黑河黄藏寺水利枢纽工程泥沙研究

李庆国，段高云，郭其峰，成鹏飞

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003）

1 概 况

黑河干流全长928 km，在源流区分为东、西两岔[1]，在黄藏寺村汇合后折向北流，流域面积为11.6万km2，多年平均水资源总量为28亿m3。

黄藏寺水利枢纽是黑河干流骨干调蓄工程，坝址上距黄藏寺村约11 km，是黑河流域重要的水资源配置工程、生态保护工程和扶贫开发工程。工程地理位置见图 1。枢纽为Ⅱ等大（2）型工程，死水位为2 580.0 m，正常蓄水位为2 628.0 m，水库总库容为4.03亿m3，调节库容为2.95亿m3。电站装机规模为49 MW，保证出力为 6.2 MW，多年平均发电量为2.03亿kW·h。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高为123 m。

图1 黄藏寺水利枢纽工程位置示意

2 流域水沙特性

黄藏寺水利枢纽坝址以上东西两岔八宝河、黑河上分别建有祁连水文站和扎马什克水文站[2-3]，控制流域面积分别为2 452 km2和4 589 km2；坝址下游80 km处有莺落峡水文站，控制流域面积为10 009 km2；黄藏寺坝址控制流域面积为7 648 km2。黑河流域主要水文站概况见表1。

表1 黑河流域主要水文测站概况

祁连站、扎马什克站和莺落峡站（以下简称“三站”）多年平均来水量分别为4.58亿、7.41亿、16.09亿m3，多年平均实测输沙量分别为38.69万、113.55万、205.17万 t，多年平均含沙量分别为 0.84、1.53、1.28 kg/m3，最大含沙量分别为321 kg/m3（1979年8月11日）、273 kg/m3（1959 年 7 月 13 日）、140 kg/m3（1992年7月15日），见表2。

流域水沙主要有以下特性：

（1）水量年际变化较小，沙量年际变化较大。从年际变化情况看，来水量变化较小。三站最大年来水量分别为6.94亿、10.47亿、23.07亿 m3，分别为最小年来水量的2.2倍、2.0倍、2.3倍；来沙量年际变化较大，三站最大年来沙量分别为201.22万、641.65万、995.08万t，分别为最小年来沙量的19.2倍、43.2倍、271.1倍。

（2）水沙量年内分配不均。各站水量年内分布不均，主要集中在6—9月，三站多年平均6—9月来水量分别占年来水量的64%、69%、68%；来沙量的集中程度甚于来水量，三站多年平均6—9月来沙量分别为年来沙量的87%、97%、95%，见图2、图3。

表2 黑河流域主要水文站多年平均径流泥沙特征值

图2 黑河流域各主要水文站水量年内分配

图3 黑河流域各水文站沙量年内分配

（3）来沙量主要集中在洪水期，非洪水期来沙量很小。以大水大沙的1996年为例，该年扎马什克站实测最大洪峰流量为1 010 m3/s，为本站实测流量最大值；祁连站和扎马什克站共来水13.90亿m3，占两站1968—2012年总来水量的 2.9%；来沙量为 702.27万t，占1968—2012年总来沙量的12%。从1996年祁连站和扎马什克站5—9月日均流量及含沙量过程线可以看出，洪水期洪峰与沙峰对应较好，其中两站4场洪水来水量为5.04亿m3，占全年来水量的36.3%；来沙量为654.41万t，占全年来沙量的93.2%，见图4。

图4 祁连站和扎马什克站日均流量、含沙量过程线

3 水沙系列拟定

（1）入库悬移质沙量。工程上游受人类活动影响较小，因此黄藏寺水利枢纽入库泥沙由祁连、扎马什克站加区间来沙组成，区间沙量根据两站与莺落峡站区间输沙模数推求，黄藏寺水利枢纽年均入库悬移质沙量为169.7万t。同理，算得黄藏寺1958—2012年多年平均入库水量为12.81亿m3。

（2）入库推移质沙量。黄藏寺水利枢纽悬移质来沙量较小，但河道两岸有泥石流情况发生，且库区山体裸露、植被较差。确定黄藏寺水利枢纽推移质沙量为悬移质沙量的20%[5]，即年入库推移质为33.9万t。利用梅叶-彼得和R·摩勒推移质输沙率计算公式（见式（1））计算年均入库推移质泥沙为35.6万t，与采用推悬比[5]的计算值比较接近。输沙率计算公式为

式中：gs为推移质单宽输沙率，t/（s·m）；Ks为河床糙率系数；Kr为河床平整情况下的沙粒阻力系数，Kr=为床沙颗粒级配曲线中90%较之为小的粒径，取 0.25 mm；r、rs分别为水、沙容重，r=1 t/m3，rs=2.65 t/m3；h为水深，m；i为坡降；d为粒径，m。

（3）水沙系列。黄藏寺水利枢纽为大型水库，泥沙淤积年限确定为50 a。黄藏寺坝址处有1968—2012年45 a实测入库日均水沙资料，再利用45 a实测资料进行5 a滑动计算，即可从中选取5 a水沙系列组成50 a水沙系列。

综合选取1968—2012年+1994—1998年50 a系列作为水库泥沙冲淤计算采用系列，系列多年平均入库水量为12.78亿m3，多年平均入库沙量为172.3万t，水沙量分别为设计水沙量的0.998倍、1.015倍，多年平均含沙量为1.35 kg/m3。黄藏寺水利枢纽推移质沙量为悬移质沙量的20%，则入库推移质为34.5万t。水沙系列特征值统计见表3。

表3 入库悬移质系列多年平均水沙特征值统计

4 水库调度及冲淤效果分析

（1）调度运行方式。黄藏寺水利枢纽在4月上中旬、7月、8月中旬、9月中旬（相机）通过加大流量向下游输水，完成国务院批复的分水方案，满足黑河下游生态用水要求，在调水的同时加强对中游引水口门的管理；在中游灌区用水时段按灌溉用水要求进行灌溉调度，使中游地区农业用水保证率达到设计保证率50%；冬四月（12月至翌年3月）泄放生态基流，兼顾发电运用[4]。

当水库来水量大于用水需求时，水库蓄水运用，汛期控制水位不超过汛限水位2 628 m；当水库来水量小于用水需求时，水库泄水运用。非汛期水库最高运用水位不高于正常蓄水位2 628 m，最低水位不低于死水位2 580 m，特枯水年水库水位不低于极限死水位2 560 m。

（2）水库冲淤计算结果。根据选取的泥沙系列和水库运用方式，采用黄河勘测规划设计研究院有限公司研发的一维水文水动力学泥沙冲淤计算模型进行计算，模型计算时段为日。经计算，黄藏寺水库50 a总入库悬移质沙量为0.663亿m3（悬移质淤积物干容重采用1.3 t/m3），水库50 a累计悬移质淤积量为0.513亿m3，悬移质多年平均排沙比为22.6%，见图5。推移质泥沙按全部淤积考虑，水库运用50 a后推移质淤积量为0.115亿m3（推移质淤积物干容重采用1.5 t/m3），则黄藏寺水利枢纽运用50 a共淤积泥沙0.628亿m3。

图5 水库累计冲淤过程

（3）水库淤积形态。根据已建水库的实测资料分析、经验公式计算、悬移质泥沙冲淤计算结果，综合判断水库淤积形态为三角洲淤积。按照水库淤积沙量，试算确定黄藏寺水利枢纽淤积形态[5-7]。采用经验法进行泥沙沿程分布设计计算，水库运用50 a后坝前淤积高程为2 557 m，尾部段和三角洲段占总淤积量的67.4%，沿程段淤积量占总淤积量的12.1%，坝前淤积量占总淤积量的20.5%。水库淤积纵剖面见图6、图7。

（4）出库含沙量。黄藏寺水利枢纽多年平均出库含沙量为0.23 kg/m3，最大日出库含沙量为6.84 kg/m3，见表4。

图6 水库运用50 a后淤积纵剖面（黑河）

图7 水库运用50 a后淤积纵剖面（八宝河）

表4 黄藏寺水库出库含沙量特征值统计

5 结 语

黑河流域具有水量年际变化小、沙量年际变化大、水沙年内分配不均、沙量主要来自洪水期等特性。黄藏寺水利枢纽年入库悬移质沙量为169.7万t、推移质沙量为33.9万t，泥沙问题相对不严重。采用50 a水沙系列，应用一维水文水动力学泥沙冲淤计算模型进行计算，水库计算期排沙比为22.6%，50 a共淤积泥沙0.628亿m3，最大日出库含沙量为6.84 kg/m3。水库淤积形态为三角洲淤积，坝前淤积高程为2 557 m。

黄藏寺水利枢纽是黑河干流骨干调蓄工程，是黑河流域重要的水资源配置工程、生态保护工程和扶贫开发工程，工程已于2016年开工建设。通过分析入库水沙特性，选取泥沙系列，采用经验分析和数学模型计算，合理确定水库工程泥沙设计成果，为合理确定工程规模提供技术支撑。工程泥沙设计是基于选定的水沙条件和设计运用方式，但水沙条件变化及工程调度运行存在一定的不确定性，因此，在工程实际运用过程中应加强调度运用管控和库区淤积监测，保证工程效益正常发挥。