沙爾托海水庫壩址處泥沙淤積分析

葉爾登

(新疆博爾塔拉水文勘測局，新疆 博爾塔拉蒙古自治州 833400)

1 工程概況

大河沿子河發源于新疆博羅科努山西段、科古琴山北面兩山交匯處，沿途兩岸匯集眾多小溪，呈典型樹枝狀水系，出山口后系南北流向，過沙爾托海水文站至大河沿子鎮匯入博爾塔拉河，最終流入艾比湖[1]。沙爾托海水庫位于沙爾托海水文站上游600 m，2013年10月1日正式下閘蓄水，2019年通過竣工驗收，主要以灌溉為主，兼顧防洪。2021年，規劃加高水庫大壩，工程任務以灌溉、防洪為主，遠期兼顧發電。

2 泥沙特性分析

大河沿子河上游發育有34條冰川，冰川面積4.17 km2。海拔2500 m以上，分布有終年積雪和冰川；海拔800～2500 m之間，山高林密，水土保持條件較好，含沙量相對較小[2]。在低山區部分范圍內，兩岸植被稀疏，山體裸露，風化和風磧作用強烈，一旦進入汛期暴雨將兩岸松散風積物帶入河道，尤其遇大暴雨洪水時，河道泥沙有所增加，因而冰雪融化和暴雨洪水是大河沿子河泥沙產生的主要原因。

3 推懸比和排沙比分析

對于改擴建水庫工程，計算水庫淤積，首先需使用實測資料計算入庫泥沙的推懸比和排沙比。由于沙爾托海水庫建成運行期間一直沒有監測水庫的入庫泥沙和出庫泥沙，故本次水庫泥沙淤積計算，仍需借用推懸比和排沙比經驗值。根據新疆其他5座中型水庫推懸比和排沙比資料，分析對比兩個參數借用的合理性(見表1)。

表1 水庫推懸比和排沙比分析成果

通過5個水庫特點和所在流域的水沙特性及采用的推懸比和排沙比分析，并結合沙爾托海水庫自身特點和所在河流大河沿子河的水沙特性，確定本次推懸比取15%，水庫運行10 a內，平均排沙比取38%，水庫運行11～20 a內，排沙比取47%，水庫運行21～30 a內，排沙比取 50%，水庫運行31～40 a內，排沙比取51%，水庫運行41～50 a內，排沙比取53%。

4 水庫泥沙淤積計算

由于沙爾托海水庫建設前后無任何泥沙實測資料，現采用多種方法進行泥沙淤積分析計算。

4.1 實測庫容差值法

沙爾托海水庫2013年10月1日正式下閘蓄水，正常蓄水位604.14 m。2010年9月進行過沙爾托海水庫庫區原始地形圖測量，2017年4月、2021年5月又進行了沙爾托海水庫庫區地形圖測量，包含水下地形，制作了水位-庫容對照表(見表2)、不同高程區間淤積分析圖(見圖1)[3]。

圖1 2010—2021年區間淤積分析

表2 沙爾托海水庫水位～庫容關系對照情況

由表2可知，2010年至2021年水庫泥沙淤積量增大，庫容減小。其中，2010年至2017年間水庫泥沙淤積量增大，庫容減小；2017年至2021年間水庫整體呈現泥沙沖刷現象，庫容增大。

由圖1可知，沙爾托海水庫建成運行到現狀年，庫區泥沙淤積量最大的區域是在570～572 m高程區間，淤積量為3.98×104m3；淤積量最小的是在598～600 m高程區間，淤積量為0.18×104m3。

4.1.1 泥沙縱向、橫向淤積形態分析

(1)泥沙縱向淤積形態分析。繪制沙爾托海水庫一期工程建成后2017年和2021年水庫沿程庫底高程線(見圖2)。

圖2 水庫泥沙沖淤縱向變化形態

從圖2中可以看出，在沙爾托海水庫一期工程運行期2017—2021年間：距大壩0～477 m、968～1174 m縱形態呈現水庫泥沙沖刷；距大壩1402～1649 m縱形態呈現水庫泥沙淤積；其他地方縱形態水庫泥沙沖淤基本平衡，縱形態水庫泥沙總體呈現沖刷現象。

(2)泥沙橫向淤積形態分析。分別在2017年和2021年庫區地形圖中選取代表水庫上、中、下游三個同一位置的斷面，分別繪三個斷面2017年和2021年的大斷面套繪圖，發現在水庫一期工程運用的2017—2021年間：上游斷面泥沙淤積變化呈現左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷狀；中游斷面泥沙淤積變化為左、右岸均呈現泥沙沖刷狀；下游斷面泥沙淤積變化為左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷，總體來看呈現微弱泥沙沖刷狀態。

4.1.2 泥沙淤積量計算

(1)水庫淤積計算。沙爾托海水庫工程建成蓄水后到現狀年(2020年)期間的水庫泥沙淤積總量，可以通過對比沙爾托海水庫工程蓄水前水庫水位-庫容曲線(2010年實測)和現狀年庫區實測地形率定的水庫水位-庫容曲線得到。通過對來水來沙規律分析可知，10月—次年5月枯期來水來沙少，故2013年10—12月、2021年1—5月不加入計算，由此計算得到沙爾托海水庫建成蓄水到現狀年(2014—2021年)泥沙淤積總量為42.6×104m3。

本次計算推懸比采用0.15，推移質干容重取1.70 t/m3，懸移質干容重取1.36 t/m3。則推移質和懸移質的體積比為0.12，2014—2020年沙爾托海水庫推移質淤積容積為4.56萬m3，推移質淤積量為7.76萬t，推移質年平均淤積量為1.11萬t/a。2014—2020年沙爾托海水庫懸移質淤積容積為38.0萬m3，懸移質淤積量為51.7萬t，懸移質年平均淤積量為7.39萬t/a。

(2)出庫泥沙計算。經過調查，沙爾托海水庫蓄水在11月和12月，其他月份基本不蓄水。大河沿子河洪水主要集中在6月、7月、8月，這3個月的來水含沙較多，泥沙量約占全年的90%以上。為了在洪水期排沙，沙爾托海水庫這三個月不蓄水，處于放空排沙工況。沙爾托海水庫運行10 a內排沙比為38%，即推移質年平均出庫量為0.679萬t/a，懸移質年平均出庫量為4.53萬t/a。

沙爾托海水庫壩址斷面徑流量為1.256×108m3，多年平均含沙量為1.09 kg/m3，推移質多年平均為0.142 kg/m3，懸移質多年平均為0.949 kg/m3。

4.2 輸沙模數法

4.2.1 入庫泥沙計算

參證站精河溫泉水文站懸移質輸沙模數為82.3 t/km2，精河山口水文站懸移質輸沙模數為261 t/km2，從工程安全角度，本次選用精河山口水文站輸沙模數261 t/km2作為沙爾托海水庫泥沙計算使用參數[4]。

沙爾托海水文站多年平均年徑流量1.256×108m3，利用輸沙模數261 t/km2和沙爾托海水庫壩址以上集水面積1697 km2，計算得到該水庫壩址斷面多年平均懸移質輸沙量為44.3萬t/a，懸移質多年平均為3.53 kg/m3。推懸比為15%，計算得到多年平均推移質輸沙量為6.65萬t/a，推移質多年平均為0.529 kg/m3。

4.2.2 出庫泥沙計算

沙爾托海水庫運行10 a排沙比為38%，則多年平均懸移質出庫量為16.8萬t/a，多年平均推移質出庫量為2.53萬t/a。

4.2.3 水庫淤積計算

沙爾托海壩址斷面多年平均懸移質輸沙量44.3萬t/a減去多年平均懸移質出庫量16.8萬t/a，得到多年平均懸移質淤積量27.5萬t/a；多年平均推移質輸沙量6.65萬t/a減去多年平均推移質出庫量2.53萬t/a，得到多年平均推移質淤積量4.12萬t/a。

4.3 平均徑流含沙量法

4.3.1 入庫泥沙計算

從工程安全角度，本次以臨近的精河山口水文站實測資料為參證[5]。用沙爾托海水文站多年平均年徑流量1.256×108m3乘以精河山口水文站懸移質多年平均值0.803 kg/m3，即為沙爾托海水文站懸移質多年平均輸入量10.1萬t。推懸比為15%，計算得到多年平均推移質輸沙量為1.52萬t/a，推移質多年平均為0.121 kg/m3。

4.3.2 出庫泥沙計算

沙爾托海水庫運行10 a內排沙比取38%，則多年平均懸移質出庫量為3.840萬t/a，多年平均推移質出庫量為0.578萬t/a。

4.3.3 水庫淤積計算

沙爾托海壩址斷面多年平均懸移質輸沙量10.10萬t減去多年平均懸移質出庫量3.84萬t/a，得到多年平均懸移質淤積量為6.26萬t；用沙爾托海壩址斷面多年平均推移質輸沙量1.520萬t/a減去推移質出庫量0.578萬t/a，計算得到多年平均推移質淤積量0.939萬t/a。

4.4 借用單位徑流深輸沙模數法

4.4.1 入庫泥沙計算

根據精河山口水文站多年平均懸移質輸沙量37.1萬t，流域面積1419 km2，年徑流量4.627×108m3，輸沙模數261 t/km2，得出精河山口水文站流域徑流深為326.07 mm，徑流深每毫米輸沙模數為0.80 t/km2。

用徑流深輸沙模數法推算沙爾托海水庫壩址斷面泥沙，根據壩址斷面以上流域面積1697 km2，多年平均年徑流量1.256×108m3，得出沙爾托海徑流深為74.01 mm，壩址斷面多年平均懸移質輸沙量10.1萬t，多年平均含沙量0.801 kg/m3。推懸比為15%，計算得到多年平均推移質輸沙量為1.52萬t/a，推移質多年平均為0.121 kg/m3。

4.4.2 出庫泥沙計算

沙爾托海水庫運行10 a內排沙比取38%，因此沙爾托海水庫多年平均懸移質出庫量為3.840萬t/a，多年平均推移質出庫量為0.578萬t/a。

4.4.3 水庫淤積計算

沙爾托海壩址斷面處多年平均懸移質輸沙量10.1萬t減去多年平均懸移質出庫量3.84萬t/a，得到多年平均懸移質淤積量6.26萬t；根據沙爾托海壩址斷面多年平均推移質輸沙量為1.520萬t/a和多年平均推移質出庫量為0.578萬t/a，計算得到多年平均推移質淤積量為0.939萬t/a。

4.5 成果選取

本次水庫泥沙計算采用了四種方法，如表3所示。其中借用輸沙模數法計算的水庫泥沙結果與其他方法計算的相差較大[6]。

表3 沙爾托海水庫壩址斷面泥沙計算不同方法成果對比

借用輸沙模數法計算水庫泥沙結果誤差較大的原因是沙爾托海水文站以上集水面積為1697 km2，多年平均年徑流量為1.256×108m3/a，多年平均徑流深為74.0 mm；而參證站精河山口水文站以上集水面積為1419 km2，多年平均年徑流量為4.761×108m3/a，多年平均徑流深為335.5 mm。二者植被條件、下墊面泥沙顆粒級配、流域坡度、降水強度、降水量等影響泥沙模數的因素差異較大。從而導致兩個流域輸沙模數大小會相差較遠。因此輸沙模數法推算大河沿子河沙爾托海水庫壩址斷面入庫泥沙誤差較大，不予采用。

另外三種方法計算的沙爾托海水庫壩址斷面入庫泥沙結果相對較為合理。為工程安全考慮，沙爾托海水庫壩址斷面入庫泥沙計算推薦采用實測庫容差值法計算的成果，沙爾托海水庫壩址斷面懸移質年入庫量為11.9萬t，懸移質多年平均為0.949 kg/m3。

5 結 語

由于缺乏實測監測資料，使得沙爾托海水庫大壩加高擴容時，水庫泥沙淤積情況計算困難。通過分析探討，沙爾托海水庫所在的大河沿子河沙爾托海水文站以上集水區多年平均降水量與精河山口水文站以上集水區多年平均降水量相差較大，進而影響入庫泥沙結果；而根據實測資料計算壩址斷面泥沙相對更為合理、更為精確。所以，沙爾托海水庫壩址斷面泥沙計算推薦實測庫容差值法計算的成果，即壩址斷面懸移質年入庫量為11.9萬t，懸移質多年平均為0.949 kg/m3。