沙爾托海水利工程泥沙淤積分析

孟祥凱

(塔城水利設計研究院有限公司烏魯木齊分公司，新疆 烏魯木齊 830022)

1 概 況

工程位于大河沿子河流域，大河沿子河上游草木茂盛，水土保持條件較好，含沙量相對較小。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，冰雪融化和暴雨洪水是大河沿子河泥沙產生的主要原因[1-3]。

結合新疆沙爾托海水利樞紐二期工程實際情況，采用實測庫容法對水庫泥沙進行預測分析。

2 參證站泥沙分析

大河沿子河無實測泥沙資料，選用鄰近流域自西向東的溫泉水文站、精河山口水文站作為參證站。

溫泉水文站作為博爾塔拉河上的主要控制站，本次收集了該站1983—1989年、1992—2020年共36年實測輸沙率及輸沙量資料。該站多年平均懸移質輸沙量18.00萬t，流域面積2188 km2，年徑流量3.183億m3，輸沙模數82.3t/km2，懸移質含沙量0.564 kg/m3。最大年輸沙量為46.30萬t(2002年)，最小年輸沙量為1.06萬t(2009年)，最大年輸沙量為最小年輸沙量的44倍。

精河山口水文站作為精河上的主要控制站，本次收集了該站1958年、1967—1971年、1976—1979年、1981—1997年共27年實測輸沙率及輸沙量資料。該站多年平均懸移質輸沙量37.10萬t，流域面積1419 km2，年徑流量4.627億m3，輸沙模數261.0 t/km2，懸移質含沙量0.803 kg/m3。最大年輸沙量為108.00萬t(1967年)，最小年輸沙量為8.41萬t(1985年)，最大年輸沙量為最小年輸沙量的13倍。

3 推懸比和排沙比分析

對于改擴建水庫工程，在水庫淤積計算，首先使用實測資料計算入庫泥沙的推懸比和排沙比。沙爾托海水庫一期工程建成運行期間沒有監測水庫的入庫泥沙和出庫泥沙，故在本次水庫泥沙淤積計算中仍借用推懸比和排沙比經驗值。收集新疆維吾爾自治區其他水庫推懸比和排沙比資料，并分析對比兩個參數借用的合理性見表1、表2。

表1 水庫分析成果

表2 推懸比和排沙比分析成果 %

通過對5個水庫工程的自身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

沙爾托海水庫于2011年開工建設，2013年10月1日正式下閘蓄水，正常蓄水位604.14 m。新疆水電設計院于2010年9月完成沙爾托海水庫庫區原始地形圖測量，塔城地區水利水電勘察設計院分別于2017年4月、2021年5月完成沙爾托海水庫庫區地形圖測量包含水下地形，制作了水位～庫容曲線見圖1、2010—2021年不同高程區間淤積分析圖，見圖2。

圖1 沙爾托海水庫水位～庫容關系曲線

圖2 2010—2021年區間淤積計算成果

由圖1可知，2010—2021年水庫泥沙淤積量增大，庫容減小。其中，2010—2017年間水庫泥沙淤積量增大，庫容減小；2017—2021年間水庫整體呈現泥沙沖刷現象，庫容增大。由圖2可知，沙爾托海水庫2010年到2021年，庫區泥沙淤積量最大的區域是在570～572 m高程區間(圖2)，淤積量為3.98萬m3；淤積量最小的是在566～568 m高程區間，淤積量為0.18萬m3。

4.1 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，用來分析沙爾托海水庫庫區淤積縱向形態變化規律。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程現沖刷現象。

(2)泥沙橫向淤積形態分析。在水庫一期工程運行的2017—2021年間上游斷面泥沙淤積變化可知：高程在586～588 m之間，斷面左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷；高程在588～590 m之間，斷面左右岸泥沙均淤積；高程在590～592 m之間時，斷面左岸泥沙沖刷，右岸泥沙淤積；高程在592～596 m之間時，斷面左岸泥沙不沖刷不淤積，右岸泥沙沖刷；高程在596～598 m之間時，斷面左右岸泥沙均不沖刷不淤積；高程在598～602 m之間時，斷面左右岸泥沙均沖刷；高程在602～620 m之間時，斷面左右岸泥沙均不沖不淤。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。

在水庫一期工程運行的2017—2021年間，中游斷面泥沙淤積變化可知：高程在576～578 m之間時，斷面左右岸泥沙均沖刷；高程在578～584 m之間時，斷面左右岸泥沙均淤積；高程在584～588 m之間時，斷面左岸泥沙不沖不淤，右岸泥沙沖刷；高程在588～594 m之間時，斷面左右岸泥沙均沖刷；高程在594～596 m之間時，斷面左岸泥沙不沖不淤，右岸泥沙淤積；高程在596～600 m之間時，斷面左岸泥沙不沖不淤，右岸泥沙沖刷；高程在600～620 m之間時，斷面左右岸泥沙均不沖不淤。2017—2021年間，總體來看中游斷面泥沙淤積變化為左、右岸均呈現泥沙沖刷狀。

2017—2021年間，下游斷面泥沙淤積變化可知：高程在572～576 m之間時，斷面左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷；高程在576～578 m之間時，斷面泥沙不沖刷不淤積；高程在578～586 m之間時，斷面左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷；高程在586～590 m之間時，斷面左岸泥沙不淤積不沖刷，右岸泥沙淤積；高程在590～592 m之間時，斷面左岸泥沙不淤積不沖刷，右岸泥沙沖刷；高程在592～596 m，斷面左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷；高程在596～604 m之間時，斷面左岸泥沙不淤積不沖刷，右岸泥沙沖刷；高程在604～620 m之間時，斷面左右岸泥沙均不沖刷不淤積。2017—2021年間，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。

4.2 泥沙淤積量計算

(1)水庫淤積計算。沙爾托海水庫工程(一期)建成蓄水后到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(一期)蓄水前水庫水位～庫容曲線(2010年實測)和2020年庫區實測地形率定的水庫水位～庫容曲線得到。通過對參證站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2014—2021年泥沙淤積總量為42.6萬m3。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。

推懸比(β)為推移質和懸移質的質量比，需轉換為推移質和懸移質的體積比(β體積)，計算得出推移質和懸移質的體積比(β體積)為0.12，則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。本次收集到2014—2020年沙爾托海水庫工程(一期)壩前水位站人工觀測資料，以2014年、2020年為例繪制了水庫調度運行圖，見圖3、圖4。根據2014—2020年沙爾托海水庫工程(一期)水庫調度運行圖以及現場人員調查結果可知：每年根據上游來水情況以及下游灌溉的需要，沙爾托海水庫蓄水基本在11月和12月，其他月份基本不蓄水。為了在洪水期排沙，水庫降至死庫容的時間為6—8月，洪水主要集中在6月、7月、8月，即這3個月為洪水期，來水含沙較多，這3個月的泥沙量根據參證站多年平均輸沙年內分配計算幾乎占全年的90%以上，這3個月水庫不蓄水，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。

圖3 沙爾托海水庫工程(一期)2014年水庫調度運行

圖4 沙爾托海水庫工程(一期)2020年水庫調度運行

(3)入庫泥沙計算。根據計算，沙爾托海水庫泥沙年平均入庫量為13.70萬t/a，推移質年平均入庫量為1.78萬t/a，懸移質年平均入庫量為11.90萬t/a。

綜上，沙爾托海水庫壩址斷面徑流量為1.256億m3，多年平均含沙量為1.090 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。

5 結 論

通過與類似項目對比分析，確定在項目設計中推懸比取15%，水庫運行10～50 a內，平均排沙比取38%～53%。根據實測庫容分析，縱形態水庫泥沙總體呈現沖刷現象，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。沙爾托海水庫壩址斷面徑流量為1.256億m3，多年平均含沙量為1.090 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。