多泥沙河流中型水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行原則研究

劉 江,李 江

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆大部分河流是內(nèi)陸河，據(jù)統(tǒng)計(jì)新疆境內(nèi)共有河流570條，地表水年徑流量787億m3、較大的有伊犁河、額爾齊斯河、塔里木河、瑪納斯河、喀什噶爾河等九大流域18條大河(10億m3徑流量以上)[1]。其中發(fā)源于山間的河流有300多條，主要靠山地降水和三大山脈的積雪、冰川融水補(bǔ)給為主，夏季高溫冰雪消融與暴雨疊加，造成較大洪水，加之山區(qū)河流縱坡較大，植被覆蓋率低，水土流失普遍，且受塔克拉瑪干等沙漠風(fēng)沙的影響，河流含沙量較大，河流多數(shù)散失于灌區(qū)或荒漠，少數(shù)在低洼地形成湖泊。新疆屬溫帶大陸性氣候，“三山夾四盆”地形(“三山”指阿爾泰山、天山和昆侖山山脈，“四盆”指準(zhǔn)噶爾、伊犁、吐哈和塔里木盆地)，盆地氣溫較山區(qū)高，受氣溫影響河流冬春季節(jié)斷流，河流來(lái)水均與用水存在矛盾，河流上建設(shè)控制性水庫(kù)是解決河流季節(jié)性缺水的不二選擇。

近些年，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力增強(qiáng)和一帶一路戰(zhàn)略的實(shí)施，在新疆中小河流上實(shí)施了一大批中型水庫(kù)工程，但受新疆河流多泥沙的影響，水庫(kù)興利與泥沙淤積的矛盾突顯，研究中型水庫(kù)的山區(qū)多泥沙河流中型水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方案，提高水庫(kù)壽命和工程效益顯得尤為重要，因此通過(guò)對(duì)“十三五”期間建設(shè)的南疆清水河伯司阿木水庫(kù)、卡普斯浪河溫泉水庫(kù)、柯坪縣蘇巴什水庫(kù)、恰克馬克河托帕水庫(kù)、提孜那甫河莫莫克水庫(kù)、皮山河阿克肖水庫(kù)、尼雅河尼雅水庫(kù)、奴爾河奴爾水庫(kù)、若羌縣米蘭山口水庫(kù)、若羌河若羌水庫(kù)等10座中型水庫(kù)工程的調(diào)度運(yùn)行方案的分析(見(jiàn)圖1)，研究泥沙調(diào)度運(yùn)行方案，探索多泥沙河流控制性水庫(kù)興利調(diào)節(jié)與排沙減淤之間的平衡點(diǎn)，初步歸納總結(jié)可行的調(diào)度方案[2]。

圖1 研究對(duì)象各水庫(kù)地理位置示意圖

1 研究對(duì)象概述

研究對(duì)象主要位于塔里木河盆地周邊的10條中小河流及對(duì)應(yīng)的10座山區(qū)水庫(kù)，其中位于天山南麓4座，位于昆侖山南麓6座，基本是環(huán)塔里木盆地分布，具有較好的代表性，各水庫(kù)工程特性和所在河流特性統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1[3-6]。

表1 研究對(duì)象各水庫(kù)工程特性統(tǒng)計(jì)表

2 泥沙調(diào)度運(yùn)行原則研究

2.1 河流泥沙狀況分析

河流泥沙量的變化主要受降水、下墊面和人類活動(dòng)等影響，主要反映出不同時(shí)段人類活動(dòng)對(duì)輸沙模數(shù)的影響，一般情況下水沙對(duì)應(yīng)關(guān)系基本一致，豐水年基本對(duì)應(yīng)豐沙年，水、沙關(guān)系就說(shuō)明了這一規(guī)律。選取水量、含沙量均較大的提孜那甫河莫莫克水庫(kù)作為代表分析，莫莫克水庫(kù)壩址斷面歷年水沙關(guān)系詳見(jiàn)圖2，從圖中可以看出，輸沙量歷年呈不規(guī)則周期性變化，與水量變化過(guò)程基本相適應(yīng)，即沙量與水量的增減相對(duì)應(yīng)，但沙量的變化幅度比水量的變化幅度更大，在水、沙系列中，除個(gè)別年對(duì)應(yīng)關(guān)系不好外，水、沙變化基本一致。

圖2 莫莫克水庫(kù)壩址斷面歷年水沙關(guān)系圖

水利水電工程設(shè)計(jì)實(shí)踐中，一定要重視河流泥沙量對(duì)工程的影響，根據(jù)泥沙對(duì)工程的影響程度，分為嚴(yán)重和不嚴(yán)重兩類。研究對(duì)象所在的河流均位于環(huán)塔里木盆地邊緣，根據(jù)研究對(duì)象河流泥沙量統(tǒng)計(jì)，河流的平均含沙量介于1～12 kg/m3，庫(kù)容沙量比介于16～132，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50 a或100 a[7]。根據(jù)《工程泥沙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51280-2018)中劃分，庫(kù)沙比小于主要建筑物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期屬于泥沙問(wèn)題嚴(yán)重河流，反之則不嚴(yán)重，庫(kù)沙比Ks小于30則泥沙特別嚴(yán)重。研究對(duì)象河流泥沙的泥沙問(wèn)題評(píng)價(jià)，詳見(jiàn)表2。

表2 各水庫(kù)工程所在河流泥沙嚴(yán)重性評(píng)價(jià)表

由上表可以看出，評(píng)價(jià)河流的泥沙問(wèn)題嚴(yán)重性的指標(biāo)主要是庫(kù)沙比和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期，河流平均含沙量和水資源利用率只是參考指標(biāo)，不直接影響判斷。

2.2 泥沙調(diào)度研究進(jìn)展

多沙河流水庫(kù)采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式，汛期控制低水位運(yùn)用，有利于水庫(kù)排沙，保持長(zhǎng)期有效庫(kù)容。低水位調(diào)節(jié)庫(kù)容小，優(yōu)化運(yùn)行要同時(shí)考慮防洪排沙和水資源綜合利用[8]。

在放空水庫(kù)利用汛期洪水排沙時(shí)，可控制壩前水位呈“臺(tái)階狀”分級(jí)降低，不斷打破河槽沖刷平衡局面，在總的沖沙水量相同的條件下，可獲得更好的排沙效果[9]。

冰雪融水河流汛期來(lái)水來(lái)沙高度集中，非汛期大部分時(shí)間來(lái)水量很小，水庫(kù)興利與排沙之間的矛盾突出，因此在冰雪融水的多沙河流水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇汛期運(yùn)行水位，把握好汛末的蓄水時(shí)機(jī)，制定合理的排沙運(yùn)行調(diào)度方案，保證水庫(kù)效益的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)揮[10]。

水庫(kù)泥沙問(wèn)題在水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)用中應(yīng)引起各方面高度的重視。加強(qiáng)水庫(kù)泥沙淤積規(guī)律和發(fā)展趨勢(shì)的研究，尋求減緩水庫(kù)淤積的措施，制定水庫(kù)長(zhǎng)期保持有效庫(kù)容及可持續(xù)發(fā)展的策略，以達(dá)到興利除害和減免泥沙淤積的目的，盡可能地延長(zhǎng)水庫(kù)的使用壽命[11]。

米蘭河水庫(kù)在汛期時(shí)必須兼顧排沙和蓄水，排沙期采取4月和7月，同時(shí)排沙運(yùn)行，加大排沙力度，即采用“降水排沙，蓄水灌溉”的運(yùn)行措施，分析研究米蘭河山口水庫(kù)調(diào)度與水庫(kù)泥沙淤積關(guān)系，監(jiān)控水庫(kù)庫(kù)容變化的動(dòng)力過(guò)程，對(duì)水庫(kù)的庫(kù)容變化的動(dòng)力過(guò)程，對(duì)水庫(kù)的有效管理具有重要意義[12]。

2.3 水庫(kù)運(yùn)行方案研究

對(duì)于泥沙嚴(yán)重的河流上的水庫(kù)要研究其調(diào)度運(yùn)行方式，提出水庫(kù)運(yùn)行的要求和應(yīng)采取的措施。對(duì)于水庫(kù)泥沙采用“攔”或“排”的調(diào)度方案，應(yīng)從工程的效益與興利指標(biāo)，因地制宜的原則予以考慮，片面地將泥沙全部攔在庫(kù)內(nèi)，或?qū)⒛嗌橙颗抛叨际遣豢尚械摹?/p>

根據(jù)《泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)》，庫(kù)沙比Ks<100的水庫(kù)不應(yīng)蓄洪運(yùn)用，可采用“蓄清排渾”“降水排沙”的泥沙調(diào)度運(yùn)行方式。根據(jù)清華大學(xué)水利系公式Kw=V/W和Ks=V/Ws計(jì)算庫(kù)容系數(shù)和庫(kù)沙比,當(dāng)Kw大于0.2,Ks大于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期可考慮水庫(kù)“蓄洪運(yùn)用”運(yùn)行方式，如奴爾水庫(kù)；當(dāng)Kw小于0.2,Ks大于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期可考慮 “蓄清排渾”運(yùn)用降低水位的運(yùn)行方式，如伯司阿木、阿克肖水庫(kù)；當(dāng)Kw小于0.2,Ks小于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期泥沙淤積問(wèn)題嚴(yán)重的河流，可考慮“降水排沙”運(yùn)用空庫(kù)排沙的運(yùn)行方式，如莫莫克、尼雅等水庫(kù)。

表3 各水庫(kù)工程排沙措施情況統(tǒng)計(jì)表

對(duì)于排沙期選擇時(shí)，主要參考洪水時(shí)段、輸沙率大的時(shí)段來(lái)綜合分析，大部分水庫(kù)主汛期6—8月三個(gè)月份，也是全年的大水大沙月份，是入庫(kù)泥沙最集中的時(shí)期，也是水量集中的月份，這三個(gè)月的排沙運(yùn)行方式是水庫(kù)泥沙調(diào)度運(yùn)行的關(guān)鍵?？紤]到河流開(kāi)發(fā)利用率較高，對(duì)于影響興利的，排沙期的設(shè)定需要結(jié)合泥沙淤積計(jì)算、興利調(diào)節(jié)和經(jīng)濟(jì)比較等方面綜合率定。如圖3為莫莫克水庫(kù)豐沙期旬平均輸沙率及流量關(guān)系圖，由圖可以看出，輸沙率最大的時(shí)段為6—7月，因此基本可率定莫莫克水庫(kù)排沙期選擇應(yīng)包括6—7月，可根據(jù)下游用水緊張程度，適當(dāng)延長(zhǎng)排沙期至6—8月。

圖3 莫莫克水庫(kù)豐沙期旬平均輸沙率及流量關(guān)系圖

排沙控制水位選擇時(shí)，從排沙的角度考慮，要求汛期(6—8月)排沙水位盡可能低；從灌溉、發(fā)電等興利的角度考慮，水庫(kù)中蓄水越多保障率越高；而從水庫(kù)長(zhǎng)期利用角度考慮，水庫(kù)每年淤積的庫(kù)容越少越好，為了減少淤積便要求水庫(kù)汛期降水位、泄流沖沙。為兼顧以上兩個(gè)方面，一般在輸沙率高的時(shí)段選擇死水位作為汛期排沙控制水位，輸沙率降低的時(shí)段，排沙效果不好考慮蓄水后高水位異重流排沙，既考慮了降低水位排沙保證水庫(kù)壽命，同時(shí)兼顧了興利的要求。

排沙泄流規(guī)模選擇時(shí)，根據(jù)《泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)》，對(duì)于多沙河流水庫(kù)，要以死水位作為汛期排沙控制水位，針對(duì)大量泥沙主要是洪水時(shí)挾帶來(lái)的特點(diǎn)，要求常遇洪水洪峰流量不滯洪，并且具有常遇洪水沖刷排沙能力。控制汛期限制水位以下槽庫(kù)容調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用多年沖淤平衡的正常死水位的泄流規(guī)模相當(dāng)于3～5 a一遇洪峰流量；根據(jù)《工程泥沙設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》泥沙設(shè)計(jì)規(guī)范要求，水庫(kù)死水位(排沙水位)下泄流量規(guī)模應(yīng)滿足水庫(kù)排沙要求，應(yīng)不小于2 a一遇洪峰流量，排沙水位下足夠的泄流規(guī)模和建設(shè)合理的泄流排沙設(shè)施是控制水庫(kù)淤積末端和長(zhǎng)期保持調(diào)節(jié)庫(kù)容的必要條件。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)根據(jù)以上對(duì)環(huán)塔里木盆地典型10座中型水庫(kù)的分析，可以看出，水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行不盡合理，運(yùn)行期泥沙問(wèn)題頻現(xiàn)，泥沙問(wèn)題處理不好會(huì)嚴(yán)重影響水庫(kù)運(yùn)用，需要在今后的設(shè)計(jì)中加以足夠重視，合理化水庫(kù)運(yùn)用方式，延長(zhǎng)水庫(kù)的壽命，提高水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。目前南疆大型水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度也不盡合理，泥沙問(wèn)題嚴(yán)重，危害極大，功能和效益難以發(fā)揮，下一步要對(duì)南疆大型水庫(kù)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析。

(2)新疆南疆水庫(kù)泥沙問(wèn)題普遍比較嚴(yán)重，控制優(yōu)化泥沙調(diào)度是目前解決水利工程泥沙問(wèn)題的主要手段。水庫(kù)泥沙調(diào)度方式應(yīng)根據(jù)河流泥沙特性、水庫(kù)調(diào)節(jié)性能、綜合利用任務(wù)及開(kāi)發(fā)利用程度等要求，采取控制水位調(diào)沙或敞泄排沙，對(duì)于調(diào)節(jié)庫(kù)容要求高且管理水平高的地區(qū)，必要時(shí)可采用分級(jí)流量排沙的措施，保證在充分利用庫(kù)容調(diào)節(jié)發(fā)揮效益的同時(shí)，增加水庫(kù)使用壽命。