克孜爾水庫空庫沖沙效果分析

楊順剛

（新疆克孜爾水庫管理局，新疆拜城，842313）

1 工程概況

克孜爾水庫是塔里木河水系渭干河流域上一座以防洪灌溉為主，兼顧發電、水產養殖和旅游開發等綜合效益的大型控制性水利樞紐工程。水庫原設計總庫容為6.4億m3，設計灌溉面積21.3 億m2，工程為一等大（1）型。防洪標準按重現期1 000 年洪水設計，洪峰流量5 720 m3/s，按重現期10 000年洪水校核，洪峰流量8 160 m3/s。水庫承擔下游河道防洪標準按重現期100 年洪水設計，洪峰流量3 380 m3/s。工程主要由主壩、副壩、二道壩、溢洪道、泄洪排沙洞及壩后式廠房組成，工程總投資3.85億元。

因泥沙淤積致使防洪庫容不足，大壩2007 年安全鑒定時被評為“三類壩”，2009 年開始進行除險加固，2011 年8 月除險加固工程基本完工，2014年5 月完成除險加固竣工驗收。除險加固后水庫總庫容7.25 億m3，主副壩均為黏土心墻砂礫殼壩，其中主壩長920.6 m，最大壩高47.6 m；副壩長1 288 m，最大壩高36.2 m。防洪標準按重現期500年洪水設計，洪峰流量7 214 m3/s，按重現期5 000年洪水校核，洪峰流量11 156 m3/s。水庫承擔下游河道防洪標準仍按重現期100年洪水設計，洪峰流量4 627 m3/s。

2 入庫水沙特性分析

渭干河流域位于新疆天山南麓中段，流域呈扇形分布，干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、臺勒維丘克河和卡拉蘇河三條支流的來水，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，克孜爾水庫以下稱渭干河。渭干河及其干流流經拜城、庫車、新和、沙雅四縣，最后消失于塔里木河北岸附近。流域全長452 km，流域總面積72 420 km2，其中壩址以上流域面積16 637 km2，渭干河流域多年平均年徑流量為26.2億m3，多年平均流量83.1 m3/s，實測最大流量3 677 m3/s，最小流量13.4 m3/s。徑流量年際變化不大，但年內分配不均，每年3—5月為枯水期，水量占全年徑流量的13.6%；6—8 月為洪水期，水量約占全年徑流量的50%；其他季節水量約占全年徑流量的36.4%。洪水類型主要有融雪型、暴雨型和暴雨融雪混合型。

克孜爾水庫多年平均含沙量4.46 kg/m3，多年平均懸移質輸沙總量1 318.42×104t，最大年輸沙量為7 200×104t（2002 年），入庫水量、沙量在年內的分配主要集中在汛期6—9 月，汛期水量占年水量的58.3%，汛期懸移質輸沙量占年總沙量的90.0%，輸沙量和含沙量的年內分配極不均衡，相比之下，沙量比水量更集中于汛期，且主要集中于7—8月。干流木扎提河與支流克孜爾河兩者的洪峰與沙峰過程歷時較短，一般為2～3 d。根據入庫水文站實測資料分析，克孜爾水庫近年來入庫沙量有所增加，且入庫沙量除集中在汛期之外，更集中于幾次沙峰過程，這是由渭干河的產流和產沙特性決定的。孜爾水庫多年平均入庫水、沙年內分配見表1。

表1 克孜爾水庫多年平均入庫水、沙年內分配Table 1 Distribution of average annual incoming water and sediment to Kizil reservoir

圖1 是2010—2018 年6—8 月汛期期間累計的入庫沙量過程線。從圖1可以看出：7—8兩個月的入庫沙量最大，相比而言，7 月份的入庫沙量略大于8月份。

圖1 2010—2018年汛期累計進庫懸移質泥沙量分布Fig. 1 Accumulated incoming suspended sediments in flood season from 2010 to 2018

3 水庫泥沙淤積情況

克孜爾水庫1991年8月下閘蓄水并投入使用，水庫運行26 年來，泥沙淤積問題十分嚴重。初步設計階段克孜爾水庫總庫容6.4億m3，設計運行20年的泥沙淤積總量為1.26 億m3，庫容損失率為19.1%，其中死庫容淤積0.448 億m3，有效庫容淤積0.817 億m3。2017 年實測水庫淤積3.2 億m3，其中死庫容淤積1.286 億m3，占死庫容1.32 億m3的98.92%；興利庫容淤積1.91億m3，占興利庫容4.75億m3的40.2%；防洪庫容淤積979 萬m3，占防洪庫容2.635 7 億m3的3.71%。初設階段正常蓄水位1 149.6 m 對應的庫容是6.07 億m3，而2017年僅為2.86 億m3，淤積量達3.212 億m3，庫容損失率為52.72%，詳見表2。

表2 克孜爾水庫特征水位下的泥沙淤積情況Table 2 Sedimentation under characteristic water levels

4 空庫沖沙效果分析

以阿克蘇地區水文水資源局提供的泥沙監測資料為計算依據，根據托克遜和黑孜兩座水文站觀測資料計算進庫泥沙總量，以距離水庫大壩下游500 m的黑孜水庫站為準計算出庫泥沙總量。

4.1 2017年4月空庫排沙實況

2017 年4 月9 日，庫水位為1 135.22 m，比死水位高0.22 m。4 月10 日開始閘門全開，水庫初次進行空庫沖沙，一直持續到4月22日，空庫運行14 d，出庫流量維持在40 m3/s 左右。水文監測資料表明：水庫敞泄期間上游進庫沙量2.19 萬t，出庫沙量248.78 萬t，水庫實際清淤246.59 萬t，空庫排沙量占全年排沙量360.91 萬t 的68.93%。排沙比約400.00，最高可達1 384.71。

整個沖沙期，日均出庫輸沙率大多大于1 000 kg/s，最大輸沙率近6 000 kg/s，輸沙率變化過程見圖2。

圖2 2017年空庫沖沙期進出庫輸沙率變化過程Fig. 2 Sediment transport rate during reservoir empty-release flushing in 2017

4.2 2018年4月空庫排沙實況

2018 年的空庫運行時間從4 月5 日開始，一直持續到4月25日，出庫流量在30 m3/s左右。監測資料表明：空庫沖沙時間21 d，進庫泥沙總量0.36萬t，出庫泥沙總量91.59 萬t，水庫清淤約91.23 萬t，空庫排沙總量占全年總排沙量173.08 萬t 的52.92%。與2017 年相比，沖沙時間長7 d 而排沙總量減少155.36萬t，排沙比大多低于300.00，最高達434.91，日均出庫輸沙率大多小于1 000 kg/s，最大僅1 470 kg/s，輸沙率變化過程見圖3。

圖3 2018年空庫沖沙期進出庫輸沙率變化過程線Fig. 3 Sediment transport rate during reservoir empty-release flushing in 2018

4.3 排沙比影響因素分析

4.3.1 排沙比與庫水位的關系

從圖4 可以看出：庫水位越低，排沙比越大。2017—2018 年，兩個空庫運行期的庫水位大多低于1 130 m，排沙比大多大于350.00，其他時段庫水位均高于1 140 m，排沙比低于0.10，甚至接近0。

圖4 克孜爾水庫庫水位與排沙比變化過程線Fig. 4 Graghs of reservoir water level and sediment discharge ratio

4.3.2 排沙比與沖沙流量的關系

從圖5 可以看出：低水位運行期間，沖沙流量越大，排沙比越大。2017年空庫沖沙期間的排沙比遠遠大于2018 年，主要原因是2017 年4 月的沖沙流量約40 m3/s，而2018 年4 月的沖沙流量則在30 m3/s左右。

圖5 克孜爾水庫出庫沖沙流量與排沙比變化過程線Fig.5 Graphs of flushing outflow and sediment discharge ratio

5 存在的問題

5.1 空庫沖沙時段的局限性

由于灌區灌溉需求，每年4 月25 日—5 月10日，水庫需要關閘蓄水，4月空庫沖沙時間在20 d左右，因歷時太短，輸沙量有限。

5.2 空庫沖沙流量的局限性

根據水庫入庫徑流年內分布特征，4月為一年中進庫水量最小的月份。水庫放空后，實際運行時采取進出庫流量相等的敞泄方式運行，但4月份進庫流量太小，無法達到啟動流速，導致輸沙效果不明顯。

6 汛期空庫沖沙運行的可行性分析

根據入庫水、沙特性年內分布情況，結合4 月份空庫沖沙面臨的實際問題，建議將空庫沖沙時段放在汛期進行，可行性分析如下。

6.1 空庫沖沙對農業灌溉的影響

根據渭干河灌區農業灌溉需水量與河道多年平均天然來水量統計分析，6月上旬多余水量6 454萬m3，6月中旬至7月上旬缺水5 866萬m3，7月中旬多余水量976 萬m3，7 月下旬缺水1 443 萬m3，見表3。克孜爾水庫下游有躍進、五一兩座平原型水庫，總庫容9 000萬m3左右，每年1—2月份參與灌區的反調節蓄水，其他時間均空庫運行，且設計上只承擔灌溉任務，沒有防洪要求。為保證灌區用水需求，可將6 月上旬和7 月中旬的水量蓄在下游兩個水庫，在克孜爾水庫空庫運行期間參與灌區的水量補給。因此，克孜爾水庫汛期空庫沖沙不影響灌區農業灌溉用水需求。

表3 渭干河灌區農業灌溉需水量與河道多年平均天然來水量統計Table 3 Water demand for agricultural irrigation and average annual natural water inflow of Weigan river

6.2 空庫沖沙對灌區防洪安全的影響

除險加固初步設計防洪高水位1 151.89 m，汛限水位1 145.75 m，設計防洪庫容2.64 億m3。汛期采取空庫運行，只有在入庫洪峰流量大于下游安全泄量750 m3/s時，水庫才參與攔洪，此時防洪高水位1 151.89 m 以下的庫容均可參與攔洪，防洪庫容與設計相比將增加1億m3左右（按2017年的庫容曲線計算），極大地增加了水庫的調洪能力，可確保下游的防洪安全。

6.3 汛期入庫水、沙特性對排沙效果的影響

由于汛期進庫泥沙占全年的90%，若采取汛期空庫沖沙，不但可以將汛期的泥沙全部排出水庫，并且汛期河道天然來水多年平均流量在100～180 m3/s，遠遠大于4 月份的進庫流量30～40 m3/s，空庫沖沙時間也大大延長，因此還可以沖刷前幾年淤積的部分泥沙，逐步達到水庫清淤和庫容恢復的目的。

綜上所述，克孜爾水庫具備汛期空庫排沙的條件。

7 結語

克孜爾水庫空庫沖沙效果明顯，排沙比大多在100.00 以上，若能改善水庫的運行模式，將克孜爾水庫與下游躍進、五一兩座平原型水庫聯合調度，使克孜爾水庫在汛期空庫沖沙，則排沙效果將更加顯著。■