阿尔塔什水库泥沙淤积规律研究

郭荣福，梁幸福，朱浩天，袁 野

(1.新疆新华叶尔羌河流域水利水电开发有限公司，新疆 喀什 844000；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300350)

复杂多变的泥沙输移运动是导致水库淤积的主要原因[1]。泥沙淤积使水库库容减小，使用年限逐渐缩短[4]，阻碍水库发挥调节水的流功能[3]，影响水库兴利作用的发挥。我国是世界水库年淤损率最高的国家，远高于世界平均水平[2]，研究水库泥沙淤积是建设大型水库非常重要的课题。为保证水库的安全运行和水资源利用的可持续性，研究库区泥沙淤积规律和水库淤积形态，结合水库兴利任务制定合理的泥沙调度运行方式具有及其重要的意义[5]。

与普通狭窄河道相比，水库内水深较大，流速比较小，导致汇入水库的水流挟沙能力相对有所降低，使水库产生一定的泥沙淤积。为研究水库内泥沙复杂运动及其沉积，大量学者进行了研究。高学平等[6]提出了一种同时复演多种形式泥沙运动的全沙模型试验设计方法，通过该方法获得的试验成果可较好地反映泥沙运动规律。何录合等[7]利用泥沙淤积资料，对库容损失的程度进行了计算，预估了死库容淤废年限。周赤建等[8]以红山水库的泥沙资料为依据，对库区淤积特征进行了论述，提出了水库淤积趋势。朱小凯等[9]对比了库区来水输沙率与淤积测量情况，针对泥沙淤积形态，提出具体措施以减轻淤积。闫涛等[10]采用模型试验方法，研究了在不同因素影响下库区交汇河段的水动力特性与泥沙游积分布规律，提出了减少库区交汇河段游积的方法。许全喜等[11]对三峡水库某段主流河道的冲淤规律开展研究，结果显示实测成果与预测情况基本吻合。胡江等[12]依托三峡水库实测资料，得出三峡水库的主流河道库内淤积平面分布不连续的结论，并指出断面平均流速与水深之间的经验公式。牛形山水库淤积试验课题组[13]通过研究产沙、泥沙输移、淤积等，揭示泥沙淤积机理，指出水库淤积符合纵向带状淤积，横向沿湿周淤积的河道型水库特点和规律，并为水库治理延长水库寿命提出建议。

淤积形态是淤积分布情况的反映。湖泊型水库，如官厅水库淤积等[14]，库容较大，来沙粒径大，水库水位较高且相对平稳，呈现壅水高、回水长的特点，导致淤积发展为三角洲状貌。Vetter，C.P.[15]由实际资料对米德湖水库及其下游柯罗拉多河的淤积现象进行了较为详细的描述。韩其为[16- 17]以非均匀悬移质不平衡输沙理论论证了淤积三角洲的发展趋向性，解释了三角洲推进的定量方程及其形成的条件，并提出了理论根据和理论表达式。王婷等[18]分析了库内淤积状貌对水沙输移的影响，提出三角洲淤积在水库减淤排沙等方面优势明显。经过多年探索研究，泥沙运动理论、淤积形态等研究已经相对成熟，但对于大型水库，仍需采用模型试验等方法对泥沙淤积进行研究，以期得到较为适合的水库运行方式，同时最大程度上满足水库减於排沙的要求。

因此，本文针对泥沙问题较为严重的阿尔塔什水库，采用变态模型进行了泥沙物理模型设计，开展库内泥沙淤积演变的过程、淤积形态以及淤积量等试验研究。

1 研究背景

阿尔塔什水库是具有控制作用的水利枢纽，属多沙水库，其运行正常蓄水位为1820m，相应库容达21.29亿m3，正常蓄水位与死水位相差50m，死水位1770m，死库容为8.69亿m3，库区河床落差与其长度之比为4.04‰。水库的多年平均入库输沙量较大，悬移质和推移质输沙量以质量计分别为2993万t和385万t；以体积计分别为2302万m3和172万m3。按照规范要求，属于泥沙问题严重的水库[19]。因此，为探索库内泥沙淤积演变特征，探明其泥沙淤积规律，本文以物理模型试验的方法开展试验研究，并根据水库的特性结合其兴利等任务，提出水库合理运行方式。

阿尔塔什水库共有2个深孔排沙洞，1#布置于水库右岸，2#布置于水库左岸泄洪洞的右侧，如图1所示。阿尔塔什水库设定运行100年的目标，库水位在每年4月份由正常蓄水位逐渐下降，到达汛期的6—7月份时，维持排沙水位1770m恒定；待汛期过后，即8月份左右进行蓄水，库水位逐渐上升，直到正常蓄水位，并维持恒定水位直到第二年3月。

图1 水库枢纽布置图

2 模型设计与试验方法

2.1 模型设计

依照SL 99—2012《河工模型试验规程》[20]和泥沙试验模型设计的基本要求，本试验采用变态模型，保证水流运动相似与泥沙运动相似。

2.1.1模型比尺及模型沙选择

综合考虑试验内容及场地条件，计算对比模型比尺后，最终选择水平和垂向比尺分别为λL=500和λH=100，变率取e=5。

2.1.2悬移质泥沙设计

(1)沉降相似

根据窦国仁提出的悬移质输移方程[21]计算得到沉降相似比尺λω=2。沉降速度ωp通过原型沙级配推求。图2为悬移质原型沙与模型沙的粒径级配，其计算参考《河流泥沙颗粒分析规程》[22]中沉降速度计算公式。模型沙D50=0.0676mm。因此，粒径比尺：

图2 悬移质泥沙粒径级配

(2)挟沙能力相似

根据窦国仁悬移质挟沙能力公式[21]计算得到挟沙能力比尺:

(3)扬动流速相似

扬动流速比尺应该满足λVf=λV。原型沙的扬动流速使用窦国仁提出的扬动流速公式[21]计算得出。扬动流速比尺λVf稍大于流速比尺λV=10，表1为扬动流速的比尺计算结果。

表1 扬动流速的比尺

(4)冲淤时间相似

2.1.3推移质泥沙设计

阿尔塔什水库的河床质包括卵石、砾石和粗沙等，含量分别为72.2%、6.5%和4.0%。由于库内推移质泥沙粒径相对较大，因此模型设计需要保证达到起动流速相似要求。

(1)起动流速相似

起动流速的比尺须满足λVK=λV。通过窦国仁提出的起动流速公式[21]得到原型沙的起动流速。推移质模型沙粒径D50=5.3mm，粒径比尺λD=82/5.3=15.47，起动流速比尺λVf≈10，满足λVk=λV的要求。图3为推移质原型沙与模型沙的泥沙级配。

图3 推移质泥沙级配

(2)输沙量相似

(3)冲淤时间相似

由于上述计算所得的悬移质、推移质冲淤时间比尺分别为λt1=261和λt2=280.9，基本相差不大。且由于水库中悬移质泥沙的占比相对较大，因此确定时间比尺λt1=261。表2为泥沙模型各物理量比尺。

表2 泥沙模型比尺

2.2 模型制作与试验方法

2.2.1模型制作

基于上述泥沙模型设计，建立了泥沙物理模型进行试验，图4为库区泥沙模型布置图，图5为泥沙试验全景图。

图4 库区泥沙模型布置图

图5 泥沙试验全景图

试验模拟了坝址至回水末端的全部库区，并将库区边界设置在回水末端以外约7km处。试验平台长、宽、高分别为75、40、3m，模型河道长度为110m，整个平台是一个完整的水循环系统，模型上游的浑水池和清水池提供挟沙水流，挟沙水流流经库区，沙子在水流带动下逐渐形成淤积形态，而水流最终通过排沙洞等流入模型下游的沉沙池，完成整个循环过程。

2.2.2模型验证及试验方法

试验模型糙率的验证，即典型水文站5、20、50年一遇洪水流量下实测的水位资料与试验值保持一致。通过概化水沙系列，保证水量和沙量的总量恒定，水流位于水力平方区，满足模型雷诺数，且模型最小水深满足河工模型试验规程[22]要求。

本次试验模拟水库运行的时长为100年。在试验过程中，每10年进行一次测量，并用摄像头堆积体表面及泥沙沉积发展情况。为便于分析，图6给出了库区断面位置。

图6 库区断面位置

3 试验成果及分析

试验中多次对淤积地形进行量测，时间间隔为10年。下面分别给出淤积演变过程、淤积形态和库容变化数据，绘制淤积断面图及库容变化曲线，以分析淤积发展的规律。

3.1 淤积演变过程和淤积形态

图7给出了泥沙的淤积纵剖面图。图8给出了泥沙的淤积横断面图。

图7 水库淤积纵剖面图

图8 淤积横断面图

在运行的初始阶段，淤积主要发生在水库内部，水库淤积不断向拦河坝坝前发展，形成三角洲式的淤积形态；运行时间的不断增加，水库淤积三角洲顶端与拦河坝的距离不断减小，例如，水库运行第10年时，顶端距离拦河坝约17km处，即断面CS17-CS16之间；运行第50年时，距离拦河坝约6.0km，即CS7断面处；运行第80年时，距离拦河坝约2.7km，即断面CS5-CS4之间；运行第100年时，距离拦河坝约1.0km，即断面CS4-CS3之间。

水库运行100年过程中，在汛期的6—7月，维持排沙水位(1770m)不变，此时水深较浅，淤积量相对较少。分别以距离拦河坝41.9km处的断面CS 33、40.7km处的断面CS 32、39.7km处的断面CS 31作为监测位置，运行的第10年，最低泥沙淤积高程分别为1828.5、1820.4、1817.3m，库尾泥沙淤积厚度2.0～2.3m。水库运行第50年，最低泥沙淤积高程分别为1828.9、1820.6、1817.5m，库尾泥沙淤积厚度2.3～2.6m。水库运行第80年，最低泥沙淤积高程分别为1828.4、1820.0、1816.8m，淤积厚度1.7～2.0m。水库运行第100年，最低泥沙淤积高程分别为1828.6、1820.2、1817.0m，库尾淤积厚度2.0～2.2m。

弯道处，即距离拦河坝约16km(CS16-CS15)，其横断面的泥沙淤积形态如图6(CS16、CS15)所示。下面对CS16-CS15断面间淤积情况进行分析。对于CS16断面：第10年，淤积三角洲状貌逐渐明显，此时，淤积三角洲的顶端位置尚未到达CS16断面，左岸比右岸淤积情况严重；第20年，顶端位置在CS16与CS15断面之间，淤积情况较为严重，淤积高程接近汛期排沙水位1770m；30年后，CS16断面淤积情况更加严重，淤积高程随水库运行时长的增加而增加；50年后，淤积高程增长幅度有所减小，CS16断面附近淤积形态逐渐稳定，左侧为主槽位置。对于CS15断面：第10和第20年，产生轻微淤积；第30年，顶端在CS15与CS14断面之间，淤积情况相对严重，淤积高程接近汛期排沙水位1770m；40年后，淤积高程随水库运行时长增长而增加，但淤积高程增长幅度有所降低，CS15断面附近淤积形态逐渐稳定，左侧为主槽位置。

运行时长的不断增加，使淤积三角洲的顶端位置逐渐接近拦河坝。当运行时长接近90年时，淤积三角洲的顶端距离拦河坝约1.6km，2个排沙洞口前均有较为严重的淤积情况，淤积高程均大于洞口底板高程。因此，在运行时长达到80年后，应按期监测排沙洞前的淤积情况。在非汛期时，若库水位较高，可暂时启用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤积而发生堵塞，导致闸门启闭困难。汛期时，若库水位维持在排沙水位，应当较为频繁地启用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤积而发生堵塞，导致闸门启闭困难。此外，若汛期库水位维持在排沙水位，当洪水来临，可暂时启用2#排沙洞，待洪水经过以后停止使用。

3.2 库容变化

阿尔塔什水库的正常蓄水位为1820m，库容为212949万m3，正常蓄水位与死水位之差为50m，即死水位为1770m，死库容为86882万m3，调节库容为126067万m3。

图9为不同运行年限对应的水库库容。在水库运行100年过程中，随着运行时长的增加，泥沙淤积情况日益严重，库内淤积量持续增加，导致剩余库容不断减少。

图9 不同运行年限对应的水库库容

最初10年运行时间，淤积量达到21234万m3，正常蓄水位库容降低到191844万m3，减少了9.9%；剩余死库容为74362万m3，减少了14.4%；使得剩余调节库容减少了6.8%，即117482万m3。当运行时间达到50年时，淤积量达到97364万m3，库容明显减少，正常蓄水位库容115765万m3，减少了45.6%；剩余死库容为36719万m3，减少了57.7%；使得剩余调节库容减少了37.3%，即79046万m3。当运行时间达到100年时，淤积量达到170242万m3，库容剩余较少，正常蓄水位库容降低到42864万m3，减少了79.8%；剩余死库容仅为3272万m3，减少了96.2%；剩余调节库容减少了68.6%，仅剩39592万m3。

4 结论与建议

本文通过泥沙物理模型试验，按照阿尔塔什水库运行方式，对其100年的运行过程进行模拟，得到了其淤积演变过程和库容变化等，并对水库提出合理运行建议。

(1)水库淤积呈现三角洲状貌，并不断向拦河坝坝前发展。水库运行50年与运行100年时，淤积三角洲顶端与拦河坝的距离分别为8.0km(CS7处)和1.0km(CS4-CS3处)。因此，在运行时长达到80年后，应按期监测排沙洞前的淤积情况。在非汛期时，若库水位较高，可暂时启用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤积而发生堵塞，导致闸门启闭困难。在汛期时，若库水位维持排沙水位，应当频繁启用1#排沙洞，防止1#排沙洞因淤积而发生堵塞，导致闸门启闭困难。此外，在汛期时，若库水位维持在排沙水位，洪水来临，可启用2#排沙洞，待洪水经过以后停止使用。

(2)水库运行过程中，库尾淤积厚度不断增长。特别是在汛期时，维持排沙水位1770m，此时水深相对较浅，库尾产生部分淤积。水库运行第100年，库尾泥沙淤积厚度范围为2.0～2.2m。

(3)水库运行过程中，库内淤积量持续增加，导致库容不断减少。当运行时间达到50年时，淤积量达到97364万m3，库容明显减少，正常蓄水位库容115765万m3，减少了45.6%；剩余死库容为36719万m3，减少了57.7%；使得剩余调节库容减少了37.3%，即79046万m3。当运行时间达到100年时，淤积量达到170242万m3，库容剩余较少，正常蓄水位库容降低到42864万m3，减少了79.8%；剩余死库容仅为3272万m3，减少了96.2%；剩余调节库容减少了68.6%，仅剩39592万m3。

(4)泥沙淤积沿程演变情况与库尾淤积高度等与汛期时拦河坝坝前水位紧密相关，汛期时，维持低水位运行对水库的排沙减淤发挥着至关重要的作用。