疏勒河流域昌馬水庫壩址處水沙關系特性研究

(1.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735200；2.甘肅水務節水科技發展有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

疏勒河流域的開發歷史可追溯到漢武帝時期，自公元前2世紀以來，疏勒河就是絲綢之路的必經之地，是敦煌的母親河。如今的疏勒河承擔著疏勒河灌區8.96hm2農田灌溉和工業供水等任務。而昌馬水庫作為疏勒河的龍頭工程，是疏勒河灌區的命脈工程，直接關系著灌區的生死存亡。昌馬水庫工程自1997年開工，2001年12月下閘蓄水，2003年11月正式建成，設計總庫容1.934億m3。由于昌馬水庫建成后，大壩抬高了水位，形成了在水庫大壩至庫尾的回水曲線，使水庫沿水流方向，隨著水深的增加，水面比降降緩、流速減小、泥沙沉淀，最終在庫區形成淤積。據2015年4月實測數據，在汛限水位1993.30m時，淤積量為1763.89萬m3，相比初設庫容11586萬m3，庫容損失15.22%。嚴重影響水庫使用效益，甚至將可能導致水庫失效報廢。而初設提出的昌馬水庫排沙方式為7月份暢泄排沙，這與灌區的灌溉用水高峰期時間相同，無法按設計執行排沙調度，故在實際調度過程中每隔2～3年在汛期選取2～3d進行排沙，但排沙效果不明顯。所以，對昌馬水庫進行減淤調度優化研究就顯得尤為重要，直接影響著疏勒河灌區耕地的灌溉保障和23萬灌區人民的生存權。本文從昌馬水庫壩址處的水沙關系入手，理清水沙關系，建立數學模型，為下一步水庫的減淤調度提供數據支撐。

1 昌馬水庫壩址處水文氣象特征

1.1 徑流

1.1.1 徑流特性

疏勒河徑流主要補給靠上游降水和冰雪融化，因此，徑流在年內分配極其不均勻。4—5月主要由積雪融化和河水補充，水量占全年的11.30%；6—9月，徑流主要由高山的積雪融化和降水來補充，占全年河道來水的68.90%，而其中7、8兩月，水量占全年河道來水的48.30%；10月—來年3月，徑流主要依靠地下水進行補給，全年最小的來水流量一般發生在這一時期的1—2月。

1.1.2 昌馬水庫設計年徑流

昌馬水庫壩址上游18.50km處設有昌馬堡水文站，觀測至今，控制流域面積10961km2，水庫壩址以下2.50km處設有昌馬峽專用站，有五年(1964—1968年)不完整的水文實測資料。1995年進行《昌馬水庫樞紐工程初步設計》時，利用這些資料與上游昌馬堡水文站相應月份的平均流量進行相關聯，關系良好，由此插補出昌馬峽1952—1989年月年徑流系列資料，為水庫調節計算方便，資料系列采用(7—6月)調節年度統計，經頻率分析計算，通過適線得：Wo=10.31億m3、Cv=0.24、Cs=2Cv(Wo為年際平均流量，Cv、Cs分別為變差系數和偏態系數)(見表1)。

表1 昌馬水庫入庫設計年徑流成果

1.1.3 設計徑流年內分配

昌馬水庫設計徑流年內分配采用典型年法，由于年徑流實測資料系列較長，代表性好，包含了豐、平、枯變化周期。根據選擇典型年的原則，并考慮4—6月灌溉高峰期的具體情況，分別選定豐水年(P=25%)典型為2004年7月—2005年6月、平水年(P=50%)典型為1979年7月—1980年6月、枯水年(P=75%)典型為1961年7月—1962年6月、特枯水年(P=90%)典型為1965年7月—1966年6月。昌馬水庫不同設計頻率入庫年徑流，通過典型年進行年內分配(見表2)。

表2 昌馬水庫入庫設計年徑流年內分配成果

1.2 洪水

疏勒河汛期主要集中在7、8、9這三個月，洪水主要由上游山區的強降暴雨形成，規模較大的洪水一般歷時7～15d左右。由于在昌馬峽出山口至雙塔水庫之間分布著大量的戈壁灘，每當洪水下泄后，洪水的三分之二左右損失在這一段。昌馬水庫自2001年末開始蓄水，水庫防洪標準按百年一遇設計，二千年一遇校核，其洪峰流量分別為:Q1%=1620m3/s，Q0.05%=2960m3/s(見表3)。

表3 昌馬水庫斷面設計洪水

2 昌馬水庫壩址水沙關系

2.1 昌馬水庫泥沙特征

疏勒河流域干旱少雨，多年平均降水量94mm。多年平均懸移質輸沙量359萬t，推移質輸沙量90萬t(按照懸移質的25%估算)，多年平均總輸沙量449萬t，多年平均含沙量3.49kg/m3,實測最大斷面平均含沙量99.30kg/m3。來沙量年際變化大，年最大輸沙量880萬t(1972年實測)，年最小輸沙量43.70萬t(1956年實測)。年內來沙極不均勻，汛期(6—9月)來沙量占全年的94.30%，且主要集中在7、8兩月，分別占全年沙量的44.40%和37.60%，而7、8月來水分別占全年的20%左右(見圖1)。

圖1 昌馬水庫壩址典型年月平均流量、輸沙率

2.2 昌馬水庫泥沙關系分析

2.2.1 昌馬水庫典型年7—8月泥沙關系分析(一元線性回歸分析)

可利用一元線性回歸分析法對水沙關系數據進行處理和分析。以典型年7—8月份來水流量為x，含沙量為y，進行線性回歸分析計算，其理論計算如下：

?一元線性方程公式:

(1)

(2)

?對得到的方程進行相關系數檢驗

(3)

在α=0.05時，自由度=n-2，查相關系數表，只要R>0.3175，則存在相關系數合理。通過分析得出：在豐、平、枯三個典型代表年下，昌馬水庫水沙關系存在線性關系(見表4、圖2)。

表4 昌馬水庫水沙關系初步分析

圖2 壩址處7—8月豐、平、枯水年日平均流量、含沙量線性回歸圖

2.2.2 昌馬水庫系列年水沙關系分析

根據昌馬堡水文站1957年1月1日—2014年12月31日的逐日流量和逐日來沙量數據，逐日來水量在年度變化上呈現規律性周期變化，在每年的年中達到峰值，在每年的年初和年尾進入低谷(見圖3(a))，這與疏勒河流域的水文特性有關。根據對1957年1月1日—2014年12月31日的逐日平均來沙量進行分析，發現其含沙量變化規律與來水量相同，也是在年內來沙極不均勻(見圖3(b))。

圖3 昌馬水庫1957—2014年逐日平均來水量與來沙量

來水來沙作為河床塑造的主要因素，對昌馬水庫的沖淤和淤積形態具有直接影響。水庫的水沙關系實際上就是昌馬水庫疏勒河流域上段的來水量和來沙量的關系。根據常用的泥沙和流量關系，該關系的水沙關系方程可表達為：

Qs=aQb

式中Qs——懸移質含沙量，kg/m3；

Q——流量，m3/s；

a——系數；

b——指數。

通過對上式進行對數變化和一元線性回歸，可知含沙量和來水量變化顯著性不明顯。故對公式進行修訂，將Qs調整為輸沙率，單位kg/s，Q為流量，單位m3/s。令y=Ln(Qs)、x=Ln(Q)，代入水文泥沙數據(剔除河道流量為0的數據)，采用線性回歸進行分析。通過采用指數變換，利用一元線性回歸分析，計算得Ln(Qs)=0.3983Ln(Q)+3.5494，相關度R2=0.5532，R=0.743。故得a=e3.5494=34.79,b=0.3983,故水沙數學模型初步可表達為：

Qs=34.79Q0.3983

由于疏勒河流域來水集中在7—8月之間，而昌馬水庫主汛期為7月上旬—8月中旬，故選取7—8月的來水量和輸沙量，利用上述步驟進行線性回歸，計算得Ln(Qs)=0.4632Ln(Q)+3.9886，相關度R2=0.7112，R=0.834，詳見圖4。故得a=e3.9886=53.98,b=0.4632,故水沙數學模型確定為：

Qs=53.98Q0.4632

圖4 壩址處7—8月逐日平均流量、含沙量線性回歸分析圖

3 結 論

疏勒河流域年內來沙極不均勻，汛期來沙量占全年的94.30%，且主要集中在7、8兩月，分別占全年沙量的44.40%和37.60%，而7、8月來水分別占全年的20%左右；在豐、平、枯三個典型代表年下，疏勒河流域逐日來水量和來沙量存在線性關系；1957—2014年疏勒河流域昌馬水庫壩址處逐日水沙關系和7、8月水沙關系分析結果表明，昌馬水庫壩址處河道來水量中的沙量與流量成正相關，來水流量越大，則來沙量越大；洪水流量越大，則來沙量也越大。

來水量、含沙量和灌區需水量的研究分析，為找到一個既能滿足水庫灌溉,又能發揮沖沙效益的流量提供了理論上的可能，并為下一步昌馬水庫減淤調度提出分級流量打下了有力的數據支撐。