沙尔托海水库坝址处泥沙淤积分析

叶尔登

(新疆博尔塔拉水文勘测局，新疆 博尔塔拉蒙古自治州 833400)

1 工程概况

大河沿子河发源于新疆博罗科努山西段、科古琴山北面两山交汇处，沿途两岸汇集众多小溪，呈典型树枝状水系，出山口后系南北流向，过沙尔托海水文站至大河沿子镇汇入博尔塔拉河，最终流入艾比湖[1]。沙尔托海水库位于沙尔托海水文站上游600 m，2013年10月1日正式下闸蓄水，2019年通过竣工验收，主要以灌溉为主，兼顾防洪。2021年，规划加高水库大坝，工程任务以灌溉、防洪为主，远期兼顾发电。

2 泥沙特性分析

大河沿子河上游发育有34条冰川，冰川面积4.17 km2。海拔2500 m以上，分布有终年积雪和冰川；海拔800～2500 m之间，山高林密，水土保持条件较好，含沙量相对较小[2]。在低山区部分范围内，两岸植被稀疏，山体裸露，风化和风碛作用强烈，一旦进入汛期暴雨将两岸松散风积物带入河道，尤其遇大暴雨洪水时，河道泥沙有所增加，因而冰雪融化和暴雨洪水是大河沿子河泥沙产生的主要原因。

3 推悬比和排沙比分析

对于改扩建水库工程，计算水库淤积，首先需使用实测资料计算入库泥沙的推悬比和排沙比。由于沙尔托海水库建成运行期间一直没有监测水库的入库泥沙和出库泥沙，故本次水库泥沙淤积计算，仍需借用推悬比和排沙比经验值。根据新疆其他5座中型水库推悬比和排沙比资料，分析对比两个参数借用的合理性(见表1)。

表1 水库推悬比和排沙比分析成果

通过5个水库特点和所在流域的水沙特性及采用的推悬比和排沙比分析，并结合沙尔托海水库自身特点和所在河流大河沿子河的水沙特性，确定本次推悬比取15%，水库运行10 a内，平均排沙比取38%，水库运行11～20 a内，排沙比取47%，水库运行21～30 a内，排沙比取 50%，水库运行31～40 a内，排沙比取51%，水库运行41～50 a内，排沙比取53%。

4 水库泥沙淤积计算

由于沙尔托海水库建设前后无任何泥沙实测资料，现采用多种方法进行泥沙淤积分析计算。

4.1 实测库容差值法

沙尔托海水库2013年10月1日正式下闸蓄水，正常蓄水位604.14 m。2010年9月进行过沙尔托海水库库区原始地形图测量，2017年4月、2021年5月又进行了沙尔托海水库库区地形图测量，包含水下地形，制作了水位-库容对照表(见表2)、不同高程区间淤积分析图(见图1)[3]。

图1 2010—2021年区间淤积分析

表2 沙尔托海水库水位～库容关系对照情况

由表2可知，2010年至2021年水库泥沙淤积量增大，库容减小。其中，2010年至2017年间水库泥沙淤积量增大，库容减小；2017年至2021年间水库整体呈现泥沙冲刷现象，库容增大。

由图1可知，沙尔托海水库建成运行到现状年，库区泥沙淤积量最大的区域是在570～572 m高程区间，淤积量为3.98×104m3；淤积量最小的是在598～600 m高程区间，淤积量为0.18×104m3。

4.1.1 泥沙纵向、横向淤积形态分析

(1)泥沙纵向淤积形态分析。绘制沙尔托海水库一期工程建成后2017年和2021年水库沿程库底高程线(见图2)。

图2 水库泥沙冲淤纵向变化形态

从图2中可以看出，在沙尔托海水库一期工程运行期2017—2021年间：距大坝0～477 m、968～1174 m纵形态呈现水库泥沙冲刷；距大坝1402～1649 m纵形态呈现水库泥沙淤积；其他地方纵形态水库泥沙冲淤基本平衡，纵形态水库泥沙总体呈现冲刷现象。

(2)泥沙横向淤积形态分析。分别在2017年和2021年库区地形图中选取代表水库上、中、下游三个同一位置的断面，分别绘三个断面2017年和2021年的大断面套绘图，发现在水库一期工程运用的2017—2021年间：上游断面泥沙淤积变化呈现左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷状；中游断面泥沙淤积变化为左、右岸均呈现泥沙冲刷状；下游断面泥沙淤积变化为左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷，总体来看呈现微弱泥沙冲刷状态。

4.1.2 泥沙淤积量计算

(1)水库淤积计算。沙尔托海水库工程建成蓄水后到现状年(2020年)期间的水库泥沙淤积总量，可以通过对比沙尔托海水库工程蓄水前水库水位-库容曲线(2010年实测)和现状年库区实测地形率定的水库水位-库容曲线得到。通过对来水来沙规律分析可知，10月—次年5月枯期来水来沙少，故2013年10—12月、2021年1—5月不加入计算，由此计算得到沙尔托海水库建成蓄水到现状年(2014—2021年)泥沙淤积总量为42.6×104m3。

本次计算推悬比采用0.15，推移质干容重取1.70 t/m3，悬移质干容重取1.36 t/m3。则推移质和悬移质的体积比为0.12，2014—2020年沙尔托海水库推移质淤积容积为4.56万m3，推移质淤积量为7.76万t，推移质年平均淤积量为1.11万t/a。2014—2020年沙尔托海水库悬移质淤积容积为38.0万m3，悬移质淤积量为51.7万t，悬移质年平均淤积量为7.39万t/a。

(2)出库泥沙计算。经过调查，沙尔托海水库蓄水在11月和12月，其他月份基本不蓄水。大河沿子河洪水主要集中在6月、7月、8月，这3个月的来水含沙较多，泥沙量约占全年的90%以上。为了在洪水期排沙，沙尔托海水库这三个月不蓄水，处于放空排沙工况。沙尔托海水库运行10 a内排沙比为38%，即推移质年平均出库量为0.679万t/a，悬移质年平均出库量为4.53万t/a。

沙尔托海水库坝址断面径流量为1.256×108m3，多年平均含沙量为1.09 kg/m3，推移质多年平均为0.142 kg/m3，悬移质多年平均为0.949 kg/m3。

4.2 输沙模数法

4.2.1 入库泥沙计算

参证站精河温泉水文站悬移质输沙模数为82.3 t/km2，精河山口水文站悬移质输沙模数为261 t/km2，从工程安全角度，本次选用精河山口水文站输沙模数261 t/km2作为沙尔托海水库泥沙计算使用参数[4]。

沙尔托海水文站多年平均年径流量1.256×108m3，利用输沙模数261 t/km2和沙尔托海水库坝址以上集水面积1697 km2，计算得到该水库坝址断面多年平均悬移质输沙量为44.3万t/a，悬移质多年平均为3.53 kg/m3。推悬比为15%，计算得到多年平均推移质输沙量为6.65万t/a，推移质多年平均为0.529 kg/m3。

4.2.2 出库泥沙计算

沙尔托海水库运行10 a排沙比为38%，则多年平均悬移质出库量为16.8万t/a，多年平均推移质出库量为2.53万t/a。

4.2.3 水库淤积计算

沙尔托海坝址断面多年平均悬移质输沙量44.3万t/a减去多年平均悬移质出库量16.8万t/a，得到多年平均悬移质淤积量27.5万t/a；多年平均推移质输沙量6.65万t/a减去多年平均推移质出库量2.53万t/a，得到多年平均推移质淤积量4.12万t/a。

4.3 平均径流含沙量法

4.3.1 入库泥沙计算

从工程安全角度，本次以临近的精河山口水文站实测资料为参证[5]。用沙尔托海水文站多年平均年径流量1.256×108m3乘以精河山口水文站悬移质多年平均值0.803 kg/m3，即为沙尔托海水文站悬移质多年平均输入量10.1万t。推悬比为15%，计算得到多年平均推移质输沙量为1.52万t/a，推移质多年平均为0.121 kg/m3。

4.3.2 出库泥沙计算

沙尔托海水库运行10 a内排沙比取38%，则多年平均悬移质出库量为3.840万t/a，多年平均推移质出库量为0.578万t/a。

4.3.3 水库淤积计算

沙尔托海坝址断面多年平均悬移质输沙量10.10万t减去多年平均悬移质出库量3.84万t/a，得到多年平均悬移质淤积量为6.26万t；用沙尔托海坝址断面多年平均推移质输沙量1.520万t/a减去推移质出库量0.578万t/a，计算得到多年平均推移质淤积量0.939万t/a。

4.4 借用单位径流深输沙模数法

4.4.1 入库泥沙计算

根据精河山口水文站多年平均悬移质输沙量37.1万t，流域面积1419 km2，年径流量4.627×108m3，输沙模数261 t/km2，得出精河山口水文站流域径流深为326.07 mm，径流深每毫米输沙模数为0.80 t/km2。

用径流深输沙模数法推算沙尔托海水库坝址断面泥沙，根据坝址断面以上流域面积1697 km2，多年平均年径流量1.256×108m3，得出沙尔托海径流深为74.01 mm，坝址断面多年平均悬移质输沙量10.1万t，多年平均含沙量0.801 kg/m3。推悬比为15%，计算得到多年平均推移质输沙量为1.52万t/a，推移质多年平均为0.121 kg/m3。

4.4.2 出库泥沙计算

沙尔托海水库运行10 a内排沙比取38%，因此沙尔托海水库多年平均悬移质出库量为3.840万t/a，多年平均推移质出库量为0.578万t/a。

4.4.3 水库淤积计算

沙尔托海坝址断面处多年平均悬移质输沙量10.1万t减去多年平均悬移质出库量3.84万t/a，得到多年平均悬移质淤积量6.26万t；根据沙尔托海坝址断面多年平均推移质输沙量为1.520万t/a和多年平均推移质出库量为0.578万t/a，计算得到多年平均推移质淤积量为0.939万t/a。

4.5 成果选取

本次水库泥沙计算采用了四种方法，如表3所示。其中借用输沙模数法计算的水库泥沙结果与其他方法计算的相差较大[6]。

表3 沙尔托海水库坝址断面泥沙计算不同方法成果对比

借用输沙模数法计算水库泥沙结果误差较大的原因是沙尔托海水文站以上集水面积为1697 km2，多年平均年径流量为1.256×108m3/a，多年平均径流深为74.0 mm；而参证站精河山口水文站以上集水面积为1419 km2，多年平均年径流量为4.761×108m3/a，多年平均径流深为335.5 mm。二者植被条件、下垫面泥沙颗粒级配、流域坡度、降水强度、降水量等影响泥沙模数的因素差异较大。从而导致两个流域输沙模数大小会相差较远。因此输沙模数法推算大河沿子河沙尔托海水库坝址断面入库泥沙误差较大，不予采用。

另外三种方法计算的沙尔托海水库坝址断面入库泥沙结果相对较为合理。为工程安全考虑，沙尔托海水库坝址断面入库泥沙计算推荐采用实测库容差值法计算的成果，沙尔托海水库坝址断面悬移质年入库量为11.9万t，悬移质多年平均为0.949 kg/m3。

5 结 语

由于缺乏实测监测资料，使得沙尔托海水库大坝加高扩容时，水库泥沙淤积情况计算困难。通过分析探讨，沙尔托海水库所在的大河沿子河沙尔托海水文站以上集水区多年平均降水量与精河山口水文站以上集水区多年平均降水量相差较大，进而影响入库泥沙结果；而根据实测资料计算坝址断面泥沙相对更为合理、更为精确。所以，沙尔托海水库坝址断面泥沙计算推荐实测库容差值法计算的成果，即坝址断面悬移质年入库量为11.9万t，悬移质多年平均为0.949 kg/m3。