烏魯瓦提水利樞紐工程泥沙調度方案研究

黃 濤

(新疆維吾爾自治區烏魯瓦提水利樞紐管理局，新疆 和田 848000)

1 工程概況

烏魯瓦提水庫屬于一座集防洪發電、生態保護、農業灌溉等功能于一體的大(2)型工程，樞紐以上控制面積19983km2，控制全河徑流量97%。水利樞紐包括升壓變電站、開關樓、水電站廠房、發電引水洞、泄洪排沙洞、沖沙洞、大壩、溢洪道等建筑結構，總庫容3.336億m3，設計和校核洪水位為1962.65、1963.29m，正常蓄水位1962.00m，裝機容量60MW，年發電量1.97億kW·h。工程投入運行后改善和擴大灌溉面積7.58hm2，通過水庫調節每年平均向塔里木河供水10.57億m3。烏魯瓦提水利工程有利于減輕洪水災害和維護和田河下游綠色廊道生態環境，顯著提升下游河道的防洪能力和農業經濟發展水平[1-3]。

喀拉喀什河發源于山勢陡峭險峻的昆侖山區，為外力強烈沖擊和構造隆起的中高山地帶，工程地質以礫巖、粉砂巖、石膏巖、砂頁巖、砂礫巖、碳系灰巖、粉砂巖及砂礫為主。該流域氣候干燥屬于內陸干旱區，一面瀕臨沙漠、三面高山環抱，地表干燥剝蝕和物理風化強烈，而高山河道凍冰剝蝕風化、冰磧物豐富且地勢陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，因此地表和河道沙源豐富，高山段河流洪水期水量集中且流速較大，水流具有較強的攜沙能力，同時中低山地帶的暴雨和融雪也將大量泥沙沖入河道，以上各因素作用使得河流含沙量大[5-8]。

根據以上河流特性分析，為保持有效庫容采用蓄洪運用的方式，在滿足興利防洪的條件下盡可能的利用棄水排沙。結合河流實際情況和工程經驗設計的4種運行方案如下：①蓄洪方案：該方案的死水位為1924.00，訊限水位和正常蓄水位為1962.00m；②蓄洪排沙方案：其死水位為1924.00，訊限水位和正常蓄水位為1962.00m，采用降低水位迎流排沙作為20a一遇洪水以下的運用方式；③分階段蓄洪：運行年限為1-10a、11-30a、31-50a的正常蓄水位為1957.40m、1932.00m、1962.20m；④蓄清排渾方案：運行年限1-10a、11-30a、31-50a的正常蓄水位為1957.40m、1932.00m、1962.20m，壩前水位在汛期7月上旬降低至1910.00m運行。

2 來水來沙分析

水庫上游63km處存在托滿水文站，該站數據資料的代表性、一致性和可靠性較好，選取2003-2017年實測泥沙資料為設計依據，采用實測水文資料序列補差延長部分年份缺測泥沙數據。

2.1 流域水沙分析

喀拉喀什河年內徑流分布不均勻且年際徑流變化較大，依據實測數據資料徑流量最大的年份為多年平均和徑流量最小年份的1.82、2.56倍，汛期徑流量占全年平均約47.20%。輸沙量年內分配不均且年際存在較大變化，多年平均懸移質為562×105t，年輸沙量實測最大和最小值比達到15.2，汛期集中了大部分泥沙，年均輸沙量的62.7%發生于汛期。

2.2 水庫水沙分析

采用集水面積比和托滿水文站天然年徑流量數據推求水庫徑流量，烏魯瓦提水庫天然年均徑流量12.26×109m3，庫區支流徑流量1.38×109m3。采用面積比法和托滿站實測輸沙量數據推求水庫入庫輸沙量，推移質和懸移質入庫輸沙量多年平均值為21.82、570×105t，庫區支流懸移質多年平均入庫量68×105t。

3 泥沙沖淤數值模型

3.1 數值模型

以內陸干旱區水庫水沙為研究對象，當前關于該方面的研究較多并取得了一些成果。例如，韓其為等[9]通過深入研究不平衡非均勻輸沙理論，基于恢復飽和系數創建了一維數值模型；關見朝等[10]提出了泥沙數學模型關鍵參數及懸移質輸沙非均勻概化模型；童思陳等[11]深入分析了泥沙淤積與水庫運用方式之間的關系，結合相關研究模型提出了合理化建議；朱春耀[12]、李舍梅[13]等將汾河水庫、白石水庫的泥沙沖淤過程利用一維不平衡全沙模型進行了研究。

多種調度模式下的泥沙淤積分布及有效庫容損失為本研究的主要內容，根據喀拉喀什河為山區性河流的實際情況，需對庫區長時期長河段的河床沖淤變形進行模擬分析，因此屬于推移質和懸移質泥沙淤積綜合問題。結合上述分析結果，擬選取不平衡全沙模型進行模擬研究，其數學方程為：

水流連續和運動方程為如下：

(1)

(2)

懸移質泥沙連續方程、水流分組挾沙力、懸移質和推移質河床變形方程分別如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：A、Asi為過水斷面面積和懸移質泥沙分組沖淤面積，m2；U、ωi為過水斷面平均流速和粒徑組沉速，m/s；Q為河道流量，m3/s；B、Z、R為河寬、水位和水力半徑；S*i、Si為非均勻沙分組挾沙力及其分組含量，kg/s、kg/m3；n、m、K、α為糙率、水流挾沙力指數、水流挾沙力系數和恢復飽和系數；Gbi、Pbi為分組推移質輸沙率和泥沙級配，kg/s；Z0si為推移質泥沙淤積引起的河床變形厚度，m；γ為泥沙干密度，t/m3；

運用非耦合法求解以上模型，其基本流程為：先對水力條件進行求解，然后確定河床沖淤變化和泥沙運動情況。根據有限差分法計算上述方程組，通過單元格劃分將連續解區間域轉化為若干節點，基本方程用泰勒級數展開，然后采用差商替代離散控制方程中的微商，對該復雜問題利用方程組求解，具有解的收斂性、穩定性、相容性較完善且數學概念直觀等明顯優勢。

3.2 參數的處理

根據韓其為等[14]構造的曲線差值公式求解水庫淤積過渡期糙率，針對不同的情況設定相應的恢復飽和系數，在河床顯著淤積、顯著沖刷和沖淤交替情況下的a值為0.25、1.00、0.50。采用普遍應用的懸浮指標作為沖泄質與床沙質的劃分標準，即河沙質的懸浮指標值≥0.06，沖泄質的該指標值<0.06。按照等厚沖刷或等厚淤積的方式控制穩定河床，從而修正斷面和沖淤模式。

3.3 計算條件

1)斷面布設：根據河流走勢和水庫運行情況共布設48個監測斷面，其中主河道32個(C1-C32)，托爾干支流有10個(ZC39-48)，各斷面距離壩址距離，見表1。

2)數據系列：主河道和支流斷面最早測量時間為2004年，因淤積嚴重C31、C32斷面無法測量，位于淺水區的C48號斷面因測船無法駛入于2017年不具備測量條件。水庫泥沙沖淤數據來源于2004-2016年共12a序列測量資料，該序列基本涵蓋了平水平沙、豐水豐沙、枯水枯沙等年份，水沙入庫點有托兒干支流ZC39和托滿河C1兩個斷面。

3)壩前控制水位和計算時段的劃分：選取1d作為沖淤計算時段，采用徑流調節獲取的長序列壩前平均運行水位作為每一計算時段的壩前控制水位。

表1 監測斷面距壩址距離

4)顆粒級配：通過對不同粒徑泥沙在渾水中顆粒間相互作用和自身運動特性的分析，根據均勻沙平均輸沙的挾沙能力計算結果解釋非均勻懸移質輸沙機理。采用懸移質泥沙2010-2013年實測成果平均值作為懸移質顆粒級配，選取干流及壩址河段的粒徑分析和河床質取樣監測成果作為床沙顆粒級配。

5)河段糙率：天然河道糙率采用水力學計算手冊率定，根據下游水文站實測糙率值、庫區植被及河床組成情況，經適當調整和比較后獲取最終的糙率值，綜合糙率取值區間為0.020-0.024。

4 結果分析

對蓄清排渾、分階段蓄洪、蓄洪排沙和蓄洪運用方案利用以上數值模型進行研究，分別模擬100a、50a、30a、20a和10a5種不同運行年限下的庫容、水位、排沙比、淤積量、淤積縱/橫斷面等。

4.1 蓄洪運用方案

1)水庫淤積量及分布。根據計算結果可知，該方案的全庫淤積量表現出累積性增長趨勢且泥沙淤積嚴重，托兒干支流匯口附近庫段為水庫淤積量主要集中段，以50a運行年限為例，托兒干支流、匯河口以下和托滿河庫段的淤積量占比依次為6.2%、40.6%、53.2%，總淤積量的50.8%位于壩址上游2.0-8.5km庫段。

2)淤后庫容。有效庫容淤積損失比例在不同運行年限下分別為83.2%、54.6%、39.5%、32.6%、18.5%，具體如圖1。

圖1 方案一水庫淤積容積變化特征

3)水庫排沙比。滯洪運用方案下水庫的排沙比較小，水庫排沙比隨著運行年限的增加呈現出不斷增大的變化趨勢。蓄洪方案排沙比數據，見表2。

表2 蓄洪方案排沙比數據

4.2 蓄洪排沙運用方案

1)水庫淤積量及分布。較蓄洪運用方案的水庫淤積量，該方案存在一定的減少趨勢，且降低幅度有限，其原因為壩前水位降低幅度在排沙期間較小。

2)淤后庫容。有效庫容淤積損失比例在不同運行年限下分別為81.0%、51.8%、39.2%、33.1%、19.6%，方案2水庫淤積容積變化特征，見圖2。

圖2 方案2水庫淤積容積變化特征

3)水庫排沙比。洪水來臨之前，雖然該方案采用降低庫水位的方式排沙，但壩前水位減少程度較小，排沙比整體處于較低水平。蓄洪排沙方案排沙比數據，見表3。

表3 蓄洪排沙方案排沙比數據

4.3 分階段蓄洪運用方案

1)水庫淤積量及分布。較蓄洪運用方案的泥沙淤積量，該方案有所降低，且隨著水庫運行水位分階段抬高其淤積量減小幅度呈降低趨勢，具體為：水庫運行至10a、50a和100a的減小幅度依次為33.5%、19.2%和14.1%，以100a運行年限為例，托兒干支流、匯河口以下和托滿河庫段的淤積量占比依次為7.4%、37.2%、55.4%。

2)淤后庫容。有效庫容淤積損失比例在不同運行年限下分別為79.3%、44.7%、25.1%、17.5%、6.0%。方案3水庫淤積容積變化特征，見圖3。

圖3 方案3水庫淤積容積變化特征

3)水庫排沙比。壩前水位在運行初期處于較低水平，較蓄洪運用方案前10a的壩前平均水位底10m左右，在洪水期水流作用下有利于泥沙輸移至壩前并排除庫外，較蓄洪運行方案其排沙比大大增加。水庫運行10a排沙比較蓄洪方案增加3.6倍，達到41.7%，水庫排沙比變化隨著分階段庫水位的抬升和運行年限的增大逐漸變為平緩。分階段蓄洪方案排沙比數據，見表4。

表4 分階段蓄洪方案排沙比數據

4.4 蓄清排渾運用方案

分階段蓄洪運用方案與該方案大致相同，選取蓄清排渾作為前10a運行方案，具體分析如下：

1)水庫淤積量及分布。較分階段蓄洪運用方案其泥沙淤積量有所降低，但減少程度不明顯，減小幅度在10a運行初期為7.1%，分階段蓄洪方式與11a后的運行方式相同，淤積量整體未呈現出明顯的變化。

2)淤后庫容。有效庫容淤積損失比例在不同運行年限下分別為77.5%、43.1%、22.0%、14.5%、3.2%。方案4水庫淤積容積變化特征，見圖4。

圖4 方案4水庫淤積容積變化特征

3)水庫排沙比。較分階段蓄洪運用方案其前10a平均排沙比呈一定的增大趨勢，增大幅度為4.2%。分階段蓄洪方式與11a后的排沙比運行方式相同，不同運行年限的平均排沙比因前10a排沙比增大的原因，較分階段蓄洪相應階段有所增大。蓄清排渾方案排沙比數據，見表5。

表5 蓄清排渾方案排沙比數據

4.5 運用方案比較

根據數值模結果，統計整理每1個方案的有效庫容變化情況，水庫有效庫容統計表，見表5。根據表6可知：①蓄洪方案：運行過程中壩前水位始終處于位于高值，因此該方案的泥沙淤積和有效庫容損失均處于較高狀況，有效庫容在運行至100a時僅有0.305×109m3，減少率達到80%以上；②蓄洪排沙方案：盡管該方案設置了減少庫水位的措施，其壩前水位減少較低，因此其排沙效果并不顯著，以100a運行年限為例，較蓄洪方案其有效庫容近增加了0.031×109m3;③分階段蓄洪方案：為了能夠將泥沙輸送至死水位以下采取前30a降低水位的措施，由此大大提升了有效庫容，較蓄洪運用方案有效庫容運行至50a、100a時增大了0.166、0.065×109m3，增幅超過了20%;④蓄清排渾方案：以蓄清排洪作為前10a運行方式，其初期運行泥沙淤積量有所改善，10、20、30、50、100a運行年限的有效庫容增加量為0.020-0.041×109m3，增幅處于3.0%-6.1%。

綜上分析，在保持有效庫容和增大水庫服役年限方面，相對于其它方案蓄清排渾或分階段蓄用存在明顯的優勢。

表6 水庫有效庫容統計表

5 結 論

根據河流水文情勢和來水來殺特性，對不同運行調度方式的泥沙量利用一維不飽和全沙數學模型進行模擬。結果顯示：在保持有效庫容和增大水庫服役年限方面，相對于其它方案蓄清排渾或分階段蓄用存在明顯的優勢。由于泥沙淤積在托兒干支流匯合口附近較為嚴重，很容易產生攔門沙坎，為進一步分析水庫泥沙淤積問題建議開展物理模型試驗。