乌鲁瓦提水利枢纽工程泥沙调度方案研究

黄 涛

(新疆维吾尔自治区乌鲁瓦提水利枢纽管理局，新疆 和田 848000)

1 工程概况

乌鲁瓦提水库属于一座集防洪发电、生态保护、农业灌溉等功能于一体的大(2)型工程，枢纽以上控制面积19983km2，控制全河径流量97%。水利枢纽包括升压变电站、开关楼、水电站厂房、发电引水洞、泄洪排沙洞、冲沙洞、大坝、溢洪道等建筑结构，总库容3.336亿m3，设计和校核洪水位为1962.65、1963.29m，正常蓄水位1962.00m，装机容量60MW，年发电量1.97亿kW·h。工程投入运行后改善和扩大灌溉面积7.58hm2，通过水库调节每年平均向塔里木河供水10.57亿m3。乌鲁瓦提水利工程有利于减轻洪水灾害和维护和田河下游绿色廊道生态环境，显著提升下游河道的防洪能力和农业经济发展水平[1-3]。

喀拉喀什河发源于山势陡峭险峻的昆仑山区，为外力强烈冲击和构造隆起的中高山地带，工程地质以砾岩、粉砂岩、石膏岩、砂页岩、砂砾岩、碳系灰岩、粉砂岩及砂砾为主。该流域气候干燥属于内陆干旱区，一面濒临沙漠、三面高山环抱，地表干燥剥蚀和物理风化强烈，而高山河道冻冰剥蚀风化、冰碛物丰富且地势陡峭，加之森林缺少和植被稀缺，因此地表和河道沙源丰富，高山段河流洪水期水量集中且流速较大，水流具有较强的携沙能力，同时中低山地带的暴雨和融雪也将大量泥沙冲入河道，以上各因素作用使得河流含沙量大[5-8]。

根据以上河流特性分析，为保持有效库容采用蓄洪运用的方式，在满足兴利防洪的条件下尽可能的利用弃水排沙。结合河流实际情况和工程经验设计的4种运行方案如下：①蓄洪方案：该方案的死水位为1924.00，讯限水位和正常蓄水位为1962.00m；②蓄洪排沙方案：其死水位为1924.00，讯限水位和正常蓄水位为1962.00m，采用降低水位迎流排沙作为20a一遇洪水以下的运用方式；③分阶段蓄洪：运行年限为1-10a、11-30a、31-50a的正常蓄水位为1957.40m、1932.00m、1962.20m；④蓄清排浑方案：运行年限1-10a、11-30a、31-50a的正常蓄水位为1957.40m、1932.00m、1962.20m，坝前水位在汛期7月上旬降低至1910.00m运行。

2 来水来沙分析

水库上游63km处存在托满水文站，该站数据资料的代表性、一致性和可靠性较好，选取2003-2017年实测泥沙资料为设计依据，采用实测水文资料序列补差延长部分年份缺测泥沙数据。

2.1 流域水沙分析

喀拉喀什河年内径流分布不均匀且年际径流变化较大，依据实测数据资料径流量最大的年份为多年平均和径流量最小年份的1.82、2.56倍，汛期径流量占全年平均约47.20%。输沙量年内分配不均且年际存在较大变化，多年平均悬移质为562×105t，年输沙量实测最大和最小值比达到15.2，汛期集中了大部分泥沙，年均输沙量的62.7%发生于汛期。

2.2 水库水沙分析

采用集水面积比和托满水文站天然年径流量数据推求水库径流量，乌鲁瓦提水库天然年均径流量12.26×109m3，库区支流径流量1.38×109m3。采用面积比法和托满站实测输沙量数据推求水库入库输沙量，推移质和悬移质入库输沙量多年平均值为21.82、570×105t，库区支流悬移质多年平均入库量68×105t。

3 泥沙冲淤数值模型

3.1 数值模型

以内陆干旱区水库水沙为研究对象，当前关于该方面的研究较多并取得了一些成果。例如，韩其为等[9]通过深入研究不平衡非均匀输沙理论，基于恢复饱和系数创建了一维数值模型；关见朝等[10]提出了泥沙数学模型关键参数及悬移质输沙非均匀概化模型；童思陈等[11]深入分析了泥沙淤积与水库运用方式之间的关系，结合相关研究模型提出了合理化建议；朱春耀[12]、李舍梅[13]等将汾河水库、白石水库的泥沙冲淤过程利用一维不平衡全沙模型进行了研究。

多种调度模式下的泥沙淤积分布及有效库容损失为本研究的主要内容，根据喀拉喀什河为山区性河流的实际情况，需对库区长时期长河段的河床冲淤变形进行模拟分析，因此属于推移质和悬移质泥沙淤积综合问题。结合上述分析结果，拟选取不平衡全沙模型进行模拟研究，其数学方程为：

水流连续和运动方程为如下：

(1)

(2)

悬移质泥沙连续方程、水流分组挟沙力、悬移质和推移质河床变形方程分别如下：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：A、Asi为过水断面面积和悬移质泥沙分组冲淤面积，m2；U、ωi为过水断面平均流速和粒径组沉速，m/s；Q为河道流量，m3/s；B、Z、R为河宽、水位和水力半径；S*i、Si为非均匀沙分组挟沙力及其分组含量，kg/s、kg/m3；n、m、K、α为糙率、水流挟沙力指数、水流挟沙力系数和恢复饱和系数；Gbi、Pbi为分组推移质输沙率和泥沙级配，kg/s；Z0si为推移质泥沙淤积引起的河床变形厚度，m；γ为泥沙干密度，t/m3；

运用非耦合法求解以上模型，其基本流程为：先对水力条件进行求解，然后确定河床冲淤变化和泥沙运动情况。根据有限差分法计算上述方程组，通过单元格划分将连续解区间域转化为若干节点，基本方程用泰勒级数展开，然后采用差商替代离散控制方程中的微商，对该复杂问题利用方程组求解，具有解的收敛性、稳定性、相容性较完善且数学概念直观等明显优势。

3.2 参数的处理

根据韩其为等[14]构造的曲线差值公式求解水库淤积过渡期糙率，针对不同的情况设定相应的恢复饱和系数，在河床显著淤积、显著冲刷和冲淤交替情况下的a值为0.25、1.00、0.50。采用普遍应用的悬浮指标作为冲泄质与床沙质的划分标准，即河沙质的悬浮指标值≥0.06，冲泄质的该指标值<0.06。按照等厚冲刷或等厚淤积的方式控制稳定河床，从而修正断面和冲淤模式。

3.3 计算条件

1)断面布设：根据河流走势和水库运行情况共布设48个监测断面，其中主河道32个(C1-C32)，托尔干支流有10个(ZC39-48)，各断面距离坝址距离，见表1。

2)数据系列：主河道和支流断面最早测量时间为2004年，因淤积严重C31、C32断面无法测量，位于浅水区的C48号断面因测船无法驶入于2017年不具备测量条件。水库泥沙冲淤数据来源于2004-2016年共12a序列测量资料，该序列基本涵盖了平水平沙、丰水丰沙、枯水枯沙等年份，水沙入库点有托儿干支流ZC39和托满河C1两个断面。

3)坝前控制水位和计算时段的划分：选取1d作为冲淤计算时段，采用径流调节获取的长序列坝前平均运行水位作为每一计算时段的坝前控制水位。

表1 监测断面距坝址距离

4)颗粒级配：通过对不同粒径泥沙在浑水中颗粒间相互作用和自身运动特性的分析，根据均匀沙平均输沙的挟沙能力计算结果解释非均匀悬移质输沙机理。采用悬移质泥沙2010-2013年实测成果平均值作为悬移质颗粒级配，选取干流及坝址河段的粒径分析和河床质取样监测成果作为床沙颗粒级配。

5)河段糙率：天然河道糙率采用水力学计算手册率定，根据下游水文站实测糙率值、库区植被及河床组成情况，经适当调整和比较后获取最终的糙率值，综合糙率取值区间为0.020-0.024。

4 结果分析

对蓄清排浑、分阶段蓄洪、蓄洪排沙和蓄洪运用方案利用以上数值模型进行研究，分别模拟100a、50a、30a、20a和10a5种不同运行年限下的库容、水位、排沙比、淤积量、淤积纵/横断面等。

4.1 蓄洪运用方案

1)水库淤积量及分布。根据计算结果可知，该方案的全库淤积量表现出累积性增长趋势且泥沙淤积严重，托儿干支流汇口附近库段为水库淤积量主要集中段，以50a运行年限为例，托儿干支流、汇河口以下和托满河库段的淤积量占比依次为6.2%、40.6%、53.2%，总淤积量的50.8%位于坝址上游2.0-8.5km库段。

2)淤后库容。有效库容淤积损失比例在不同运行年限下分别为83.2%、54.6%、39.5%、32.6%、18.5%，具体如图1。

图1 方案一水库淤积容积变化特征

3)水库排沙比。滞洪运用方案下水库的排沙比较小，水库排沙比随着运行年限的增加呈现出不断增大的变化趋势。蓄洪方案排沙比数据，见表2。

表2 蓄洪方案排沙比数据

4.2 蓄洪排沙运用方案

1)水库淤积量及分布。较蓄洪运用方案的水库淤积量，该方案存在一定的减少趋势，且降低幅度有限，其原因为坝前水位降低幅度在排沙期间较小。

2)淤后库容。有效库容淤积损失比例在不同运行年限下分别为81.0%、51.8%、39.2%、33.1%、19.6%，方案2水库淤积容积变化特征，见图2。

图2 方案2水库淤积容积变化特征

3)水库排沙比。洪水来临之前，虽然该方案采用降低库水位的方式排沙，但坝前水位减少程度较小，排沙比整体处于较低水平。蓄洪排沙方案排沙比数据，见表3。

表3 蓄洪排沙方案排沙比数据

4.3 分阶段蓄洪运用方案

1)水库淤积量及分布。较蓄洪运用方案的泥沙淤积量，该方案有所降低，且随着水库运行水位分阶段抬高其淤积量减小幅度呈降低趋势，具体为：水库运行至10a、50a和100a的减小幅度依次为33.5%、19.2%和14.1%，以100a运行年限为例，托儿干支流、汇河口以下和托满河库段的淤积量占比依次为7.4%、37.2%、55.4%。

2)淤后库容。有效库容淤积损失比例在不同运行年限下分别为79.3%、44.7%、25.1%、17.5%、6.0%。方案3水库淤积容积变化特征，见图3。

图3 方案3水库淤积容积变化特征

3)水库排沙比。坝前水位在运行初期处于较低水平，较蓄洪运用方案前10a的坝前平均水位底10m左右，在洪水期水流作用下有利于泥沙输移至坝前并排除库外，较蓄洪运行方案其排沙比大大增加。水库运行10a排沙比较蓄洪方案增加3.6倍，达到41.7%，水库排沙比变化随着分阶段库水位的抬升和运行年限的增大逐渐变为平缓。分阶段蓄洪方案排沙比数据，见表4。

表4 分阶段蓄洪方案排沙比数据

4.4 蓄清排浑运用方案

分阶段蓄洪运用方案与该方案大致相同，选取蓄清排浑作为前10a运行方案，具体分析如下：

1)水库淤积量及分布。较分阶段蓄洪运用方案其泥沙淤积量有所降低，但减少程度不明显，减小幅度在10a运行初期为7.1%，分阶段蓄洪方式与11a后的运行方式相同，淤积量整体未呈现出明显的变化。

2)淤后库容。有效库容淤积损失比例在不同运行年限下分别为77.5%、43.1%、22.0%、14.5%、3.2%。方案4水库淤积容积变化特征，见图4。

图4 方案4水库淤积容积变化特征

3)水库排沙比。较分阶段蓄洪运用方案其前10a平均排沙比呈一定的增大趋势，增大幅度为4.2%。分阶段蓄洪方式与11a后的排沙比运行方式相同，不同运行年限的平均排沙比因前10a排沙比增大的原因，较分阶段蓄洪相应阶段有所增大。蓄清排浑方案排沙比数据，见表5。

表5 蓄清排浑方案排沙比数据

4.5 运用方案比较

根据数值模结果，统计整理每1个方案的有效库容变化情况，水库有效库容统计表，见表5。根据表6可知：①蓄洪方案：运行过程中坝前水位始终处于位于高值，因此该方案的泥沙淤积和有效库容损失均处于较高状况，有效库容在运行至100a时仅有0.305×109m3，减少率达到80%以上；②蓄洪排沙方案：尽管该方案设置了减少库水位的措施，其坝前水位减少较低，因此其排沙效果并不显著，以100a运行年限为例，较蓄洪方案其有效库容近增加了0.031×109m3;③分阶段蓄洪方案：为了能够将泥沙输送至死水位以下采取前30a降低水位的措施，由此大大提升了有效库容，较蓄洪运用方案有效库容运行至50a、100a时增大了0.166、0.065×109m3，增幅超过了20%;④蓄清排浑方案：以蓄清排洪作为前10a运行方式，其初期运行泥沙淤积量有所改善，10、20、30、50、100a运行年限的有效库容增加量为0.020-0.041×109m3，增幅处于3.0%-6.1%。

综上分析，在保持有效库容和增大水库服役年限方面，相对于其它方案蓄清排浑或分阶段蓄用存在明显的优势。

表6 水库有效库容统计表

5 结 论

根据河流水文情势和来水来杀特性，对不同运行调度方式的泥沙量利用一维不饱和全沙数学模型进行模拟。结果显示：在保持有效库容和增大水库服役年限方面，相对于其它方案蓄清排浑或分阶段蓄用存在明显的优势。由于泥沙淤积在托儿干支流汇合口附近较为严重，很容易产生拦门沙坎，为进一步分析水库泥沙淤积问题建议开展物理模型试验。