新疆克孜爾水庫泥沙淤積成因分析及水庫調(diào)沙運(yùn)用方式的探究

張宏科 安小敏 唐仁輝

（克孜爾水庫管理局 拜城 842313）

1 工程概況

克孜爾水庫是渭干河流域上一座以灌溉、防洪為主，兼顧水力發(fā)電等綜合利用的大型控制性水利樞紐工程，水庫壩址位于干流木扎提河與支流黑孜河交匯處，水庫控制集水面積16637km2,原設(shè)計(jì)總庫容6.4億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積21.3萬hm2，水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期千年一遇洪水（5720m3/s）設(shè)計(jì)、按重現(xiàn)期萬年一遇洪水（8160m3/s）校核。工程規(guī)模為一等大(1)型,主要建筑物為1級，由主壩、副壩、溢洪道、泄洪排沙涵洞與發(fā)電站組成。主壩壩頂長920.6m，最大壩高44m；副壩壩頂長1288m，最大壩高32m。主、副壩均為粘土心墻砂礫殼壩。電站為壩后式電站，總裝機(jī)4×0.65萬kW。

2 克孜爾水庫入庫水沙特性

克孜爾水庫入庫多年平均流量83.1m3/s,多年平均水量26.2億m3,多年平均年懸沙總量約1318萬t,多年平均含沙量約4.46kg/m3，年最大輸沙量7198萬t（發(fā)生于2002年），年最小輸沙量477萬t（發(fā)生于1965年）。入庫徑流在年內(nèi)分配不均，全年總水量的59.3%集中于汛期6～9月,其中7～8月水量為最大，占年水量的39.4%；相比之下,沙量比水量更集中于汛期,汛期懸沙量占年沙量的90.0%,主要集中于7～8兩月,且更集中于幾次沙峰過程。

3 克孜爾水庫泥沙淤積現(xiàn)狀

克孜爾水庫于1991年8月開始蓄水并投入運(yùn)行，至今己運(yùn)行19年，2007年1月完成的庫區(qū)泥沙淤積觀測結(jié)果表明:至2006年年底,克孜爾水庫泥沙淤積總量已高達(dá)1.79億m3，剩余庫容4.28億m3，庫容損失率為29.0%。其中，死庫容淤積0.858億m3，剩余死庫容0.442億m3；有效庫容淤積0.932億m3，剩余有效庫容3.84億m3。

克孜爾水庫設(shè)計(jì)運(yùn)行20年的泥沙淤積總量為1.26億m3，庫容損失率為20%；其中死庫容淤積0.448億m3，有效庫容淤積0.817億m3。因此，克孜爾水庫實(shí)際運(yùn)行16年的泥沙淤積總量已超過了設(shè)計(jì)運(yùn)行20年的泥沙淤積總量1.26億m3。

4 水庫泥沙淤積速度過快的主要原因分析

4.1 渭干河水沙特性對比

據(jù)渭干河1953～1983年實(shí)測入庫懸移質(zhì)泥沙資料統(tǒng)計(jì)：克孜爾水庫站多年平均入庫懸移質(zhì)含沙量3.5 kg/m3(實(shí)測最大日平均含沙量172 kg/m3),多年平均年輸沙量850萬t,統(tǒng)計(jì)最大年輸沙量1464萬t,最小輸沙量470萬t,泥沙主要發(fā)生在6～9月汛期,占全年輸沙量的90.6%左右。

據(jù)延長后的徑流系列（1953～2008年）56年入庫懸移質(zhì)泥沙資料統(tǒng)計(jì)：克孜爾水庫站多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙率343kg/s,多年平均含沙量4.46 kg/m3(實(shí)測最大日平均含沙量255 kg/m3),多年平均懸移質(zhì)輸沙總量約1318.42萬t,最大年輸沙量7200萬t（2002年）。入庫沙量比水量更集中于汛期，汛期懸移質(zhì)輸沙量約占全年懸移質(zhì)輸沙量的90.0%。

對比分析可以看出，水庫建成后：?多年平均入庫懸移質(zhì)含沙量比初設(shè)前增加近1.0kg／m3；?多年平均輸沙量比初設(shè)前增加468萬t，增加幅度55.05%左右。詳見表1。

表1 渭干河水沙特性對照情況

4.2 歷年來的洪水資料與徑流資料對比

4.2.1 洪水資料對比

渭干河（1951～2008年）實(shí)測洪水統(tǒng)計(jì)資料表明：入庫洪峰大于1000m3／s的共計(jì)14次，其中水庫建后就發(fā)生10次，主要集中于近期的1999～2003年，歷史實(shí)測最大值3677m3／s。詳見下圖。

克孜爾水庫歷年入庫洪峰統(tǒng)計(jì)圖

4.2.2 徑流資料對比

據(jù)克孜爾水庫實(shí)測徑流設(shè)計(jì)資料：年徑流量大于30.8億m3，一般為豐水年景。48年的實(shí)測資料表明：年徑流總量接近或超過30.8億m3的共計(jì)4次，其中近5年內(nèi)（1999～2003年）就有3次，歷史最大值為38.08億m3。

4.3 大洪水發(fā)生年度的泥沙淤積狀況

水庫運(yùn)行以來的1999年、2001年、2002年、2007年分別發(fā)生了 2590 m3／s、1680 m3／s、3677 m3／s、2247 m3／s 的大洪水。懸移質(zhì)輸沙率資料表明：僅1999年、2001年、2002年三年，克孜爾水庫的懸沙淤積總量就達(dá)0.8045億m3，占克孜爾水庫泥沙淤積總量1.79億m3的44.94%。

1953～2008年近56的年水文系列觀測資料表明：克孜爾水庫泥沙淤積速度過快的主要原因是由于近10年來，渭干河出現(xiàn)了豐水、豐沙的水文年景過程，大洪水及特大洪水挾帶大量泥沙進(jìn)入水庫所致。

5 水庫調(diào)沙運(yùn)用方式

5.1 異重流排沙運(yùn)用

為減緩克孜爾水庫泥沙淤積的速率,從2002年開始 ，克孜爾水庫采取汛期逐步降低庫水位運(yùn)行,利用異重流排沙。汛初異重流排沙對興利影響小（此時(shí)正值渭干河灌區(qū)棉花頭水灌溉，灌區(qū)需水量大，水庫不存在棄水問題），排沙效果也好，是異重流排沙的一個(gè)有利時(shí)機(jī)；汛期洪水峰高、量大、歷時(shí)短，沖刷效果較理想，是排沙的一個(gè)有利時(shí)機(jī)；汛期（豐沙期）降低正常運(yùn)用水位至1135～1136m，以利排沙；如遭遇中小型洪水，水庫盡量不抬高庫水位，減少洪水在庫內(nèi)滯留時(shí)間，以避免庫區(qū)淤積；汛后（枯沙期）按興利要求蓄水運(yùn)用。通過近幾年汛期降低庫水位運(yùn)行，有效減緩了防洪庫容、興利庫容的淤積速率，減緩了泥沙的淤積速度。

5.1.1 水庫2007年、2008年汛期實(shí)測異重流排沙分析

克孜爾水庫2007年和2008年汛期利用異重流排沙有7場（次），排沙總量達(dá)32.06萬t,最大排沙比達(dá)到45.22%，詳見表2。

表2 克孜爾水庫2007～2008年汛期異重流排沙統(tǒng)計(jì)情況

5.1.2 采用異重流排沙實(shí)例分析

a.2007年7月27日場（次）是因?yàn)樗畮斐袚?dān)防洪任務(wù)，盡管采取利用異重流排沙措施，出庫流量僅為471m3/s，不到入庫流量2247m3/s（其中，托克遜站流量1480m3/s；黑孜站流量767m3/s）的一半，排沙歷時(shí)為47h,總排沙量為16.40萬t，排沙比為5.93%,同時(shí)異重排沙水位較高,為1140.58 m,排沙效果明顯。

b.2008年7月24日與7月25日場（次）排沙，由于上游支流受降雨影響，致使黑孜河流量由24.5 m3/s增至102 m3/s，水庫及時(shí)調(diào)整出庫流量為183 m3/s，進(jìn)行異重流排沙，排沙歷時(shí)共為37 h，總排沙量為12.29萬t，此時(shí)排沙水位為1137.58m,排沙比為45.22%。盡管此次洪水量級有限，但水庫排沙的出庫流量，既能滿足下游防洪要求及異重流運(yùn)行所需的足夠能量，又不影響興利，因此,排沙效果比較理想。

5.1.3 影響異重流排沙效果的原因

a.支流黑孜河雖然可以以異重流形式抵達(dá)壩前，但總量太小，并且干流入庫泥沙難以以異重流形式到達(dá)壩前。致使克孜爾水庫全年異重流排沙效果并不理想。

b.未及時(shí)提門的影響。c.出庫流量不足的影響。

5.2 低水位渾水排沙運(yùn)用

5.2.1 排沙方案

根據(jù)清華大學(xué)黃河研究中心與克孜爾水庫管理局于2001年進(jìn)行的克孜爾水庫泥沙模型排沙試驗(yàn)結(jié)果,并通過對灌溉效益、發(fā)電效益初步比選后，確定采取低水位渾水排沙運(yùn)行方案。

5.2.2 排沙時(shí)間的確定

低水位渾水排沙的時(shí)間選在6月20日～7月30日，約40天。排沙期間庫水位為1133.0～1135.0m，據(jù)對2002～2008年共計(jì)7年懸移質(zhì)泥沙觀測資料的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，實(shí)測懸移質(zhì)入庫輸沙總量為1.16億t,克孜爾水庫站排沙量為0.089億t,平均排沙比為6.61%。歷年排沙比最小的僅為2.04%，最大的也只達(dá)到16.44%。排沙效果詳見表3。

5.2.3 排沙期間的水庫調(diào)度

6月上旬以前，水庫仍然執(zhí)行常規(guī)調(diào)度；6月下旬至7月底，水庫運(yùn)行方式主要以排沙為主；8月以后，水庫運(yùn)行方式主要以安全度汛為主，水庫以蓄水為主。水位控制指標(biāo)：6月上旬為蓄水期，水位不超過1138.0 m,相應(yīng)庫容為2.0億m3。6月20日水位上限控制指標(biāo)為1136.5m,相應(yīng)庫容為1.63億m3；6月20～30日,為灌溉供水期,30日庫水位下調(diào)至1135m以下。7月上旬至中旬，庫水位維持在1133.0～1134.0m之間，并保持進(jìn)、出庫流量平衡。7月下旬，水庫排沙工作進(jìn)入后期調(diào)整階段，可適當(dāng)攔蓄洪水，7月30日庫水位上調(diào)至1138.0m左右。

表3 克孜爾水庫2002～2008年汛期進(jìn)、出庫懸移質(zhì)泥沙統(tǒng)計(jì)

5.2.4 影響低水位渾水排沙效果的因素

a.汛期由于水庫承擔(dān)防洪任務(wù)，不僅不能利用暴雨洪水進(jìn)行排沙，反而將暴雨洪水挾帶的大量泥沙淤積在庫內(nèi)。現(xiàn)狀情況下，水庫下游灌溉實(shí)際引水能力為200m3/s，當(dāng)下泄流量大于200m3/s時(shí)，將會發(fā)生棄水，對用水已十分緊張的下游灌區(qū)來說，是難以接受的。

b.水庫為確保灌區(qū)棉花及復(fù)播作物適時(shí)灌溉，必須在5月下旬至6月上旬關(guān)閘蓄水，勢必抬高主汛期庫水位。同時(shí)，即便汛期庫水位下降至死水位，但由于持續(xù)時(shí)間太短暫，排沙歷時(shí)較短。

因此，從近幾年低水位渾水排沙運(yùn)用的效果來看，此排沙措施實(shí)際運(yùn)用效果并不太理想。

6 建 議

a.在水庫現(xiàn)狀情況下，水庫低水位渾水排沙效果不顯著，并且泄空排沙會影響水庫興利，采取異重流方式進(jìn)行排沙，又受來水、來沙條件的限制，并且不能排除前期淤積在庫內(nèi)的泥沙。因此，從根本上解決水庫泥沙淤積日趨嚴(yán)重問題的有效措施，還是采取人工輔助工程措施進(jìn)行沖淤排沙。主要措施包括導(dǎo)沙入河、挖泥疏浚和壩前泥沙淤積治理等。

b.設(shè)立專項(xiàng)資金，加大投入，借鑒兄弟省份的水庫沖淤排沙的成功經(jīng)驗(yàn)，從而有效解決北方高含沙河流水庫存在的泥沙淤積嚴(yán)重的問題。

c.水庫泥沙淤積問題在水庫調(diào)度運(yùn)行中應(yīng)引起各方面的高度重視。水庫在制定控制運(yùn)用計(jì)劃時(shí)，既要考慮水量的調(diào)度，也要兼顧泥沙的調(diào)度，進(jìn)行流域上、下游水沙的統(tǒng)一調(diào)度，處理好蓄水興利與排沙減淤的矛盾,同時(shí)應(yīng)考慮到近期效益與遠(yuǎn)期效益的矛盾，并盡可能地延長水庫的使用壽命。