大二泉水库淤积分析及治理措施探讨

李辉发

（乌苏市水利局，新疆 乌苏 833000）

1 水库概况

1.1 水库

乌苏市大二泉水库位于准噶尔盆地西北边缘的乌苏市头台乡境内的自南向北的古河谷和天然洼地上，距乌苏市20 km，该水库的主要任务是引蓄奎屯河、四棵树河的调水和拦蓄喇嘛沟河洪水，调节水量在时空上分布不均的问题和解决下游部分奎屯河灌区和车排子灌区的用水问题。该水库是以农业灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合效益的平原水库。大二泉水库总库容550 万m3，由于库区被位于古河床中间的一道土山梁隔开，分为东泄洪区和西蓄水区，其中东泄洪区库容77 万m3，西蓄水区库容473 万m3，坝型为均质土坝，由引水渠首、引水渠道、大坝、溢洪道、放水涵洞及渠道等构成，其中引水渠道为混凝土衬砌梯形渠道，最大设计流量5 m3/s，放水渠道同上，最大设计流量2.5 m3/s，溢洪道最大泄流量96.8 m3/s。根据《水利水工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2000），水库规模为小（I）型，工程等别四等，主要建筑物4 级，次要建筑物5 级。设计洪水10 年一遇，校核洪水50 年一遇。

1.2 水库水源及调度运行情况

大二泉水库水源主要有三个，第一个由奎屯河农七师引水渠道（长14.9 km，最大设计流量30 m3/s），经八十四户大闸分水进入南水北调一期渠道（长12.495 km，最大设计流量5.5 m3/s），与大湾水库放水去交汇进入大排干渠道（长10.43 km，最大流量设计3 m3/s）进入大二泉水库引水渠首，2000 年以后开始使用，主要入库时间为3 月～5 月，奎屯河年径流量6.509 亿m3。第二个由四棵树河新渠首由向阳闸经喇嘛沟干渠（长48 km，最大流量15 m3/s）进入大二泉水库引水渠首，2005 年以后开始使用，主要入库时间为7 月～10 月，四棵树河年径流量3.062 亿m3。第三个由将军沟及左、右支流洪水汇集至喇嘛沟河（长70.94 km，最大洪峰流量80 m3/s），经大二泉水库引水渠首排浊后进入大二泉水库，主要入库时间为7 月下旬～8 月上旬。

大二泉水库历史最高库水位340.88 m，对应库容471 万m3，发生日期2011 年10 月22 日。历史最大入库流量4.2 m3/s，发生日期2011 年9 月21 日。历史最大出库流量2.4 m3/s，及发生日期2011 年7 月8 日。

2 泥沙设计

2.1 水文站观测点建立

大二泉水库流域内无一常规的水文观测点，邻近区域有两个基本国家基本水文站，一个是1954 年设立的四棵树河吉勒德水文站，另一个是1958 年设立的奎屯河加勒果拉水文站，1987 年8 月加勒果拉水文站上迁12 km，更名为将军庙水文站。水文站主要观测项目有水位、流量、悬移质泥沙、水温、降水、蒸发、气温、水质监测。在进行水库初步设计时，利用加勒果拉水文站1970 年～1987 年和将军庙水文站1988 年～1995 年实测径流、输沙率成果，并采用插补延长法[1]得到1970 年～2018 年共52 年泥沙系列。该资料满足水文数据“三性”审查，其径流泥沙成果可以直接应用于大二泉水库。

2.2 排沙方案分析

大二泉水库现行运行方式单一，水库泥沙主要来自洪水携砂，所以在洪水期内低水位运行，甚至空库迎洪便能加速水流流速，通过水流挟带大量泥沙排出库外。此外，库水位的降低还能加速回水末端淤积的水流流速，加剧有效库容内部分泥沙向坝前的运动，并将其带出库外，降低有效库容损失。排沙设计方案主要是基于降雨洪水预报，在其沙峰期敞泄排沙，从防洪汛限水位预泄，并在沙峰到来前敞泄至死水位，始终保持较低水位大流量排沙直至洪水结束；对于中小洪水年份，水库蓄洪运行，主要利用弃水过程“蓄清排浊”、重流排沙[2]。

排沙方案在频率＞5%的洪水过程中通过水位降低实现集中性排沙，这与水库防洪任务存在矛盾，为实现水库防洪的目标，必须对现行排沙方案进行优化调整，充分利用防洪库容在洪峰到来前进行部分洪水调蓄，实现削峰错峰。

3 水库实际淤积分析

3.1 干流泥沙实际淤积

根据大二泉水库插补延长法得到的1966 年～2018 年共52 年泥沙系列数据，进行水库干流泥沙实际淤积情况分析。根据淤积纵剖面形态（图1）可推断出淤积形态为三角洲型，且淤积面向坝前方向逐年升高推进，2018 年顶坡和前坡比降分别为0.12‰和2.19‰，三角洲洲顶高程平均为336.8 m，大二泉水库并未达到冲淤平衡。

图1 大二泉水库干流淤积纵剖面

大二泉水库干流坝前段横剖面淤积严重，滩槽剖面主槽的淤积厚度（247 m）比滩地淤积厚度（218.5 m）大，坝前段淤积逐年增大且层次较为分明。随着淤积三角洲洲头不断向剖面下游的推进，库中段剖面淤积逐年增加。

3.2 支流泥沙实际淤积

大二泉水库库区支流少，头台乡引水干渠可通过流量5 m3/s，下游有4 km2容泄区，同时，部分洪水通过支渠分流到三泉水库，三泉水库库容70×104m3。结合水库历次实测剖面资料进行头台乡引水干渠泥沙淤积分析。头台乡引水干渠淤积纵剖面见图2，头台乡引水干渠淤积形态呈锥体，淤积体末端淤积高程基本不变，而渠口淤积高程不断升高，淤积体比降不断减缓，1998 年、2008 年、2010 年、2015 年、2018 年淤积体比降分别为1.10%、1.31%、1.78%、2.59%、3.86%，2018 年与2015 年相比，淤积面并未发生较大变化，说明头台乡引水干渠从2015 年开始基本达到淤积平衡。到2018 年头台乡引水干渠锥形淤积体淤积高程平均为335 m，与大二泉水库库区运行水位平均值（340.82 m）接近。头台乡引水干渠正常蓄水位以下库容从1998年的550 万m3减小为2018 年的505 万m3；死库容从1998 年的250 万m3到2018 年全部损失；有效库容也从1998 年的160 万m3减小到2018 年的54 万m3。

图2 头台乡引水干渠淤积纵剖面

3.3 实测值与设计值对比

大二泉水库呈现出三角洲淤积形态，三角洲洲顶高程平均为320.18 m，从1998 年5 月水库蓄水至2018 年年底数十年的实际运行情况来看，库区泥沙淤积三角洲洲顶平均高程已经达到239 m，这也与设计值相符。注：库容损失率是水库淤积损失的库容占原有库容的百分比。

表1 大二泉水库淤积实测值与设计值对比

从表1 对比结果可以看出，大二泉水库总淤积量、库容损失等计算成果比设计值偏小，水库自1998 年5 月运行以来～2018 年年底，有效库容实际减小值为1920 万m3，比设计值20 年淤积水平高，这表明，大二泉水库淤积速度比预先设想的要快。水库运行5 a、10 a、15 a、20 a 后坝前淤积高程设计值分别为342.4 m、333.7 m、323.4 m、281.2 m，实测值则分别为236 m、237 m、238 m、239 m，实测值比设计值高。根据本文泥沙设计成果水库运行20 年淤积三角洲洲顶高程平均为237.5 m，表明水库在运行20 年后相同流量下水位已经超过设计成果，淤积升高速度比设计的要快。

4 大二泉水库淤积治理

4.1 治理工程措施

就大二泉水库淤积的原因来看，主要包括入库沙量增加、水库汛期运行水位较高等方面，这些原因共同导致水库库区淤积加快，为了有效治理泥沙淤积，2017 年8 月实施了对四棵树河七一大渠和引洪干渠高边坡处理工程、喇嘛沟河西湖段防洪工程，2020 年对喇嘛沟河上游段实施了将军沟山洪灾害治理工程。

表2 大二泉水库年排沙效果统计

4.2 调度措施

近年来水库排沙效果统计见表2。

由表2 可知，水库2003 年全年入库沙量1.204 亿t，淤积量为1.311 亿t，出库沙量为0.674 亿t，故排沙比（一定时间内排出水库的泥沙与进入水库泥沙的比率）为84.4%，2008 年、2013 年和2018 年排沙比分别为39.2%、95.2%和63.7%，2018年水库入库沙量明显增多，2003 年和2013 年大二泉水库均处于所在流域大洪水时期，排沙比比平常年份高，说明利用大洪水过程，如果前期淤积较严重，在大洪水前提前预泄，降低洪水位在汛限水位以下，洪水进库时，由回水逐渐向坝前移动，将原来的泥沙让回水带动而冲刷。在回水上游冲刷时产生溯源冲刷，逐步地由下往上不断进行切割，由此便能实现多来多排的较为明显的排沙冲沙效果。

5 结论

本文分析结果表明，大二泉水库自蓄水运行以来，由于入库沙量增加、汛期运行水位升高等原因，泥沙淤积速度不断加快，坝前实际淤积高程比设计值大。如果大二泉水库仍然能严格按照设计的“蓄清排浊”方式运行，则库区淤积和有效库容损失定会得到一定程度的遏制。