(kù)泥沙淤積情況計(jì)算困難。通過(guò)分析探討，沙爾托海水庫(kù)所在的大河沿子河沙爾托海水文站以上集水區(qū)多年平均降水量與精河山口水文站以上集水區(qū)多年平均降水量相差較大，進(jìn)而影響入庫(kù)泥沙結(jié)果；而根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算壩址斷面泥沙相對(duì)更為合理、更為精確。所以，沙爾托海水庫(kù)壩址斷面泥沙計(jì)算推薦實(shí)測(cè)庫(kù)容差值法計(jì)算的成果，即壩址斷面懸移質(zhì)年入庫(kù)量為11.9萬(wàn)t，懸移質(zhì)多年平均為0.949 kg/m3。