關于水庫汛期排沙控制水位的論證研究
——以新疆玉龍喀什水庫為例

肖 俊

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆大部分河流為季節性河流，大水大沙時期多集中在汛期，對泥沙問題較為嚴重的水庫，汛期排沙控制水位的確定將直接關系到水庫設計過程中的規模及綜合利用指標的確定，也將直接影響到水庫建成后的綜合運行效益。水庫在滿足排沙控制水位泄流規模的前提下，還需要有合理的水庫運行方式來實現水庫淤積控制，否則仍不能控制水庫淤積而加速損失庫容。實踐證明，無論多沙或少沙河流水庫，都有泥沙淤積問題，所以，處理泥沙問題，控制泥沙淤積是水庫運用的主要矛盾。但泥沙處理問題往往同綜合利用發生矛盾。本文針對泥沙問題較為嚴重的水庫——新疆玉龍喀什水庫為例，進行汛期排沙控制水位的論證研究，此項研究對水庫工程的設計是有必要和有意義的。

對水庫泥沙采用“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，或將泥沙全部排出庫外都是不可行的。根據《泥沙設計手冊》[1]，庫沙比Kt<100的水庫不應蓄洪運用，可采用“蓄清排渾”的泥沙調度運行方式。玉龍喀什水庫庫沙比Kt=60.3<100，因此采用“蓄清排渾”的泥沙調度運行方式，采取主汛期適當降低水位排沙，控制在排沙控制水位運行。

1 水庫概況

玉龍水利樞紐位于玉龍喀什河同古孜洛克水文站上游約48 km處，是玉龍喀什河上的控制性工程。在保證向塔里木河下泄生態水量目標的前提下，以調控生態輸水、灌區供水、防洪為主，兼顧發電等綜合利用任務。水庫正常蓄水位2170 m，相應庫容為52 784萬m3，死水位2080 m，死庫容10 061萬m3，天然情況下庫區河床比降為11.8‰。

玉龍喀什水庫多年平均入庫懸移質輸沙量為1027萬t，多年平均入庫推移質輸沙量為154萬t，以懸移質干容重1.3t/m3，推移質干容重1.8t/m3折算成體積，玉龍喀什水庫多年平均入庫懸移質輸沙量為790萬m3，多年平均入庫推移質輸沙量為86萬m3，則庫沙比為60.3，小于壅水建筑物結構的設計基準期100年，根據《水電工程泥沙設計規范》(NB/T 35049—2015)中標準劃分，屬于泥沙問題嚴重的水庫。

2 材料與方法

2.1 水沙資料

選擇同古孜洛克水文站為玉龍喀什水庫的水沙設計代表站，以水文站1964年、1965年、1978—2016年實測資料為參證，按輸沙模數法推算玉龍喀什水利樞紐壩址斷面水沙系列。

2.2 地形觀測資料

采用庫區實測縱橫斷面進行水庫泥沙淤積計算。

2.3 模型的數值計算方法

采用非均勻流不飽和全沙水庫數學模型進行水庫泥沙淤積和排沙計算。水庫泥沙數學模型在具體模擬計算中采用非耦合解法，即先單獨求解水流連續方程和水流運動方程，待求出有關水力要素后(如流速、水深等)，再求解泥沙連續方程和河床變形方程，從而推求河床沖淤變形結果，如此交替進行。

經清華大學舒安平、黃委會江恩惠、朱太順、王嚴平等學者以及國家自然科學基金重點項目“高含沙水流紊動結構和泥沙運動規律的研究”(項目編號：59339170)，通過大量實測資料檢驗，證實公式是現有公式中最適用于天然河流的水流挾沙力公式，目前已得到廣泛應用[2]。因此，采用該水流挾沙力公式，可保證我們所建立泥沙數學模型正確模擬懸移質泥沙沖淤影響。

各旬入庫流量、出庫流量和相應的壩前水位采用徑流調節計算的連續長系列成果，各旬入庫含沙量采用相應的實測系列值，進行水庫泥沙淤積計算，也就是說泥沙淤積計算和徑流調節計算是完全結合的[3]。

3 汛期排沙控制水位論證

3.1 初選汛期排沙控制水位

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。泥沙設計規范要求，水庫排沙水位下泄流規模應滿足水庫排沙要求，應不小于2年一遇洪峰流量，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。首先考慮死水位2080 m，作為汛期排沙控制水位，根據水工的設計依據，2080 m水位下相應的下泄量為699 m3/s，大于2年一遇設計洪峰流量為692 m3/s，2080 m作為初選的汛期排沙控制水位，泄流規模可基本滿足汛期水庫排沙的要求

3.2 進一步論證汛期排沙控制水位

關于汛期排沙控制水位的確定，是徑流調節計算與泥沙淤積計算相互結合試算才確定下來的，兼顧水庫興利和排沙的矛盾。其過程如下：

(1)汛期排沙時段初選。玉龍喀什河6—8月3個月是全年的大水大沙月份，其多年平均輸沙量占到全年輸沙總量的93%以上，其中6月份的多年平均輸沙量占全年輸沙量的18.8%、7月份的多年平均輸沙量占全年輸沙量的42.2%、8月份的多年平均輸沙量占全年輸沙量的32.5%；這3個月的多年平均徑流量占到全年徑流量的78.0%以上，其中6月份的多年平均徑流量占全年徑流量的12.1%、7月份的多年平均徑流量占全年徑流量的32.6%、8月份的多年平均徑流量占全年徑流量的33.5%，水沙關系基本一致，詳見表1。

表1 玉龍喀什水利樞紐壩址斷面處多年平均懸移質泥沙成果

基于以上分析，將6—8月3個月作為初選的汛期排沙控制水位的論證時段。

(2)細化汛期排沙時段、擬定排沙水位方案。進一步將6—8月3個月的月時段劃分成9個旬時段進行不同排沙水位方案的論證比選，主汛期各旬流量及輸沙率見表2。

表2 玉龍喀什水庫主汛期各旬流量及輸沙率成果表

可以看出，6月上旬—8月下旬水沙基本的對應關系是水大沙大，并逐旬遞增，流量在8月上旬達到最大值324 m3/s，輸沙率在7月下旬達到最大值1943 kg/s，其中6月上旬和中旬的水量及沙量相對較小，8月中旬結合綜合利用要求水庫需蓄水，基于以上原因將論證的重點時段定為6月下旬—8月上旬。考慮兩種特殊情況即6—8月均在死水位和6—8月均在汛限水位與重點時段，形成17個組合方案。重點時段方案組合首先按單旬分別降水位，形成5個方案的單旬分別降至2080 m進行泥沙淤積計算；然后按雙旬對這五個單旬做了組合，形成4個方案的雙旬分別降至2080 m進行泥沙淤積計算；以此類推再按照三旬、四旬、五旬分別組合形成3個方案、2個方案、1個方案進行徑流調節和泥沙淤積的配合計算。

(3)徑流調節與泥沙淤積的配合過程。首先將不同方案的旬水位降到2080 m進行徑流調節計算，根據以上水位下的徑流調節成果及相應的水沙系列，進行不同方案的水庫泥沙淤積計算；采用不同方案的水庫泥沙淤積水平年50年的庫容曲線，再進行不同方案的徑流調節計算，同時復核相應的興利指標，也就是說泥沙淤積計算和徑流調節計算是完全結合的。

4 分析論證確定汛期排沙控制水位

4.1 從泥沙的角度分析

由以上方案淤積計算成果可以看出，單旬組合中7月下旬剩余調節庫容最大為24 120萬m3，8月上旬次之為24 111萬m3，6月下旬剩余調節庫容最小為23 412萬m3；雙旬組合中7月中旬—7月下旬和7月下旬—8月上旬這兩種方案剩余調節庫容較大，分別為26 152萬m3、25 487萬m3，6月下旬—7月上旬方案剩余調節庫容最小為24 614萬m3；三旬組合中7月中旬—8月上旬方案剩余調節庫容最大為27 899萬m3，6月下旬—7月中旬剩余調節庫容最小26 298萬m3；四旬組合中7月上旬—8月上旬剩余調節庫容較大29 932萬m3。

圖1為不同排沙運行水位下的淤積縱斷面圖，從圖中可以看出，隨著運行水位時段加長，庫區泥沙是逐漸向壩前推進的，時段越多，推進的趨勢越為明顯[4]。因此，僅從泥沙淤積的角度來分析，水位降兩個旬的方案一定是比降一個旬的方案保留的有效庫容大，排沙效果也更好，同理降三旬比降兩旬的淤積會更少，以此類推，水位下降的時段越多，排沙效果越好，但最終要與興利相結合，綜合考慮來推薦較優的汛期排沙控制水位方案[5]。

圖1 不同排沙運行水位下淤積縱斷面

4.2 從興利的角度分析

4.2.1 分析特殊工況

6—8月均在死水位方案，充分考慮了汛期降低水位排沙，剩余調節庫容3.77億m3，剩余庫容最大，排沙效果較優，但6—8月死水位排沙無法充分發揮水庫調蓄能力，無法滿足流域灌區灌溉保證率75%和向塔里木河下泄生態水量9.00億m3目標要求。6—8月均在汛限水位方案，未考慮汛期降低水位排沙，剩余調節庫容2.26億m3，水庫泥沙淤積較嚴重，但6—8月汛限水位運行充分發揮水庫調蓄能力，滿足流域灌區灌溉保證率75%要求，但向塔里木河下泄生態水量僅為8.81億m3，未達到9.00億m3生態水量目標要求。通過兩組方案對比分析可以看出，6—8月排沙水位維持在汛限水位，能夠有效調蓄生態水量，可增加高效率區流量次數，減小河道輸水損失。

4.2.2 分析單旬死水位排沙方案

單旬死水位排沙方案均能滿足流域灌區灌溉保證率75%的要求，僅8月上旬死水位方案滿足向塔里木河下泄生態水量9.00億m3目標要求，并向兵團增供1.13億m3。通過對比分析，8月上旬壩址斷面天然來水較大，水庫降低水位排沙的同時，可兼顧生態補水，因此，8月上旬降低水位排沙效果較好。

4.2.3 分析雙旬死水位排沙方案

雙旬死水位排沙方案中各方案均能滿足流域灌區灌溉保證率75%的要求，僅7月下旬—8月上旬死水位排沙方案滿足向塔里木河下泄生態水量9.00億m3目標要求，并向兵團增供1.16億m3。通過對比分析，7月下旬—8月上旬壩址斷面徑流及輸沙量均較大，采用死水位排沙使水庫兼顧排沙和下泄生態相對較優。

4.2.4 分析三旬、四旬和五旬死水位排沙方案

各方案均能滿足流域灌區灌溉保證率75%的要求，但均不滿足9.00億m3生態水量目標要求。

通過對各排沙水位比選方案成果對比分析可以看出，各汛期排沙水位方案中僅8月上旬死水位方案和7月下旬—8月上旬死水位方案滿足向塔里木河下泄9.00億m3生態水量目標要求，并分別向兵團增供1.13億m3和1.16億m3。其余各方案中除6—8月死水位方案不能滿足流域灌區灌溉保證率75%的要求，其他方案均能夠滿足灌溉要求，但肖塔斷面下泄生態水量均不滿足9.00億m3要求。

針對8月上旬死水位方案和7月下旬—8月上旬死水位方案進行對比分析，8月上旬死水位方案剩余調節庫容2.41億m3，兵團增供1.13億m3；7月下旬—8月上旬死水位方案剩余調節庫容2.55億m3，兵團增供1.16億m3，7月下旬—8月上旬死水位方案剩余調節庫容和兵團增供水量均較大，綜合考慮采用7月下旬—8月上旬死水位方案為初選的推薦方案。

4.2.5 汛期排沙水位細化論證

(1)7月中旬排沙水位比選。在初選的推薦7月下旬、8月上旬死水位方案的基礎上，考慮到6月的水量及沙量相對較小，6月維持在汛限水位2169.0 m運行，8月中旬為滿足流域綜合利用要求，水庫需蓄水，針對7月中旬在汛限水位與死水位之間以水位間隔15 m擬定了七組排沙水位方案進一步細化比選，各比選方案計算成果見表3[6]。

表3 玉龍喀什水利樞紐工程7月中旬排沙水位比選方案成果表

通過各方案計算成果對比分析，從方案1～方案7，隨著7月中旬水庫排沙水位逐步降低，水庫調節庫容呈遞增趨勢，調節庫容由25 487萬m3增加到27 899萬m3，調節庫容增加2412萬m3，增幅9.5%；各方案均能滿足灌溉保證率75%的要求，而從下泄塔里木河生態水量分析，隨著7月中旬汛限水位的降低，肖塔斷面收到的水量由9.00億m3遞減至8.83億m3，僅方案1能滿足多年平均下泄塔里木河生態水量9.00億m3的目標；從多年平均年發電量分析，隨著7月中旬汛限水位的降低，多年平均年發電量由5.15億kW·h減小到5.11億kW·h。

(2)7月上旬—7月中旬排沙水位比選。在初選的推薦7月下旬—8月上旬降低水位排沙的基礎上，針對7月上旬—7月中旬在汛限水位與死水位之間以水位間隔15 m擬定了七個排沙水位方案進一步細化比選，各比選方案計算成果見表4[7]。

表4 玉龍喀什水利樞紐工程7月上旬—7月中旬排沙水位成果表

通過各方案計算成果對比分析，從方案1～方案7，隨著7月上旬—7月中旬水庫排沙水位逐步降低，水庫調節庫容呈遞增趨勢，調節庫容由25 487萬m3增加到29 932萬m3，調節庫容增加4445萬m3，增幅17.4%；各方案均能滿足灌溉保證率的要求，而從下泄塔里木河生態水量分析，隨著7月上旬—7月中旬汛限水位的降低，肖塔斷面收到的水量由9.00億m3遞減至8.62億m3，僅方案1能滿足多年平均下泄塔里木河生態水量9.00億m3的目標；從多年平均年發電量分析，隨著7月上旬—7月中旬汛限水位的降低，多年平均年發電量由5.15億kW·h減小到5.08億kW·h。

(3)7月上旬—7月中旬滿足9.00億m3要求排沙水位試算。在7月上旬和7月上旬—7月中旬排沙水位比選成果的基礎上，針對7月上旬、7月中旬和7月上旬—7月中旬三個方案滿足肖塔斷面生態水量9.00億m3要求情況下，所能達到的最低排沙運行水位進行試算[8]。各比選方案計算成果見表5。

表5 玉龍喀什水利樞紐工程7月上旬、7月中旬和7月上旬—7月中旬排沙水位成果表

當7月上旬降低至2146 m時，剩余調節庫容2.57億m3，兵團預留1.10億m3，肖塔斷面水量滿足9.00億m3要求；當7月中旬降低至2165 m時，剩余調節庫容2.56億m3，兵團預留1.10億m3，肖塔斷面水量滿足9.00億m3要求；當7月上旬—7月中旬降低至2165 m時，剩余調節庫容2.57億m3，兵團預留1.10億m3，肖塔斷面水量滿足9.00億m3要求。經對比分析可以看出，以上三種組合方案均能滿足流域灌區灌溉保證率75%的要求，滿足向塔里木河下泄生態水量9.00億m3目標要求，并向兵團增供1.10億m3，各方案剩余調節庫容變化不大，最大調節庫容為2.57億m3，最小調節庫容為2.55億m3，僅相差0.02億m3。

6 結 論

綜合上述分析，經過多方案論證，本次推薦采用7月上中旬2165 m、7月下旬和8月上旬降至死水位2080 m方案運行，其他旬在汛限水位運行，這種運行方案的剩余調節庫容相對較大，同時能滿足綜合利用的要求。