新疆克孜爾水庫運(yùn)行模式下排沙研究

胡浩

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

克孜爾水庫位于渭干河上游，坐落于木扎提河與黑孜河交匯處，是一座是一座以灌溉為主，兼顧發(fā)電與下游防洪的綜合性樞紐工程。該庫正常蓄水位1 149.6 m，相應(yīng)庫容6.07億m3，興利庫容4.77億m3，該庫灌溉面積206 666.7 hm2，防洪保護(hù)面積86 666.7 hm2，最大引水流量125.4 m3/s，發(fā)電裝機(jī)容量2.6萬kW，工程于1992年投入運(yùn)行。

2 水庫運(yùn)行現(xiàn)狀

庫區(qū)淤積泥沙主要是來自上游的懸移質(zhì)和推移質(zhì)，根據(jù)實測資料分析統(tǒng)計出的克孜爾水庫不同高程下的總體淤積量，見表1。

表1 克孜爾水庫總體淤積量

由表中數(shù)據(jù)可得，自水庫蓄水運(yùn)行以后，克孜爾水庫上游來水?dāng)y帶泥沙，逐年落淤，水庫運(yùn)行不到20年，庫區(qū)正常蓄水位以下庫容已損失2.50億m3，死水位以下庫容已淤積約1.14億m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計運(yùn)行20年預(yù)估值。

3 克孜爾水庫運(yùn)行排沙方式

面對日益減少的庫容和逐年增加的泥沙淤積嚴(yán)峻形勢，對水庫進(jìn)行排沙清淤已是水庫運(yùn)行的重心。根據(jù)不同排沙方式適用條件，結(jié)合克孜爾水庫實際運(yùn)行情況，其可利用的排沙方式主要有：敞泄排沙、低水位排沙、壅水排沙[1]。

3.1 敞泄排沙

在洪水期間，水庫的來流量能全部向下游傾瀉，水庫基本不壅水的情況下進(jìn)行的排沙方式。又稱行洪排沙，它能排走大部分的來沙或者全部的來沙，甚至可以沖走前期的淤積物，排沙效果比較好[2]。此種排沙方式效果好，對克孜爾水庫這種前期淤積嚴(yán)重的水庫也比較適合。但克孜爾水庫兼顧防洪、發(fā)電、灌溉多個目標(biāo)，在水庫運(yùn)行調(diào)度中涉及方面較廣，需要協(xié)調(diào)好各個方面的關(guān)系，且為保護(hù)下游安全，最大下泄流量限制在750 m3/s，故敞泄排沙方案在克孜爾水庫運(yùn)行上較難實現(xiàn)。

3.2 低水位排沙

水庫在洪水來臨前，必須泄空庫容或使得庫水位降低運(yùn)行，在此過程中隨著水位的下降而帶動已淤積的泥沙前進(jìn)，進(jìn)而產(chǎn)生沿程沖刷和溯源沖刷[3]。溯源沖刷是低水位時排沙的主要形式，在庫區(qū)排沙時應(yīng)用較廣泛。它的作用機(jī)理是從下游開始，逐漸向上游延伸，詳見圖1。

水庫低水位運(yùn)行時間在每年的6月中旬到7月底，約40 d的時間。出于興利考慮，排沙期水位降低至1133.0～1135.0 m，但因下游安全泄量不能超過750 m3/s，下游灌區(qū)所需最大流量為200 m3/s，大于作物需水量將產(chǎn)生棄水，故水庫運(yùn)行水位達(dá)不到那么低。另外，水庫為保證作物灌溉用水，在作物灌溉需水期前要關(guān)閘蓄水，這就使得庫水位升高。綜合考慮，該排沙方式運(yùn)行較難。

圖1 溯源沖刷機(jī)理圖

3.3 壅水排沙

壅水排沙主要指異重流排沙，即上游水流挾帶泥沙進(jìn)入水庫壅水段，由于挾沙渾水水流較重，渾水下潛入庫區(qū)清水以下，在重力作用下沿庫底面向壩前運(yùn)動[4]，詳見圖2。

圖2 異重流運(yùn)動圖

針對支流庫段的來水來沙條件及水庫地形條件，嘗試?yán)卯愔亓髋派常?007年實施異重流排沙，排沙比為5.9%；2008年異重流排沙比為45.2%。分析其主要原因：

1）形成條件苛刻。

2）干流木扎提河流速和含沙量相對較小，沒有足夠的能量使異重流行進(jìn)至壩前并排除庫外；支流黑孜河含沙量高，有異重流排沙條件，但受前期“魚嘴”附近淤積形成的“攔沙底坎”阻礙，使得部分泥沙落淤[5]。

3）挾沙渾水沿庫底前進(jìn)，難以把握其抵達(dá)壩前時間，進(jìn)而不能及時開啟閘門，使泥沙淤積壩前。

4 克孜爾水庫排沙規(guī)律

根據(jù)克孜爾水庫歷年洪水期間排沙統(tǒng)計資料[6]，可知水庫的排沙量與庫區(qū)地形、入庫洪水流量、入庫洪水含沙量、水庫運(yùn)行水位等因素有關(guān)系。通過SPASS分析軟件對渭干河支流黑孜河近20年輸沙資料中入庫洪水流量與入庫洪水的含沙量的相關(guān)性進(jìn)行分析：兩者相關(guān)系數(shù)是0.878，顯著性水平為0，兩者呈正向的相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性很強(qiáng)。隨后又對入庫洪水含沙量與水庫庫區(qū)泥沙淤積量建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行回歸分析，最終得出模型的最終表達(dá)式為，修正的可決定系數(shù)為0.942，模型擬合度很好，充分佐證了入庫洪水的含沙量是水庫泥沙淤積的主要因素之一[7]。

相對于水庫運(yùn)行管理者，如入庫洪水流量及其含沙量不能控制，故只能通過來洪時升、降庫區(qū)水位，對上游來洪進(jìn)行調(diào)節(jié)?？俗螤査畮鞖v年洪水期間排沙統(tǒng)計資料，詳見表2～4。

表2 克孜爾水庫歷年洪水期間排沙比統(tǒng)計（庫水位高程在1 142.0 m以上）

表3 克孜爾水庫歷年洪水期間排沙比統(tǒng)計（庫水位在1 138.0～1 142 m）

由表2～4可知：

1）當(dāng)水庫運(yùn)行水位大于1 142.0 m時，在行洪過程中水庫的排沙比幾乎等于0，即水庫的出庫水流幾乎不挾帶庫區(qū)的泥沙出庫，排沙效果很差。

表4 克孜爾水庫歷年洪水期間排沙比統(tǒng)計（庫水位在1 133～1 138 m）

2）當(dāng)水庫運(yùn)行水位在1 138.0～1 142.0 m之間調(diào)整時，在行洪過程中水庫的排沙比還不足10%，即只有少量的泥沙隨下泄水流運(yùn)行至庫外。

3）當(dāng)水庫運(yùn)行水位在1 133.0～1 138.0 m之間調(diào)整時，在行洪過程中水庫的排沙比基本在10%～60%之間浮動，排沙效果相對較好。

5 小結(jié)

1）隨著水庫運(yùn)行年限的增加，庫區(qū)泥沙不斷淤積，庫區(qū)河床逐年增高，水庫庫容逐年減少，大大縮短水庫使用壽命。

2）常用的3種排沙方式對于克孜爾水庫都有不同程度的限制因素，合理的運(yùn)行管理可減少庫區(qū)泥沙的落淤，甚至將已淤積泥沙排出庫外。

3）水庫在盡可能滿足防洪、灌溉要求時，適時調(diào)整庫水位進(jìn)行排沙。