黑河黃藏寺水利樞紐工程泥沙研究

李慶國，段高云，郭其峰，成鵬飛

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450003）

1 概 況

黑河干流全長928 km，在源流區(qū)分為東、西兩岔[1]，在黃藏寺村匯合后折向北流，流域面積為11.6萬km2，多年平均水資源總量為28億m3。

黃藏寺水利樞紐是黑河干流骨干調(diào)蓄工程，壩址上距黃藏寺村約11 km，是黑河流域重要的水資源配置工程、生態(tài)保護工程和扶貧開發(fā)工程。工程地理位置見圖 1。樞紐為Ⅱ等大（2）型工程，死水位為2 580.0 m，正常蓄水位為2 628.0 m，水庫總庫容為4.03億m3，調(diào)節(jié)庫容為2.95億m3。電站裝機規(guī)模為49 MW，保證出力為 6.2 MW，多年平均發(fā)電量為2.03億kW·h。大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高為123 m。

圖1 黃藏寺水利樞紐工程位置示意

2 流域水沙特性

黃藏寺水利樞紐壩址以上東西兩岔八寶河、黑河上分別建有祁連水文站和扎馬什克水文站[2-3]，控制流域面積分別為2 452 km2和4 589 km2；壩址下游80 km處有鶯落峽水文站，控制流域面積為10 009 km2；黃藏寺壩址控制流域面積為7 648 km2。黑河流域主要水文站概況見表1。

表1 黑河流域主要水文測站概況

祁連站、扎馬什克站和鶯落峽站（以下簡稱“三站”）多年平均來水量分別為4.58億、7.41億、16.09億m3，多年平均實測輸沙量分別為38.69萬、113.55萬、205.17萬 t，多年平均含沙量分別為 0.84、1.53、1.28 kg/m3，最大含沙量分別為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），見表2。

流域水沙主要有以下特性：

（1）水量年際變化較小，沙量年際變化較大。從年際變化情況看，來水量變化較小。三站最大年來水量分別為6.94億、10.47億、23.07億 m3，分別為最小年來水量的2.2倍、2.0倍、2.3倍；來沙量年際變化較大，三站最大年來沙量分別為201.22萬、641.65萬、995.08萬t，分別為最小年來沙量的19.2倍、43.2倍、271.1倍。

（2）水沙量年內(nèi)分配不均。各站水量年內(nèi)分布不均，主要集中在6—9月，三站多年平均6—9月來水量分別占年來水量的64%、69%、68%；來沙量的集中程度甚于來水量，三站多年平均6—9月來沙量分別為年來沙量的87%、97%、95%，見圖2、圖3。

表2 黑河流域主要水文站多年平均徑流泥沙特征值

圖2 黑河流域各主要水文站水量年內(nèi)分配

圖3 黑河流域各水文站沙量年內(nèi)分配

（3）來沙量主要集中在洪水期，非洪水期來沙量很小。以大水大沙的1996年為例，該年扎馬什克站實測最大洪峰流量為1 010 m3/s，為本站實測流量最大值；祁連站和扎馬什克站共來水13.90億m3，占兩站1968—2012年總來水量的 2.9%；來沙量為 702.27萬t，占1968—2012年總來沙量的12%。從1996年祁連站和扎馬什克站5—9月日均流量及含沙量過程線可以看出，洪水期洪峰與沙峰對應(yīng)較好，其中兩站4場洪水來水量為5.04億m3，占全年來水量的36.3%；來沙量為654.41萬t，占全年來沙量的93.2%，見圖4。

圖4 祁連站和扎馬什克站日均流量、含沙量過程線

3 水沙系列擬定

（1）入庫懸移質(zhì)沙量。工程上游受人類活動影響較小，因此黃藏寺水利樞紐入庫泥沙由祁連、扎馬什克站加區(qū)間來沙組成，區(qū)間沙量根據(jù)兩站與鶯落峽站區(qū)間輸沙模數(shù)推求，黃藏寺水利樞紐年均入庫懸移質(zhì)沙量為169.7萬t。同理，算得黃藏寺1958—2012年多年平均入庫水量為12.81億m3。

（2）入庫推移質(zhì)沙量。黃藏寺水利樞紐懸移質(zhì)來沙量較小，但河道兩岸有泥石流情況發(fā)生，且?guī)靺^(qū)山體裸露、植被較差。確定黃藏寺水利樞紐推移質(zhì)沙量為懸移質(zhì)沙量的20%[5]，即年入庫推移質(zhì)為33.9萬t。利用梅葉-彼得和R·摩勒推移質(zhì)輸沙率計算公式（見式（1））計算年均入庫推移質(zhì)泥沙為35.6萬t，與采用推懸比[5]的計算值比較接近。輸沙率計算公式為

式中：gs為推移質(zhì)單寬輸沙率，t/（s·m）；Ks為河床糙率系數(shù)；Kr為河床平整情況下的沙粒阻力系數(shù)，Kr=為床沙顆粒級配曲線中90%較之為小的粒徑，取 0.25 mm；r、rs分別為水、沙容重，r=1 t/m3，rs=2.65 t/m3；h為水深，m；i為坡降；d為粒徑，m。

（3）水沙系列。黃藏寺水利樞紐為大型水庫，泥沙淤積年限確定為50 a。黃藏寺壩址處有1968—2012年45 a實測入庫日均水沙資料，再利用45 a實測資料進行5 a滑動計算，即可從中選取5 a水沙系列組成50 a水沙系列。

綜合選取1968—2012年+1994—1998年50 a系列作為水庫泥沙沖淤計算采用系列，系列多年平均入庫水量為12.78億m3，多年平均入庫沙量為172.3萬t，水沙量分別為設(shè)計水沙量的0.998倍、1.015倍，多年平均含沙量為1.35 kg/m3。黃藏寺水利樞紐推移質(zhì)沙量為懸移質(zhì)沙量的20%，則入庫推移質(zhì)為34.5萬t。水沙系列特征值統(tǒng)計見表3。

表3 入庫懸移質(zhì)系列多年平均水沙特征值統(tǒng)計

4 水庫調(diào)度及沖淤效果分析

（1）調(diào)度運行方式。黃藏寺水利樞紐在4月上中旬、7月、8月中旬、9月中旬（相機）通過加大流量向下游輸水，完成國務(wù)院批復的分水方案，滿足黑河下游生態(tài)用水要求，在調(diào)水的同時加強對中游引水口門的管理；在中游灌區(qū)用水時段按灌溉用水要求進行灌溉調(diào)度，使中游地區(qū)農(nóng)業(yè)用水保證率達到設(shè)計保證率50%；冬四月（12月至翌年3月）泄放生態(tài)基流，兼顧發(fā)電運用[4]。

當水庫來水量大于用水需求時，水庫蓄水運用，汛期控制水位不超過汛限水位2 628 m；當水庫來水量小于用水需求時，水庫泄水運用。非汛期水庫最高運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，特枯水年水庫水位不低于極限死水位2 560 m。

（2）水庫沖淤計算結(jié)果。根據(jù)選取的泥沙系列和水庫運用方式，采用黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司研發(fā)的一維水文水動力學泥沙沖淤計算模型進行計算，模型計算時段為日。經(jīng)計算，黃藏寺水庫50 a總?cè)霂鞈乙瀑|(zhì)沙量為0.663億m3（懸移質(zhì)淤積物干容重采用1.3 t/m3），水庫50 a累計懸移質(zhì)淤積量為0.513億m3，懸移質(zhì)多年平均排沙比為22.6%，見圖5。推移質(zhì)泥沙按全部淤積考慮，水庫運用50 a后推移質(zhì)淤積量為0.115億m3（推移質(zhì)淤積物干容重采用1.5 t/m3），則黃藏寺水利樞紐運用50 a共淤積泥沙0.628億m3。

圖5 水庫累計沖淤過程

（3）水庫淤積形態(tài)。根據(jù)已建水庫的實測資料分析、經(jīng)驗公式計算、懸移質(zhì)泥沙沖淤計算結(jié)果，綜合判斷水庫淤積形態(tài)為三角洲淤積。按照水庫淤積沙量，試算確定黃藏寺水利樞紐淤積形態(tài)[5-7]。采用經(jīng)驗法進行泥沙沿程分布設(shè)計計算，水庫運用50 a后壩前淤積高程為2 557 m，尾部段和三角洲段占總淤積量的67.4%，沿程段淤積量占總淤積量的12.1%，壩前淤積量占總淤積量的20.5%。水庫淤積縱剖面見圖6、圖7。

（4）出庫含沙量。黃藏寺水利樞紐多年平均出庫含沙量為0.23 kg/m3，最大日出庫含沙量為6.84 kg/m3，見表4。

圖6 水庫運用50 a后淤積縱剖面（黑河）

圖7 水庫運用50 a后淤積縱剖面（八寶河）

表4 黃藏寺水庫出庫含沙量特征值統(tǒng)計

5 結(jié) 語

黑河流域具有水量年際變化小、沙量年際變化大、水沙年內(nèi)分配不均、沙量主要來自洪水期等特性。黃藏寺水利樞紐年入庫懸移質(zhì)沙量為169.7萬t、推移質(zhì)沙量為33.9萬t，泥沙問題相對不嚴重。采用50 a水沙系列，應(yīng)用一維水文水動力學泥沙沖淤計算模型進行計算，水庫計算期排沙比為22.6%，50 a共淤積泥沙0.628億m3，最大日出庫含沙量為6.84 kg/m3。水庫淤積形態(tài)為三角洲淤積，壩前淤積高程為2 557 m。

黃藏寺水利樞紐是黑河干流骨干調(diào)蓄工程，是黑河流域重要的水資源配置工程、生態(tài)保護工程和扶貧開發(fā)工程，工程已于2016年開工建設(shè)。通過分析入庫水沙特性，選取泥沙系列，采用經(jīng)驗分析和數(shù)學模型計算，合理確定水庫工程泥沙設(shè)計成果，為合理確定工程規(guī)模提供技術(shù)支撐。工程泥沙設(shè)計是基于選定的水沙條件和設(shè)計運用方式，但水沙條件變化及工程調(diào)度運行存在一定的不確定性，因此，在工程實際運用過程中應(yīng)加強調(diào)度運用管控和庫區(qū)淤積監(jiān)測，保證工程效益正常發(fā)揮。