多泥沙河流中型水库调度运行原则研究

刘 江,李 江

(新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

新疆大部分河流是内陆河，据统计新疆境内共有河流570条，地表水年径流量787亿m3、较大的有伊犁河、额尔齐斯河、塔里木河、玛纳斯河、喀什噶尔河等九大流域18条大河(10亿m3径流量以上)[1]。其中发源于山间的河流有300多条，主要靠山地降水和三大山脉的积雪、冰川融水补给为主，夏季高温冰雪消融与暴雨叠加，造成较大洪水，加之山区河流纵坡较大，植被覆盖率低，水土流失普遍，且受塔克拉玛干等沙漠风沙的影响，河流含沙量较大，河流多数散失于灌区或荒漠，少数在低洼地形成湖泊。新疆属温带大陆性气候，“三山夹四盆”地形(“三山”指阿尔泰山、天山和昆仑山山脉，“四盆”指准噶尔、伊犁、吐哈和塔里木盆地)，盆地气温较山区高，受气温影响河流冬春季节断流，河流来水均与用水存在矛盾，河流上建设控制性水库是解决河流季节性缺水的不二选择。

近些年，随着国家经济实力增强和一带一路战略的实施，在新疆中小河流上实施了一大批中型水库工程，但受新疆河流多泥沙的影响，水库兴利与泥沙淤积的矛盾突显，研究中型水库的山区多泥沙河流中型水库调度运行方案，提高水库寿命和工程效益显得尤为重要，因此通过对“十三五”期间建设的南疆清水河伯司阿木水库、卡普斯浪河温泉水库、柯坪县苏巴什水库、恰克马克河托帕水库、提孜那甫河莫莫克水库、皮山河阿克肖水库、尼雅河尼雅水库、奴尔河奴尔水库、若羌县米兰山口水库、若羌河若羌水库等10座中型水库工程的调度运行方案的分析(见图1)，研究泥沙调度运行方案，探索多泥沙河流控制性水库兴利调节与排沙减淤之间的平衡点，初步归纳总结可行的调度方案[2]。

图1 研究对象各水库地理位置示意图

1 研究对象概述

研究对象主要位于塔里木河盆地周边的10条中小河流及对应的10座山区水库，其中位于天山南麓4座，位于昆仑山南麓6座，基本是环塔里木盆地分布，具有较好的代表性，各水库工程特性和所在河流特性统计见表1[3-6]。

表1 研究对象各水库工程特性统计表

2 泥沙调度运行原则研究

2.1 河流泥沙状况分析

河流泥沙量的变化主要受降水、下垫面和人类活动等影响，主要反映出不同时段人类活动对输沙模数的影响，一般情况下水沙对应关系基本一致，丰水年基本对应丰沙年，水、沙关系就说明了这一规律。选取水量、含沙量均较大的提孜那甫河莫莫克水库作为代表分析，莫莫克水库坝址断面历年水沙关系详见图2，从图中可以看出，输沙量历年呈不规则周期性变化，与水量变化过程基本相适应，即沙量与水量的增减相对应，但沙量的变化幅度比水量的变化幅度更大，在水、沙系列中，除个别年对应关系不好外，水、沙变化基本一致。

图2 莫莫克水库坝址断面历年水沙关系图

水利水电工程设计实践中，一定要重视河流泥沙量对工程的影响，根据泥沙对工程的影响程度，分为严重和不严重两类。研究对象所在的河流均位于环塔里木盆地边缘，根据研究对象河流泥沙量统计，河流的平均含沙量介于1～12 kg/m3，库容沙量比介于16～132，设计基准期50 a或100 a[7]。根据《工程泥沙设计标准》(GB/T 51280-2018)中划分，库沙比小于主要建筑物结构的设计基准期属于泥沙问题严重河流，反之则不严重，库沙比Ks小于30则泥沙特别严重。研究对象河流泥沙的泥沙问题评价，详见表2。

表2 各水库工程所在河流泥沙严重性评价表

由上表可以看出，评价河流的泥沙问题严重性的指标主要是库沙比和设计基准期，河流平均含沙量和水资源利用率只是参考指标，不直接影响判断。

2.2 泥沙调度研究进展

多沙河流水库采用“蓄清排浑”运用方式，汛期控制低水位运用，有利于水库排沙，保持长期有效库容。低水位调节库容小，优化运行要同时考虑防洪排沙和水资源综合利用[8]。

在放空水库利用汛期洪水排沙时，可控制坝前水位呈“台阶状”分级降低，不断打破河槽冲刷平衡局面，在总的冲沙水量相同的条件下，可获得更好的排沙效果[9]。

冰雪融水河流汛期来水来沙高度集中，非汛期大部分时间来水量很小，水库兴利与排沙之间的矛盾突出，因此在冰雪融水的多沙河流水库设计时应合理选择汛期运行水位，把握好汛末的蓄水时机，制定合理的排沙运行调度方案，保证水库效益的长期稳定发挥[10]。

水库泥沙问题在水库的调度运用中应引起各方面高度的重视。加强水库泥沙淤积规律和发展趋势的研究，寻求减缓水库淤积的措施，制定水库长期保持有效库容及可持续发展的策略，以达到兴利除害和减免泥沙淤积的目的，尽可能地延长水库的使用寿命[11]。

米兰河水库在汛期时必须兼顾排沙和蓄水，排沙期采取4月和7月，同时排沙运行，加大排沙力度，即采用“降水排沙，蓄水灌溉”的运行措施，分析研究米兰河山口水库调度与水库泥沙淤积关系，监控水库库容变化的动力过程，对水库的库容变化的动力过程，对水库的有效管理具有重要意义[12]。

2.3 水库运行方案研究

对于泥沙严重的河流上的水库要研究其调度运行方式，提出水库运行的要求和应采取的措施。对于水库泥沙采用“拦”或“排”的调度方案，应从工程的效益与兴利指标，因地制宜的原则予以考虑，片面地将泥沙全部拦在库内，或将泥沙全部排走都是不可行的。

根据《泥沙设计手册》，库沙比Ks<100的水库不应蓄洪运用，可采用“蓄清排浑”“降水排沙”的泥沙调度运行方式。根据清华大学水利系公式Kw=V/W和Ks=V/Ws计算库容系数和库沙比,当Kw大于0.2,Ks大于设计基准期可考虑水库“蓄洪运用”运行方式，如奴尔水库；当Kw小于0.2,Ks大于设计基准期可考虑 “蓄清排浑”运用降低水位的运行方式，如伯司阿木、阿克肖水库；当Kw小于0.2,Ks小于设计基准期泥沙淤积问题严重的河流，可考虑“降水排沙”运用空库排沙的运行方式，如莫莫克、尼雅等水库。

表3 各水库工程排沙措施情况统计表

对于排沙期选择时，主要参考洪水时段、输沙率大的时段来综合分析，大部分水库主汛期6—8月三个月份，也是全年的大水大沙月份，是入库泥沙最集中的时期，也是水量集中的月份，这三个月的排沙运行方式是水库泥沙调度运行的关键。考虑到河流开发利用率较高，对于影响兴利的，排沙期的设定需要结合泥沙淤积计算、兴利调节和经济比较等方面综合率定。如图3为莫莫克水库丰沙期旬平均输沙率及流量关系图，由图可以看出，输沙率最大的时段为6—7月，因此基本可率定莫莫克水库排沙期选择应包括6—7月，可根据下游用水紧张程度，适当延长排沙期至6—8月。

图3 莫莫克水库丰沙期旬平均输沙率及流量关系图

排沙控制水位选择时，从排沙的角度考虑，要求汛期(6—8月)排沙水位尽可能低；从灌溉、发电等兴利的角度考虑，水库中蓄水越多保障率越高；而从水库长期利用角度考虑，水库每年淤积的库容越少越好，为了减少淤积便要求水库汛期降水位、泄流冲沙。为兼顾以上两个方面，一般在输沙率高的时段选择死水位作为汛期排沙控制水位，输沙率降低的时段，排沙效果不好考虑蓄水后高水位异重流排沙，既考虑了降低水位排沙保证水库寿命，同时兼顾了兴利的要求。

排沙泄流规模选择时，根据《泥沙设计手册》，对于多沙河流水库，要以死水位作为汛期排沙控制水位，针对大量泥沙主要是洪水时挟带来的特点，要求常遇洪水洪峰流量不滞洪，并且具有常遇洪水冲刷排沙能力。控制汛期限制水位以下槽库容调水调沙运用多年冲淤平衡的正常死水位的泄流规模相当于3～5 a一遇洪峰流量；根据《工程泥沙设计标准》泥沙设计规范要求，水库死水位(排沙水位)下泄流量规模应满足水库排沙要求，应不小于2 a一遇洪峰流量，排沙水位下足够的泄流规模和建设合理的泄流排沙设施是控制水库淤积末端和长期保持调节库容的必要条件。

3 结 语

(1)根据以上对环塔里木盆地典型10座中型水库的分析，可以看出，水库调度运行不尽合理，运行期泥沙问题频现，泥沙问题处理不好会严重影响水库运用，需要在今后的设计中加以足够重视，合理化水库运用方式，延长水库的寿命，提高水库的经济效益。目前南疆大型水库运行调度也不尽合理，泥沙问题严重，危害极大，功能和效益难以发挥，下一步要对南疆大型水库存在的问题进行分析。

(2)新疆南疆水库泥沙问题普遍比较严重，控制优化泥沙调度是目前解决水利工程泥沙问题的主要手段。水库泥沙调度方式应根据河流泥沙特性、水库调节性能、综合利用任务及开发利用程度等要求，采取控制水位调沙或敞泄排沙，对于调节库容要求高且管理水平高的地区，必要时可采用分级流量排沙的措施，保证在充分利用库容调节发挥效益的同时，增加水库使用寿命。