渭干河流域水庫聯合調度方式初探

2020-04-28 14:16:30楊順剛

水利科技與經濟 2020年4期

楊順剛

(新疆克孜爾水庫管理局，新疆拜城 842313)

1 流域概況

1.1 流域水系

渭干河流域位于新疆天山南麓中段，流域呈扇形，由北向南包括高山帶、中山帶和低山帶。高山帶海拔3 200 m以上，該帶山峰陡峭，長年白雪皚皚；中山帶海拔在2 400～3 200 m之間，這里降水豐沛，氣候濕潤，在山坡上和河灘谷地生長有大片茂密的云杉林；低山帶海拔在2 400 m以下，這里氣候干燥，植被稀少，巖石裸露，沖溝縱橫，呈現出荒涼景象。主流木扎提河沿途接納了發源于哈爾克他烏山脈的卡木斯浪河、臺勒外丘克河和卡拉蘇河3條支流的來水，在木扎提河控制站——托克遜水文站下游32 km處流入克孜爾水庫。另一支流黑孜河與卡拉蘇河相鄰，也發源于哈爾克他烏山脈,直接匯入克孜爾水庫。渭干河流經拜城、庫車、新和、沙雅4縣，最后消失于塔里木河北岸附近。渭干河全長約452 km，流域面積72 420 km2，地理位置E80°40′-E84°10′，N41°06′-N42°42′之間。

干流木扎提河上游山勢高峻，右側除汗騰格里峰(海拔6 995 m)外，還有托木爾峰(海拔7 435.1 m)等，由于高山降水豐沛，年降水量可達900 mm以上，這里是中國天山最大的冰川作用中心。木扎提河破城子水文站以上冰川覆蓋率達42.6%，為新疆主要河流中冰川覆蓋率最大的河流，從西向東各支流冰川覆蓋率逐漸減小。

1.2 流域水利工程分布

2 問題的提出

2017年9月份完成的庫區1∶10 000電子地形圖測量成果資料表明，至2017年底，克孜爾水庫正常蓄水位1 149.6 m以下泥沙淤積總量已達到3.212×108m3，剩余庫容2.858×108m3，庫容損失率為52.92%。其中，死庫容淤積1.306×108m3，占死庫容(1.32×108m3)的98.94%；興利庫容淤積1.91×108m3，占興利庫容(4.768×108m3)的40.05%。防洪庫容淤積0.097 9×108m3，占防洪庫容(2.635 7×108m3)的3.71%。見表1、圖1。

表1 克孜爾水庫初設階段特征水位的泥沙淤積統計表

圖1 克孜爾水庫干流木扎提河段泥沙淤積縱斷面圖

泥沙淤積使克孜爾水庫和下游灌區面臨兩個技術難題：一是大量的泥沙淤積致使克孜爾水庫調蓄功能逐年減弱，灌區用水緊張的局面日漸嚴峻，在現實條件下如何解決下游灌區農業用水緊張的問題；二是在現實條件下如何采用非工程措施緩解克孜爾水庫泥沙淤積問題。

3 流域內水庫的特性及其現行運用方式

3.1 克孜爾水庫運行方式

3.1.1 克孜爾水庫特性參數

水庫除險加固后，其主要設計參數見表2。

表2 克孜爾水庫特征參數統計表

3.1.2 克孜爾水庫運行方式

克孜爾水庫原設計年初蓄滿一次；自2000年以后，年內必須2次蓄滿，除此之外至少還有2～3次關閘進行階段性調蓄。其中，對水庫排沙、防洪度汛最不利的調蓄為每年5月下旬至6月上旬的關閘蓄水(圖2)。

圖2 渭干河平水年景克孜爾水庫水位變化過程線

從圖2可以看出：

評價數據主要通過資料及文獻查閱、野外實地勘測、走訪技術員以及對農戶開展問卷調查等途徑獲取。同時，通過查閱當地林業部門的年鑒資料，包括自然、人文、社會經濟等，獲取復合經營模式的相關信息，并進行交叉驗證，從中選取詳實且可靠的評價指標及參考依據，確保數據的科學性和代表性。

1) 12月中旬至2月下旬，為滿足灌區春灌供水要求，克孜爾水庫采取減水蓄水的方式運行。近幾年，因水庫泥沙淤積，水庫調蓄能力降低，不需要關閘2月25日左右庫水位就能達到正常高水位1 149.6 m。然后開始春灌供水，剛開始時采取進出庫平衡的方式運行，主要為了對渠道的冰塊、淤積雜物進行沖洗。3月份開始大水灌溉，出庫流量逐步增大到180 m3/s左右，庫水位持續下降，4月5日左右水庫基本放空。采取進出庫平衡的方式運行，出庫流量在30 m3/s左右。

2) 4月25日左右開始進行閉孔關閘蓄水，直至5月10日為止共調蓄水量5 000×104m3左右，庫水位達到1 143 m左右，5月11日至25日進行小麥二水灌溉，共向下游供水約1.5×108m3，庫水位下降至1 138 m左右。

3) 5月26日至6月10日開始關閘蓄水，主要是滿足復播和棉花苗水灌溉需求，6月11日左右庫水位接近1 145 m，共調蓄水量1.1×108m3左右。

4) 9月下旬開始直至11月上旬，主要是滿足冬灌用水需求，期間共蓄水近5 000×104m3，期間因泥沙淤積，水庫蓄水能力有限，會產生大量的棄水。

3.2 五一水庫和躍進水庫現行運行方式

五一水庫是渭干河下游灌區新和縣內的一座平原引水灌注式水庫，1959年建成時水庫總庫容4 690×104m3，可控制灌溉面積0.8×104hm2，2002年除險加固后設計庫容3 900×104m3。水庫大壩為均質土壩，壩長8.3 km，最大壩高7 m。五一水庫每年運行一次，即每年1-2月份開始蓄水，3-4月份灌溉供水放空，其余時間均空庫運行。

躍進水庫是渭干河下游灌區庫車縣境內一座引水灌注式中型水庫，1958年建成，1979年擴建成。擴建后庫容達到5 800×104m3，其中死庫容175×104m3，興利庫容4 250×104m3，目前水庫的實際蓄水能力為5 500×104m3。目前，躍進水庫每年12月中旬開始蓄水，直至次年1月份，3-4月份灌溉供水放至死水位左右，其余時間均維持在死水位運行。

4 聯合調度的必要性分析

4.1 實行聯合調度有利于緩解灌區春冬灌兩季用水緊張的局面

根據渭干河灌區2019年農作物需水計劃和2019年克孜爾水庫的實際供水情況，編制渭干河灌區2019年需水量與供水量對比圖(圖3)。從圖3上可以看出：

1) 2月份水庫的供水量大于灌區的需水量。主要是為滿足下游兩個平原水庫蓄水要求。

2) 從3月下旬至4月中旬，灌區的需水量大于實際供水量。由于春灌供水量大，且灌溉時間較為集中，而此時位于克孜爾水庫上游的拜城縣因引水灌溉，克孜爾水庫進庫水量卻是一年中最少的時候，水庫水位持續下降，3月底4月初基本放空，因而無法滿足下游用水需求。

3) 汛期(6-9月份)是灌區用水高峰期，克孜爾水庫的供水量基本滿足灌區用水量。

4) 9月份供水量大于灌區需水量，產生大量棄水。

5) 10月份下游灌區不需要水，而此時水庫已冬灌蓄滿，庫水位已達正常高水位，不得不向下游放水，從而產生大量棄水。

圖3 渭干河灌區2019年度灌溉需水量與實際供水量對比柱狀圖

如果每年秋季(9月-10月份)五一、躍進兩座平原水庫蓄水9 000×104m3(其中躍進水庫蓄水5 000×104m3左右，五一水庫蓄水4 000×104m3左右)，按照棉花播前水灌水定額4 500 m3/hm2計算，冬灌白地灌溉面積可以增加2×104hm2，達到緩解春灌供水壓力目的。

4.2 實行聯合調度有利于降低克孜爾水庫汛期運行水位，提高汛期排沙比和排沙時間

為滿足灌區棉花頭水灌溉用水需求，克孜爾水庫每年5月下旬至6月上中旬期間(20天左右)關閘調蓄水量約1.5×108m3，庫水位一般由1 138.0 m回升至1 145.0 m，增幅7 m左右，而在此期間下游兩座平原水庫即庫車縣躍進水庫、新和縣五一水庫恰好是空庫運行，有望調蓄水量9 000×104m3左右。因此，如果每年5月下旬至6月上旬實行三庫聯調，下游兩座平原水庫發揮反調節蓄水作用，分擔9 000×104m3的蓄水量，克孜爾水庫只需蓄水2 000×104m3左右，從而達到克孜爾水庫少蓄水或不蓄水的目的；而在6-7月份洪峰流量小于下游安全泄量750 m3/s時，克孜爾水庫采取進出庫水量平衡的方式運行，水庫基本維持在空庫狀態，就會提高汛期排沙比、增加排沙時間，為沖淤排沙創造良好條件。

4.3 實行聯合調度有利于下游灌區的防洪安全

除險加固初步設計防洪高水位1 151.89 m，汛限水位為1 145.75 m，設計防洪庫容為2.64×108m3。若將主汛期的水位控制在1 139.5 m以下，將新增防洪庫容近1×108m3左右(按2017年的庫容曲線計算)，將極大地增加水庫的調洪能力，提高下游的防洪安全。

5 水庫聯合調度方案

5.1 5月中下旬至6月中旬

按照近幾年水庫運行情況，一般從5月25日開始關閘蓄水，此時克孜爾水庫水位在1 138 m左右，相應庫容960×104m3；6月10日左右開始棉花頭水灌溉，考慮此時段由下游五一水庫和躍進水庫蓄水9 000×104m3，按河道多年平均來水量計算，克孜爾水庫水位仍然在1 138 m左右，可以確保水庫汛期在低水位運行。其調蓄方案見表3。

表3 汛前灌區三庫聯調方案

注：進庫流量按多年平均進庫流量計算；區間水量損失按10%計算；按2017年最新水位庫容曲線計算。

5.2 9月中下旬至10月下旬

按照近幾年水庫運行情況，9月1日至11月10日，灌區需水量為1.42×108m3左右，此時段內多年平均進庫水量4.32×108m3左右；近幾年，9月1日庫水位在1 145.5 m左右，相應庫容1.11×108m3，按照11月10日水庫蓄水至1 149.6 m正常高水位，相應庫容2.86×108m3，克孜爾水庫還應蓄水1.75×108m3，此時剩余水量則由下游平原水庫調蓄。其調蓄方案見表4。

表4 秋季灌區三庫聯調方案