多泥沙河流中型水庫調度運行原則研究

劉 江,李 江

(新疆水利水電規劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆大部分河流是內陸河，據統計新疆境內共有河流570條，地表水年徑流量787億m3、較大的有伊犁河、額爾齊斯河、塔里木河、瑪納斯河、喀什噶爾河等九大流域18條大河(10億m3徑流量以上)[1]。其中發源于山間的河流有300多條，主要靠山地降水和三大山脈的積雪、冰川融水補給為主，夏季高溫冰雪消融與暴雨疊加，造成較大洪水，加之山區河流縱坡較大，植被覆蓋率低，水土流失普遍，且受塔克拉瑪干等沙漠風沙的影響，河流含沙量較大，河流多數散失于灌區或荒漠，少數在低洼地形成湖泊。新疆屬溫帶大陸性氣候，“三山夾四盆”地形(“三山”指阿爾泰山、天山和昆侖山山脈，“四盆”指準噶爾、伊犁、吐哈和塔里木盆地)，盆地氣溫較山區高，受氣溫影響河流冬春季節斷流，河流來水均與用水存在矛盾，河流上建設控制性水庫是解決河流季節性缺水的不二選擇。

近些年，隨著國家經濟實力增強和一帶一路戰略的實施，在新疆中小河流上實施了一大批中型水庫工程，但受新疆河流多泥沙的影響，水庫興利與泥沙淤積的矛盾突顯，研究中型水庫的山區多泥沙河流中型水庫調度運行方案，提高水庫壽命和工程效益顯得尤為重要，因此通過對“十三五”期間建設的南疆清水河伯司阿木水庫、卡普斯浪河溫泉水庫、柯坪縣蘇巴什水庫、恰克馬克河托帕水庫、提孜那甫河莫莫克水庫、皮山河阿克肖水庫、尼雅河尼雅水庫、奴爾河奴爾水庫、若羌縣米蘭山口水庫、若羌河若羌水庫等10座中型水庫工程的調度運行方案的分析(見圖1)，研究泥沙調度運行方案，探索多泥沙河流控制性水庫興利調節與排沙減淤之間的平衡點，初步歸納總結可行的調度方案[2]。

圖1 研究對象各水庫地理位置示意圖

1 研究對象概述

研究對象主要位于塔里木河盆地周邊的10條中小河流及對應的10座山區水庫，其中位于天山南麓4座，位于昆侖山南麓6座，基本是環塔里木盆地分布，具有較好的代表性，各水庫工程特性和所在河流特性統計見表1[3-6]。

表1 研究對象各水庫工程特性統計表

2 泥沙調度運行原則研究

2.1 河流泥沙狀況分析

河流泥沙量的變化主要受降水、下墊面和人類活動等影響，主要反映出不同時段人類活動對輸沙模數的影響，一般情況下水沙對應關系基本一致，豐水年基本對應豐沙年，水、沙關系就說明了這一規律。選取水量、含沙量均較大的提孜那甫河莫莫克水庫作為代表分析，莫莫克水庫壩址斷面歷年水沙關系詳見圖2，從圖中可以看出，輸沙量歷年呈不規則周期性變化，與水量變化過程基本相適應，即沙量與水量的增減相對應，但沙量的變化幅度比水量的變化幅度更大，在水、沙系列中，除個別年對應關系不好外，水、沙變化基本一致。

圖2 莫莫克水庫壩址斷面歷年水沙關系圖

水利水電工程設計實踐中，一定要重視河流泥沙量對工程的影響，根據泥沙對工程的影響程度，分為嚴重和不嚴重兩類。研究對象所在的河流均位于環塔里木盆地邊緣，根據研究對象河流泥沙量統計，河流的平均含沙量介于1～12 kg/m3，庫容沙量比介于16～132，設計基準期50 a或100 a[7]。根據《工程泥沙設計標準》(GB/T 51280-2018)中劃分，庫沙比小于主要建筑物結構的設計基準期屬于泥沙問題嚴重河流，反之則不嚴重，庫沙比Ks小于30則泥沙特別嚴重。研究對象河流泥沙的泥沙問題評價，詳見表2。

表2 各水庫工程所在河流泥沙嚴重性評價表

由上表可以看出，評價河流的泥沙問題嚴重性的指標主要是庫沙比和設計基準期，河流平均含沙量和水資源利用率只是參考指標，不直接影響判斷。

2.2 泥沙調度研究進展

多沙河流水庫采用“蓄清排渾”運用方式，汛期控制低水位運用，有利于水庫排沙，保持長期有效庫容。低水位調節庫容小，優化運行要同時考慮防洪排沙和水資源綜合利用[8]。

在放空水庫利用汛期洪水排沙時，可控制壩前水位呈“臺階狀”分級降低，不斷打破河槽沖刷平衡局面，在總的沖沙水量相同的條件下，可獲得更好的排沙效果[9]。

冰雪融水河流汛期來水來沙高度集中，非汛期大部分時間來水量很小，水庫興利與排沙之間的矛盾突出，因此在冰雪融水的多沙河流水庫設計時應合理選擇汛期運行水位，把握好汛末的蓄水時機，制定合理的排沙運行調度方案，保證水庫效益的長期穩定發揮[10]。

水庫泥沙問題在水庫的調度運用中應引起各方面高度的重視。加強水庫泥沙淤積規律和發展趨勢的研究，尋求減緩水庫淤積的措施，制定水庫長期保持有效庫容及可持續發展的策略，以達到興利除害和減免泥沙淤積的目的，盡可能地延長水庫的使用壽命[11]。

米蘭河水庫在汛期時必須兼顧排沙和蓄水，排沙期采取4月和7月，同時排沙運行，加大排沙力度，即采用“降水排沙，蓄水灌溉”的運行措施，分析研究米蘭河山口水庫調度與水庫泥沙淤積關系，監控水庫庫容變化的動力過程，對水庫的庫容變化的動力過程，對水庫的有效管理具有重要意義[12]。

2.3 水庫運行方案研究

對于泥沙嚴重的河流上的水庫要研究其調度運行方式，提出水庫運行的要求和應采取的措施。對于水庫泥沙采用“攔”或“排”的調度方案，應從工程的效益與興利指標，因地制宜的原則予以考慮，片面地將泥沙全部攔在庫內，或將泥沙全部排走都是不可行的。

根據《泥沙設計手冊》，庫沙比Ks<100的水庫不應蓄洪運用，可采用“蓄清排渾”“降水排沙”的泥沙調度運行方式。根據清華大學水利系公式Kw=V/W和Ks=V/Ws計算庫容系數和庫沙比,當Kw大于0.2,Ks大于設計基準期可考慮水庫“蓄洪運用”運行方式，如奴爾水庫；當Kw小于0.2,Ks大于設計基準期可考慮 “蓄清排渾”運用降低水位的運行方式，如伯司阿木、阿克肖水庫；當Kw小于0.2,Ks小于設計基準期泥沙淤積問題嚴重的河流，可考慮“降水排沙”運用空庫排沙的運行方式，如莫莫克、尼雅等水庫。

表3 各水庫工程排沙措施情況統計表

對于排沙期選擇時，主要參考洪水時段、輸沙率大的時段來綜合分析，大部分水庫主汛期6—8月三個月份，也是全年的大水大沙月份，是入庫泥沙最集中的時期，也是水量集中的月份，這三個月的排沙運行方式是水庫泥沙調度運行的關鍵。考慮到河流開發利用率較高，對于影響興利的，排沙期的設定需要結合泥沙淤積計算、興利調節和經濟比較等方面綜合率定。如圖3為莫莫克水庫豐沙期旬平均輸沙率及流量關系圖，由圖可以看出，輸沙率最大的時段為6—7月，因此基本可率定莫莫克水庫排沙期選擇應包括6—7月，可根據下游用水緊張程度，適當延長排沙期至6—8月。

圖3 莫莫克水庫豐沙期旬平均輸沙率及流量關系圖

排沙控制水位選擇時，從排沙的角度考慮，要求汛期(6—8月)排沙水位盡可能低；從灌溉、發電等興利的角度考慮，水庫中蓄水越多保障率越高；而從水庫長期利用角度考慮，水庫每年淤積的庫容越少越好，為了減少淤積便要求水庫汛期降水位、泄流沖沙。為兼顧以上兩個方面，一般在輸沙率高的時段選擇死水位作為汛期排沙控制水位，輸沙率降低的時段，排沙效果不好考慮蓄水后高水位異重流排沙，既考慮了降低水位排沙保證水庫壽命，同時兼顧了興利的要求。

排沙泄流規模選擇時，根據《泥沙設計手冊》，對于多沙河流水庫，要以死水位作為汛期排沙控制水位，針對大量泥沙主要是洪水時挾帶來的特點，要求常遇洪水洪峰流量不滯洪，并且具有常遇洪水沖刷排沙能力。控制汛期限制水位以下槽庫容調水調沙運用多年沖淤平衡的正常死水位的泄流規模相當于3～5 a一遇洪峰流量；根據《工程泥沙設計標準》泥沙設計規范要求，水庫死水位(排沙水位)下泄流量規模應滿足水庫排沙要求，應不小于2 a一遇洪峰流量，排沙水位下足夠的泄流規模和建設合理的泄流排沙設施是控制水庫淤積末端和長期保持調節庫容的必要條件。

3 結 語

(1)根據以上對環塔里木盆地典型10座中型水庫的分析，可以看出，水庫調度運行不盡合理，運行期泥沙問題頻現，泥沙問題處理不好會嚴重影響水庫運用，需要在今后的設計中加以足夠重視，合理化水庫運用方式，延長水庫的壽命，提高水庫的經濟效益。目前南疆大型水庫運行調度也不盡合理，泥沙問題嚴重，危害極大，功能和效益難以發揮，下一步要對南疆大型水庫存在的問題進行分析。

(2)新疆南疆水庫泥沙問題普遍比較嚴重，控制優化泥沙調度是目前解決水利工程泥沙問題的主要手段。水庫泥沙調度方式應根據河流泥沙特性、水庫調節性能、綜合利用任務及開發利用程度等要求，采取控制水位調沙或敞泄排沙，對于調節庫容要求高且管理水平高的地區，必要時可采用分級流量排沙的措施，保證在充分利用庫容調節發揮效益的同時，增加水庫使用壽命。