大二泉水庫淤積分析及治理措施探討

李輝發

（烏蘇市水利局，新疆 烏蘇 833000）

1 水庫概況

1.1 水庫

烏蘇市大二泉水庫位于準噶爾盆地西北邊緣的烏蘇市頭臺鄉境內的自南向北的古河谷和天然洼地上，距烏蘇市20 km，該水庫的主要任務是引蓄奎屯河、四棵樹河的調水和攔蓄喇嘛溝河洪水，調節水量在時空上分布不均的問題和解決下游部分奎屯河灌區和車排子灌區的用水問題。該水庫是以農業灌溉為主，兼顧防洪、養殖等綜合效益的平原水庫。大二泉水庫總庫容550 萬m3，由于庫區被位于古河床中間的一道土山梁隔開，分為東泄洪區和西蓄水區，其中東泄洪區庫容77 萬m3，西蓄水區庫容473 萬m3，壩型為均質土壩，由引水渠首、引水渠道、大壩、溢洪道、放水涵洞及渠道等構成，其中引水渠道為混凝土襯砌梯形渠道，最大設計流量5 m3/s，放水渠道同上，最大設計流量2.5 m3/s，溢洪道最大泄流量96.8 m3/s。根據《水利水工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2000），水庫規模為小（I）型，工程等別四等，主要建筑物4 級，次要建筑物5 級。設計洪水10 年一遇，校核洪水50 年一遇。

1.2 水庫水源及調度運行情況

大二泉水庫水源主要有三個，第一個由奎屯河農七師引水渠道（長14.9 km，最大設計流量30 m3/s），經八十四戶大閘分水進入南水北調一期渠道（長12.495 km，最大設計流量5.5 m3/s），與大灣水庫放水去交匯進入大排干渠道（長10.43 km，最大流量設計3 m3/s）進入大二泉水庫引水渠首，2000 年以后開始使用，主要入庫時間為3 月～5 月，奎屯河年徑流量6.509 億m3。第二個由四棵樹河新渠首由向陽閘經喇嘛溝干渠（長48 km，最大流量15 m3/s）進入大二泉水庫引水渠首，2005 年以后開始使用，主要入庫時間為7 月～10 月，四棵樹河年徑流量3.062 億m3。第三個由將軍溝及左、右支流洪水匯集至喇嘛溝河（長70.94 km，最大洪峰流量80 m3/s），經大二泉水庫引水渠首排濁后進入大二泉水庫，主要入庫時間為7 月下旬～8 月上旬。

大二泉水庫歷史最高庫水位340.88 m，對應庫容471 萬m3，發生日期2011 年10 月22 日。歷史最大入庫流量4.2 m3/s，發生日期2011 年9 月21 日。歷史最大出庫流量2.4 m3/s，及發生日期2011 年7 月8 日。

2 泥沙設計

2.1 水文站觀測點建立

大二泉水庫流域內無一常規的水文觀測點，鄰近區域有兩個基本國家基本水文站，一個是1954 年設立的四棵樹河吉勒德水文站，另一個是1958 年設立的奎屯河加勒果拉水文站，1987 年8 月加勒果拉水文站上遷12 km，更名為將軍廟水文站。水文站主要觀測項目有水位、流量、懸移質泥沙、水溫、降水、蒸發、氣溫、水質監測。在進行水庫初步設計時，利用加勒果拉水文站1970 年～1987 年和將軍廟水文站1988 年～1995 年實測徑流、輸沙率成果，并采用插補延長法[1]得到1970 年～2018 年共52 年泥沙系列。該資料滿足水文數據“三性”審查，其徑流泥沙成果可以直接應用于大二泉水庫。

2.2 排沙方案分析

大二泉水庫現行運行方式單一，水庫泥沙主要來自洪水攜砂，所以在洪水期內低水位運行，甚至空庫迎洪便能加速水流流速，通過水流挾帶大量泥沙排出庫外。此外，庫水位的降低還能加速回水末端淤積的水流流速，加劇有效庫容內部分泥沙向壩前的運動，并將其帶出庫外，降低有效庫容損失。排沙設計方案主要是基于降雨洪水預報，在其沙峰期敞泄排沙，從防洪汛限水位預泄，并在沙峰到來前敞泄至死水位，始終保持較低水位大流量排沙直至洪水結束；對于中小洪水年份，水庫蓄洪運行，主要利用棄水過程“蓄清排濁”、重流排沙[2]。

排沙方案在頻率＞5%的洪水過程中通過水位降低實現集中性排沙，這與水庫防洪任務存在矛盾，為實現水庫防洪的目標，必須對現行排沙方案進行優化調整，充分利用防洪庫容在洪峰到來前進行部分洪水調蓄，實現削峰錯峰。

3 水庫實際淤積分析

3.1 干流泥沙實際淤積

根據大二泉水庫插補延長法得到的1966 年～2018 年共52 年泥沙系列數據，進行水庫干流泥沙實際淤積情況分析。根據淤積縱剖面形態（圖1）可推斷出淤積形態為三角洲型，且淤積面向壩前方向逐年升高推進，2018 年頂坡和前坡比降分別為0.12‰和2.19‰，三角洲洲頂高程平均為336.8 m，大二泉水庫并未達到沖淤平衡。

圖1 大二泉水庫干流淤積縱剖面

大二泉水庫干流壩前段橫剖面淤積嚴重，灘槽剖面主槽的淤積厚度（247 m）比灘地淤積厚度（218.5 m）大，壩前段淤積逐年增大且層次較為分明。隨著淤積三角洲洲頭不斷向剖面下游的推進，庫中段剖面淤積逐年增加。

3.2 支流泥沙實際淤積

大二泉水庫庫區支流少，頭臺鄉引水干渠可通過流量5 m3/s，下游有4 km2容泄區，同時，部分洪水通過支渠分流到三泉水庫，三泉水庫庫容70×104m3。結合水庫歷次實測剖面資料進行頭臺鄉引水干渠泥沙淤積分析。頭臺鄉引水干渠淤積縱剖面見圖2，頭臺鄉引水干渠淤積形態呈錐體，淤積體末端淤積高程基本不變，而渠口淤積高程不斷升高，淤積體比降不斷減緩，1998 年、2008 年、2010 年、2015 年、2018 年淤積體比降分別為1.10%、1.31%、1.78%、2.59%、3.86%，2018 年與2015 年相比，淤積面并未發生較大變化，說明頭臺鄉引水干渠從2015 年開始基本達到淤積平衡。到2018 年頭臺鄉引水干渠錐形淤積體淤積高程平均為335 m，與大二泉水庫庫區運行水位平均值（340.82 m）接近。頭臺鄉引水干渠正常蓄水位以下庫容從1998年的550 萬m3減小為2018 年的505 萬m3；死庫容從1998 年的250 萬m3到2018 年全部損失；有效庫容也從1998 年的160 萬m3減小到2018 年的54 萬m3。

圖2 頭臺鄉引水干渠淤積縱剖面

3.3 實測值與設計值對比

大二泉水庫呈現出三角洲淤積形態，三角洲洲頂高程平均為320.18 m，從1998 年5 月水庫蓄水至2018 年年底數十年的實際運行情況來看，庫區泥沙淤積三角洲洲頂平均高程已經達到239 m，這也與設計值相符。注：庫容損失率是水庫淤積損失的庫容占原有庫容的百分比。

表1 大二泉水庫淤積實測值與設計值對比

從表1 對比結果可以看出，大二泉水庫總淤積量、庫容損失等計算成果比設計值偏小，水庫自1998 年5 月運行以來～2018 年年底，有效庫容實際減小值為1920 萬m3，比設計值20 年淤積水平高，這表明，大二泉水庫淤積速度比預先設想的要快。水庫運行5 a、10 a、15 a、20 a 后壩前淤積高程設計值分別為342.4 m、333.7 m、323.4 m、281.2 m，實測值則分別為236 m、237 m、238 m、239 m，實測值比設計值高。根據本文泥沙設計成果水庫運行20 年淤積三角洲洲頂高程平均為237.5 m，表明水庫在運行20 年后相同流量下水位已經超過設計成果，淤積升高速度比設計的要快。

4 大二泉水庫淤積治理

4.1 治理工程措施

就大二泉水庫淤積的原因來看，主要包括入庫沙量增加、水庫汛期運行水位較高等方面，這些原因共同導致水庫庫區淤積加快，為了有效治理泥沙淤積，2017 年8 月實施了對四棵樹河七一大渠和引洪干渠高邊坡處理工程、喇嘛溝河西湖段防洪工程，2020 年對喇嘛溝河上游段實施了將軍溝山洪災害治理工程。

表2 大二泉水庫年排沙效果統計

4.2 調度措施

近年來水庫排沙效果統計見表2。

由表2 可知，水庫2003 年全年入庫沙量1.204 億t，淤積量為1.311 億t，出庫沙量為0.674 億t，故排沙比（一定時間內排出水庫的泥沙與進入水庫泥沙的比率）為84.4%，2008 年、2013 年和2018 年排沙比分別為39.2%、95.2%和63.7%，2018年水庫入庫沙量明顯增多，2003 年和2013 年大二泉水庫均處于所在流域大洪水時期，排沙比比平常年份高，說明利用大洪水過程，如果前期淤積較嚴重，在大洪水前提前預泄，降低洪水位在汛限水位以下，洪水進庫時，由回水逐漸向壩前移動，將原來的泥沙讓回水帶動而沖刷。在回水上游沖刷時產生溯源沖刷，逐步地由下往上不斷進行切割，由此便能實現多來多排的較為明顯的排沙沖沙效果。

5 結論

本文分析結果表明，大二泉水庫自蓄水運行以來，由于入庫沙量增加、汛期運行水位升高等原因，泥沙淤積速度不斷加快，壩前實際淤積高程比設計值大。如果大二泉水庫仍然能嚴格按照設計的“蓄清排濁”方式運行，則庫區淤積和有效庫容損失定會得到一定程度的遏制。