新疆阿爾塔什水利樞紐汛限水位及防洪調度研究

馬蘇文

（新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河山區干流河段,是流域控制性水利樞紐工程,承擔防洪、灌溉、發電等綜合利用任務[1]。水庫正常蓄水位1820 m,死水位1770 m,裝機容量755 MW,水庫總庫容22.49 億m3,最大壩高164.8 m,為Ⅰ等大（1）型工程。工程由攔河壩、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放空排沙洞、發電引水系統、電站廠房、生態基流引水洞及其廠房、過魚建筑物等主要建筑物組成。工程擋水建筑物設計洪水重現期為1000年一遇,洪峰流量Q=13500 m3/s；校核洪水重現期為10000年一遇,洪峰流量Q=18400 m3/s[2]。

2 水庫防洪功能定位

2.1 葉爾羌河洪水特點

葉爾羌河地處歐亞大陸腹地,呈典型的干旱大陸性氣候,其主要特點是：氣溫年內變化較大,日變化較大,空氣干燥,日照長,蒸發強烈,降水量小。葉爾羌河由于其獨特的補給特性造成其徑流年內變化十分劇烈,六、七、八月三個月水量占全年總水量的60%以上,河流年內分配極不均。葉爾羌河并存冰雪消融型洪水、冰川“潰壩型”洪水、暴雨型洪水、混合型洪水四種不同類型的洪水,汛期經常發生暴雨洪水、融雪和暴雨疊加的混合型洪水及冰川堰塞湖潰決型洪水,洪水峰高流急,破壞性極大。葉爾羌河是新疆境內洪峰流量最大的河流,洪災發生頻率高,而且災情嚴重,洪災損失及頻繁程度在新疆居第一位,素有三年兩災之說,是重點災害性河流[3-5]。

2.2 防洪保護對象和防洪標準

葉爾羌河干流灌區主要分布在喀群渠首至艾里克塔木渠首河段,河道長325 km,是葉爾羌河主要的防洪保護河段。葉尓羌河干流無防洪自保能力的保護對象主要為沿線分布的城鎮、鄉村、居民點及耕地。按照防洪保護對象的重要性,可劃分為重點保護對象和一般保護對象。其中葉尓羌河沿線分布有莎車縣、澤普縣、麥蓋提縣、巴楚縣及第三師圖木舒克市等主要縣城,是葉尓羌河重點保護對象；沿河分布的鄉村居民點和耕地為一般保護對象[6-8]。

通過對葉尓羌河防洪保護對象進行分析,重點防護保護對象防洪標準為50年一遇,一般保護對象防洪標準為20年一遇。

2.3 河道安全泄量

葉爾羌河灌區河段主要分沖刷破壞和淹沒兩種形式。對于沖刷破壞險工段主要依靠平原區建設護岸工程來解決；對于淹沒破壞險工段主要依靠山區水庫調蓄洪水、削減洪峰至河道安全泄量,從而解決灌區洪水淹沒災害損失問題。

為有效保障下游防洪保護對象防洪安全,2016 年～2018年針對葉爾羌河干流分期實施了79段河道防洪工程,建設長度約350 km,以堤防和護岸工程為主,工程投資約43 億元。通過河道防洪工程的建設,考慮與阿爾塔什水庫水利樞紐工程聯合調度運行,使得葉爾羌河一般保護對象所在河段達到1750 m3/s（相當于2.5年一遇）的行洪能力、重點保護對象所在河段達到4270 m3/s（相當于10年一遇）的行洪能力,大大提高了河道防洪能力。根據流域總體防洪布局要求,結合目前已建防洪工程現狀,阿爾塔什水庫通過調蓄,滿足防洪控制斷面—喀群斷面,一般保護對象安全泄量1750 m3/s和重點保護對象4270 m3/s的安全泄量下泄要求。

2.4 流域防洪總體布局

考慮到葉爾羌河防洪戰線長、洪水災害頻發、洪水破壞性大、防洪損失影響大的特點,為有效保證流域防洪安全,充分利用山區水庫的削峰滯洪,結合平原區河道防洪工程建設,流域防洪規劃提出采用“庫堤結合”的總體布局,治理葉爾羌河的洪水災害[9]。由阿爾塔什水利樞紐承擔葉爾羌河灌區防洪任務,與灌區河段防洪工程聯合運行。近期結合灌區防洪工程建設,將葉爾羌河下游一般防洪保護對象防洪標準從不足2.5 年一遇提高到20 年一遇,重點防洪保護對象防洪標準從20 年一遇提高到50 年一遇,解決葉爾羌河防洪問題,造福葉爾羌河流域各族人民。

2.5 水庫防洪庫容

結合葉爾羌河流域防洪總體布局,通過阿爾塔什水利樞紐工程與河道防洪工程聯合運行,當入庫洪水小于20 年一遇時,水庫調蓄下泄洪水不超過河道安全泄量1750 m3/s（2.5年一遇）；當入庫洪水超過防洪高水位,表明入庫洪水大于20 年一遇、小于50 年一遇洪水,水庫調蓄下泄洪水不超過河道安全泄量4270 m3/s（10年一遇）,水庫洪水調節所需防洪庫容 1.14 億 m3。

3 水庫汛限水位技術經濟比選

3.1 汛限水位方案擬定

阿爾塔什水庫首要任務是承擔下游防洪任務,可采用防洪與興利庫容結合方案,然而在不影響綜合利用任務前提下,考慮工程區地形、地質條件,進一步降低汛限水位,可進一步減少壩體填筑或泄洪系統規模、減少工程投資,然而隨著汛限水位降低,將減少汛期發電水頭和滿蓄率,降低電站發電效益,因此,汛限水位選擇需通過綜合技術經濟比較確定[10]。

考慮到葉爾羌河冰川“潰壩型”洪水的不利影響,阿爾塔什水庫設計洪水標準1000 年、校核洪水標準10000 年一遇,通過對壩頂超高及壩頂高程設計成果分析,當設計洪水位不超過1821.75 m,校核洪水位不超過1823.69 m,壩頂高程由正常蓄水位1820 m控制,壩頂高程最低,通過洪水調節計算,選擇汛限水位1813 m時,水庫以正常蓄水位控制壩高,此時水庫壩頂高程為最低方案,即汛限水位1813 m為方案一；其次以防洪庫容與興利庫容完全結合控制,當汛限水位為1815.4 m時,水庫防洪高水位達到正常蓄水位1820 m,即汛限水位1815.4 m為方案三；方案二是在兩方案水位之間擬定的中間方案,汛限水位為1814.2 m。三組汛限水位方案指標成果見表1。

表1 不同汛限水位方案指標成果表

3.2 汛限水位方案選擇

（1）各方案綜合利用要求分析

不同汛限水位方案均在正常蓄水位1820 m,死水位1770 m特征水位的前提下進行比選,均能夠滿足承擔流域防洪、灌溉、發電及向塔里木河生態輸水的綜合利用要求,因此三組汛限水位方案對承擔流域綜合利用任務均一致。

（2）各方案能量指標分析

在滿足流域綜合利用要求的前提下,隨著汛限水位的抬高,水庫庫容還有部分庫容可以用來提高發電效益,汛限水位從1813 m增加到1815.4 m,隨著汛限水位提高電站加權平均水頭小幅增加,電站發電量也隨之小幅增加。從動能指標增量來看,各方案發電量變化不大。

（3）各方案經濟指標分析

水庫汛限水位在1813 m～1815.4 m之間均不影響灌溉、生態供水。水庫汛限水位在1813 m時水庫防洪高水位在正常蓄水位之下,能夠降低設計洪水位、校核洪水位,水庫壩高由正常蓄水位控制,壩高較低,投資較省；水庫汛限水位在1815.4 m時水庫防洪庫容與興利庫容完全結合,水庫壩高由設計洪水位控制,與1813 m方案相比,壩高增加投資增加；從各方案差額內部收益率和經濟凈現值來看,方案一較優。

通過綜合對比分析,汛限水位1813 m方案對水庫承擔流域綜合利用任務沒有影響,可減少工程投資,對能量指標影響較小,同時經濟指標較優,因此確定水庫汛限水位1813.0 m。

4 水庫防洪調度方案

4.1 防洪調度的原則

（1）防洪調度按調度權限服從各級防汛部門調度。

（2）防洪體系聯合運用,各工程措施應協調配合,充分發揮各工程設施和防洪體系整體的防洪作用。

（3）常遇洪水（一般洪水）、防洪標準對應洪水情況下,確保下游防洪保護對象的防洪安全。

（4）超過設計和校核洪水時,力保水庫大壩安全。

（5）洪水來臨前,控制庫水位不超過防洪限制水位1813.0 m,洪水結束后盡快回落至防洪限制水位。

（6）正常運用期間,充分結合水情預報成果,采用入庫流量和庫水位作為控制運用的判斷指標,按照泄洪建筑物的運用方式蓄泄洪水,當發生20 年一遇洪水時,庫水位不超過一般保護對象對應防洪高水位；當發生50 年一遇洪水時,庫水位不超過重點保護對象對應防洪高水位；發生設計洪水（1000年一遇）時控制庫水位不超過設計洪水位。一般運行情況下,出庫洪峰流量應小于時段洪水最大洪峰流量,避免人造洪峰。

（7）非常運用期間,當庫水位已達到防洪高水位并將超過時,按照泄洪系統泄流能力泄洪,控制發生校核洪水（10000年一遇）時庫水位不超過校核洪水位。

4.2 防洪調度運行方案

采用水庫水位與入庫流量作為防洪調度方式的判別條件。

一次洪水過程,當入庫流量較小,控制泄洪建筑物的下泄能力控制水庫出庫流量,使其不大于水庫壩址限泄流量1750 m3/s,維持防洪限制水位1813.0 m不變；當入庫流量增加,水庫水位低于一般保護對象對應防洪高水位1817.25 m,出庫流量按壩址限泄流量1750 m3/s下泄；當入庫流量繼續增加,當流量大于20 年一遇小于50 年一遇洪峰,水庫水位低于重點保護對象對應防洪高水位1817.63 m,出庫流量按壩址限泄流量4270 m3/s下泄；當入庫流量繼續增加,水庫水位超過重點保護對象對應防洪高水位1817.63 m,泄洪建筑物表孔溢洪洞、中孔泄洪洞敞泄；若入庫流量繼續增加,水庫水位超過設計洪水位,泄洪建筑物敞泄,確保水庫水位不超過校核洪水位1823.69 m；當入庫洪水流量減弱,泄洪建筑物由敞泄逐步轉為控泄,庫水位回落至汛期限制水位,維持汛期限制水位不變。阿爾塔什水庫防洪調度運行方案見表2。

表2 阿爾塔什水庫防洪調度判別條件和泄洪方式

阿爾塔什水庫防洪調度應根據干流上游布置的水文站實測流量和支流已建下坂地水利樞紐工程出庫流量推算入庫流量,結合遙感衛星動態監測和歷史洪水形成規律分析,為水庫預警、提前預泄和啟動應急預案判定提供依據,實現水庫精準調度管理。同時應建立與氣象、國土和應急等部門的數據共享、應急會商和協調聯動機制,提高防洪調度的有效性和可靠性。

5 結論

葉爾羌河洪水災害頻發,是新疆防洪重點治理河流之一。為保障葉爾羌河防洪安全,流域防洪規劃提出“阿爾塔什水利樞紐+河道防洪工程”的堤庫結合防洪工程總體布局。本文在阿爾塔什水庫承擔流域防洪功能定位研究的基礎上,對水庫汛限水位進行技術經濟比較,提出較優的汛限水位方案,結合水庫特征水位,提出“入庫流量+水庫水位”雙重判別的防洪調度方案,為水庫實際防洪調度提供參考,為保障流域防洪安全提供理論支撐。