新疆克孜尔水库能力提升工程——非工程措施排沙效果初探研究

◎ 肖俊 张桂林 郭华 姚鹏亮 郑忠 新疆水利水电勘测设计研究院

随着科技领域和建筑技术的发展，人们为了更加高效地利用水资源，在二战结束后世界各国开始修筑大量的水库，然而泥沙淤积问题却成为了影响世界各国水库寿命的主要问题之一。我国水资源在空间和时间上分配表现为东南水资源优厚，西北水资源匮乏，夏季水资源较丰富，因此建国后我国修筑了大量的水库，但是由于排沙管理方式和泥沙计算精度等问题，造成水库短期内泥沙淤积严重。如何选择合适的水库泥沙淤积计算模型和排沙方式对我国水库的运行十分重要。

水库泥沙问题严重影响农业灌溉用水、降低水库防洪能力、扩大水库淹没范围、影响航运、降低水库的经济效益。由于早期我国水库泥沙淤积研究相对较少，水库运行管理方式相对较为落后，导致多数水库运行不足20年,总淤积量占原设计库容的18.6%，因此当代学者逐渐加大对水库泥沙淤积计算和排沙方式的研究。常云华等人以黄河潼关到三门峡水库的泥沙淤积为例，用实例证明表明一维非饱和不平衡输沙异重流数学模型泥沙淤积计算结果可靠。彭杨等人以三峡库区为例，构建非恒定一维水沙数学模型计算水库泥沙淤积量，通过与实测资料进行对比分析，发现理论计算十分接近实际应用。魏向阳等人通过研究小浪底水库汛期低水位排沙调度的排沙效果，得到低水位排沙运用调度排沙效率高，是对水库排沙减淤的有益探索。候素珍等人以三峡水库汛期排沙为例，研究水库敞泄排沙的运行效果，得出完全敞泄时库区冲刷取决于流量大小和敞泄时间，净排沙效率随着水量的增加和敞泄时间的延长而减小。通过前面学者的辛苦付出，推动了当代学者对水库泥沙淤积的研究，学者逐渐开始研究水库泥沙淤积计算模型以及排沙方式，进而延长水库使用寿命，增加水库综合效益。

本文以克孜尔水库为例，通过构建一维不平衡输沙数学模型对低水位排沙和敞泄排沙两种排沙方式进行计算和研究，得出克孜尔水库能力提升的非工程措施的冲淤效果的定性评价及定量评价结论，为水库排沙的研究提供参考。

1.河流特性及水库概况

克孜尔水库位于新疆阿克苏地区拜城县境内，塔里木河水系渭干河干流木扎提河与支流克孜尔河的汇合处，是一座以灌溉、防洪为主兼有水力发电等综合利用性的大型水利枢纽工程。原设计总库容为6.4亿m，设计灌溉面积320万亩，属于大（1）型Ⅰ等工程。至2017年底，水库正常蓄水位1149.6m，相应库容为2.858亿m，死水位1135m，相应的死库容0.014 亿m，水库多年平均入库悬移质输沙量为1190万m，多年平均入库推移质输沙量为100万m，则库沙比为18.9，根据《工程泥沙设计标准》［GB/ T 50180-2018］中标准划分，属于泥沙问题非常严重的水库。

2.基本资料

2.1 水沙资料

根据克孜尔水库的初设报告（1989年），多年平均悬移质入库沙量为878万t；根据水文站统计1992-2017年共26年的入库出库沙量以及实测的库容推算1992～2017年多年平均入库总沙量为1872万t，除推移质外，多年平均入库悬移质沙量为1702万t。经对比分析可见1992～2017年由实测淤积后库容推算的入库悬移质沙量为水文站观测值的1.60倍，是初设阶段入库悬移质沙量的1.94倍。本次非工程措施排沙效果评价计算时，采用逐时段修正后的1992～2017年多年平均入库悬移质沙量1702万t，推悬比为10%，推移质入库为170万t。克孜尔水库入库输沙量计算结果如表1所示。

表1 克孜尔水库入库输沙量计算（入库泥沙修正成果） 单位（万t）

2.2 地形观测资料

本次依据实测的库区1：10000电子地形图，采用地形图量算的水位～面积～库容关系与历次量算的水位～面积～库容关系分析水库泥沙的变化情况。

3.水库实际运行后淤积情况

根据实际运行水位可以看出未按照初步设计的运行20年后泄空冲沙方案运行，也未按照除险加固的水库6～7月在死水位排沙的方案运行。水库运行至2017年，水库死库容基本淤平，主要淤积增量位于汛期限制水位以下，2007～2017年期间汛期限制水位以下淤积总量为1.425×10m，占总淤积量的99.78%，平均每年淤积量为0.1123×10m。克孜尔水库实际运行后水库泥沙淤积情况见表2。2011年、2017年的库区淤积DEM值以及2011年与2017年库区淤积DEM的差值如图1～图3。

表2 克孜尔水库实际运行后水库泥沙淤积情况

图1 2011～2017年库区淤积差值

图2 2011年库区淤积

图3 2017年库区淤积

4.模型的基本方程

本次针对清淤的非工程措施，构建了干流和支流的定期泥沙淤积计算数学模型和敞泄排沙的数学模型，采用非均匀流不饱和全沙水库数学模型进行水库泥沙淤积和排沙计算。以下是相关的模型基本方程：

（1）悬移质平均含沙量沿程变化：

（2）水流挟沙力方程。对于数模计算，主要为长系列年研究，因而更有必要考虑悬移质泥沙的淤积影响。本数模进行悬移质水流输沙能力计算采用张红武水流挟沙力公式：

经清华大学舒安平、黄委会江恩惠、朱太顺、王严平等学者以及国家自然科学基金重点项目“高含沙水流紊动结构和泥沙运动规律的研究”（项目编号：59339170），通过大量实测资料检验，证实公式是现有公式中最适用于天然河流的水流挟沙力公式，目前已得到广泛应用。因此，采用该水流挟沙力公式，可保证我们所建立泥沙数学模型正确模拟悬移质泥沙冲淤影响。

分组挟沙力可由下式计算：

式中：

（3）推移质水流挟沙力方程。对于数学模型中各断面推移质输沙率的计算采用与悬移质边连续方程相类似的方法计算，即：

式中：

Q——进口断面推移质输沙率，kg/s；

Q——进口断面流量，m³/s。其他符号含义同前文。

推移质主要在主河槽淤积，在水库淤积三角洲中推移质与悬移质混合堆积，推移质主要堆积在三角洲的尾坡段和顶坡段，随着淤积年限增加推移质淤积面逐渐抬高。

（4）水流连续方程：

（5）水面线方程：

（6）床变形方程

（7）断面特性曲线处理。淤积时，断面按湿周等厚分布；冲刷时，冲槽不冲滩，按水平状态进行冲刷。

5.克孜尔水库非工程措施排沙效果初评

5.1 汛期定期低水位运行

1）初选排沙控制水位：

由于克孜尔水库泥沙问题严重，从排沙的角度考虑，要求汛期排沙水位尽可能低；从兴利的角度出发，要求汛期排沙水位高一些较好，而排沙水位过高，则会加大水库淤积量，影响水库的运行寿命。因此，本次初选死水位1135m作为汛期排沙控制水位，即考虑了降低水位排沙，同时兼顾了灌溉和发电的要求。

2）进一步论证汛期排沙控制水位：

将6、7、8三个月的月时段划分成九个旬时段进行不同排沙水位方案的论证比选，6月上旬至8月下旬水沙基本的对应关系是水大沙大，并逐旬递增，输沙率在7月下旬达到最大值，其中6月上旬和8月下旬的水量及沙量相对较小，8月中旬结合综合利用要求水库需蓄水，基于以上原因将论证的重点时段划分为6月下旬～8月上旬，形成14组组合方案。干支流组合不同排方案计算成果见表3。

表3 干支流组合不同排方案计算成果表

从以上计算结果可以看出，随着低水位运行时段的加长，库区泥沙是逐渐向坝前推进的过程，低水位时段越多，推进的趋势越为明显。因此，仅从泥沙淤积的角度来分析，水位降两个旬的方案一定是比降一个旬的方案保留的有效库容大，排沙效果也更好，同理降三个旬比降两个旬的排沙效果好，以此类推，水位越低排沙效果越好，水位下降的时段越长排沙效果越好，同时结合兴利，综合考虑来推荐较优的汛期排沙控制水位方案。

5.2 敞泄冲沙运行

根据水库2007年以来的实际运行水位，6月份水库有一个蓄放过程，7月上、中旬水库运行水位为相对较低的过程，8月份水库运行水位较高，因此，敞泄冲沙时段选择在7月份，以此拟定了7月上、中、上中旬分别进行敞泄冲沙、7月其它时段采用死水位排沙的三个泥沙调度方案。从各方案计算成果可以看出，水库运行5～7年达到冲淤平衡，均能保持现状库容不再损失，并略有恢复。不同时段敞泄冲沙下的库容变化见表4。

表4 不同时段敞泄冲沙下的库容变化

6.结论

从以上计算结果可以看出，随着低水位运行时段加长，库区泥沙是逐渐向坝前推进的过程，低水位时段越多，推进的趋势越为明显。因此，仅从泥沙淤积的角度来分析，水位降两个旬的方案一定是比降一个旬的方案保留的有效库容大，排沙效果也更好，同理降三个旬比降两个旬的排沙效果好，以此类推，水位越低排沙效果越好，水位下降的时段越长排沙效果越好，但最终需要与兴利相结合，综合考虑来推荐较优的汛期排沙控制水位方案。