托爾巴衣爾，陳松偉，韓方軍，彭慧榮，陳 齊，田國政

(1.新疆維吾爾自治區(qū)烏魯瓦提水利樞紐管理局， 新疆 和田 848000；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司， 河南 鄭州 450003)

烏魯瓦提水利樞紐工程位于新疆和田河西支流喀拉喀什河中游河段，具有灌溉、防洪、發(fā)電、改善生態(tài)等綜合利用效益，樞紐控制流域面積19 983 km2，電站裝機(jī)容量60 MW(4臺×15MW)，由主壩、副壩、溢洪道、泄洪排沙洞、沖沙洞及發(fā)電引水洞等主要建筑物組成[1]，工程布置見圖1。水庫校核洪水位1 963.29 m，相應(yīng)庫容3.336億m3；正常蓄水位1 962.00 m，相應(yīng)庫容3.227億m3；死水位1 924.00 m，相應(yīng)庫容0.984億m3。自1998年建成投入運(yùn)用至2019年，水庫累計淤積1.09億m3，其中死水位以下淤積0.895億m3，死庫容淤損率為91.0%。死庫容大量淤積導(dǎo)致水庫應(yīng)急抗旱庫容損失殆盡，隨著今后水庫運(yùn)用，水庫淤積可能會進(jìn)一步侵占水庫的興利庫容，影響水庫綜合利用效益的發(fā)揮。

2020年7月下旬，區(qū)域局地形成強(qiáng)烈的地形性降水，地表徑流裹挾大量泥沙入庫并與洪水相互疊加，水流攜帶大量泥沙進(jìn)入泄洪排沙洞，遇到工作門阻擋后形成堆積，堆積不斷加劇延伸導(dǎo)致整個泄洪排沙洞壅堵，在泄洪排沙洞進(jìn)口形成10 m左右的錐狀堆積體，導(dǎo)致泄水排沙通道淤塞。

為了延緩水庫淤積、保障水庫運(yùn)行安全，充分發(fā)揮烏魯瓦提水利樞紐綜合利用效益，本文在分析烏魯瓦提水庫沖淤分布特征、入庫流量及運(yùn)用水位與庫區(qū)沖淤關(guān)系、排沙設(shè)施閘門調(diào)度運(yùn)行情況的基礎(chǔ)上，提出了排沙運(yùn)用指標(biāo)、閘門調(diào)度運(yùn)用方式，為水庫排沙調(diào)度運(yùn)用提供了技術(shù)支撐。

圖1 烏魯瓦提水利樞紐工程平面布置圖

1 排沙設(shè)施概況

烏魯瓦提水利樞紐排沙設(shè)施主要有泄洪排沙洞及沖沙洞。

泄洪排沙洞位于壩址右岸，采用“龍?zhí)ь^”式的布置形式，全長876.5 m，由引水渠、進(jìn)水塔、有壓隧洞、工作閘井段、龍?zhí)ь^曲線段、結(jié)合利用段、隧洞出口段等部分組成，最大泄量1 130 m3/s。進(jìn)水塔底板高程1 885.00 m，內(nèi)設(shè)一道7 m×8 m的平板事故鋼閘門；工作閘井段長20.50 m，閘底高程1 884.30 m，內(nèi)設(shè)一道6 m×6 m的弧形工作鋼閘門。

沖沙洞位于左岸山體中，由進(jìn)水塔、有壓洞段、工作閘井段、無壓洞段、出口明渠段和交通洞等部分組成，最大設(shè)計流量123 m3/s。進(jìn)水塔底板高程1 894.00 m，內(nèi)設(shè)一道3.5 m×4.0 m的平板事故鋼閘門，工作閘井段長10.0 m，底板高程1 880.56 m，設(shè)有一道2.5 m×2.5 m的弧形工作鋼閘門[2]。

2 水庫實(shí)際運(yùn)用情況

2.1 運(yùn)用水位

烏魯瓦提水庫2002年—2020年年內(nèi)各月平均運(yùn)用水位情況見圖2。水庫5月—7月運(yùn)用水位較低，平均在1 930.50 m～1 936.10 m之間；8月份運(yùn)用水位有所抬高，平均水位1 952.05 m，逐步向非汛期過渡；9月—翌年4月，壩前水位一般維持在1 945.10 m～1 961.50 m。汛期不同水位出現(xiàn)天數(shù)見圖3，汛期水位低于1 924.00 m年均出現(xiàn)4.8 d，占5.3%，大部分時間水庫水位在1 924.00 m～1 959.50 m，出現(xiàn)天數(shù)占88.3%，水位超過1 959.50 m出現(xiàn)天數(shù)為5.9 d，占6.4%。

圖2 烏魯瓦提水庫年內(nèi)各月平均水位變化圖

圖3 烏魯瓦提水庫汛期水位分布圖

2.2 排沙設(shè)施閘門調(diào)度

烏魯瓦提水利樞紐近期2017年—2020年排沙設(shè)施閘門調(diào)度運(yùn)行情況見表1。沖沙洞平均過流時間為1 583 h，泄洪排沙洞平均過流時間為771 h。沖沙洞工作閘門平均開度為0.84 m，泄洪排沙洞工作閘門平均開度為1.48 m。

表1 烏魯瓦提水利樞紐排沙設(shè)施閘門調(diào)度運(yùn)行情況

根據(jù)排沙設(shè)施下泄流量過程(見圖4)，一般情況下，在6月份主要通過沖沙洞泄流排沙，下泄流量不大于60 m3/s；7月份同時開啟沖沙洞及泄洪排沙洞，泄洪排沙洞下泄流量不超過400 m3/s，沖沙洞下泄流量不超過100 m3/s；8月上中旬主要通過泄洪排沙洞泄流排沙，下泄流量一般不超過400 m3/s。

只開啟沖沙洞時，沖沙洞下泄流量占出庫流量的比例為30%左右；只開泄洪排沙洞時，泄洪排沙洞下泄流量占出庫流量的比例為80%左右；沖沙洞與泄洪排沙洞同時開啟時，沖沙洞、泄洪排沙洞下泄流量分別占出庫流量的15%、75%。

圖4 排沙設(shè)施閘門下泄流量過程

3 水庫排沙運(yùn)用指標(biāo)

根據(jù)各月平均淤積量及入庫沙量分布圖(見圖5)，水庫年均入庫沙量為582萬t，6月—8月來沙量占全年的90.5%。水庫年均淤積量為427.4萬t，淤積也主要集中在6月—8月，占全年淤積量的88.7%，其中8月份淤積量占42.7%。8月份淤積量較大，一方面是由于來沙量多，另一方面是由于該月水庫運(yùn)用水位較高(見圖6)。

圖5 各月平均淤積量與來沙量分布圖

圖6 各月平均淤積量與運(yùn)用水位分布圖

根據(jù)水庫汛期日均沖淤量與日均入庫流量的關(guān)系(見圖7)，水庫沖淤量與入庫流量呈正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)入庫流量大于200 m3/s時，水庫淤積量明顯增加。根據(jù)水庫汛期日均出庫輸沙率與水庫最低運(yùn)用水位的關(guān)系(見圖8)，水庫沖淤量與運(yùn)用水位呈反相關(guān)關(guān)系，當(dāng)水庫運(yùn)用水位高于1 924.00 m時，出庫輸沙率明顯降低。

圖7 沖淤量與入庫流量關(guān)系

根據(jù)入庫水沙過程分析，汛期入庫流量大于200 m3/s出現(xiàn)幾率為40%，可以為水庫排沙提供充分的水流動力條件。因此，為減少水庫淤積，避免泄流排沙設(shè)施淤堵，當(dāng)入庫流量大于200 m3/s時，可以降低水庫運(yùn)用水位至1 924.00 m進(jìn)行排沙運(yùn)用。

圖8 出庫輸沙率與運(yùn)用水位關(guān)系

4 水庫排沙設(shè)施閘門調(diào)度運(yùn)用方式

4.1 閘門調(diào)度方案擬定

根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于水庫淤積及排沙運(yùn)用理論及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3-10]，結(jié)合烏魯瓦提水庫的具體問題研究[11-16]，認(rèn)為通過大流量低水位運(yùn)用可以明顯提高水庫排沙效率。根據(jù)本次分析成果，烏魯瓦提水庫淤積主要集中在6月—8月，從有利于水庫排沙、避免排沙設(shè)施閘門發(fā)生淤堵的角度出發(fā)，當(dāng)6月—8月入庫流量大于200 m3/s時，可以通過降低水位至1 924.00 m進(jìn)行排沙運(yùn)用。

水庫排沙水位按1 924.00 m控制運(yùn)用，入庫流量按300 m3/s、400 m3/s兩種情況考慮，以保證排沙、兼顧發(fā)電為原則，擬定的排沙設(shè)施閘門調(diào)度方案見表2。方案1與方案2是在運(yùn)行不同發(fā)電機(jī)組發(fā)電情況下(4臺機(jī)組滿發(fā)流量90 m3/s，單臺機(jī)組發(fā)電流量22.5 m3/s)，只打開泄洪排沙洞進(jìn)行排沙運(yùn)用；方案3與方案4是在運(yùn)行不同發(fā)電機(jī)組情況下，同時打開泄洪排沙洞與沖沙洞進(jìn)行排沙運(yùn)用。

4.2 計算方法

通過構(gòu)建烏魯瓦提水庫區(qū)平面二維水沙模型，用于分析不同閘門調(diào)度方案下庫區(qū)沖淤變化。

模型驗(yàn)證：起始地形采用2019年汛前實(shí)測地形資料，利用數(shù)字化高程生成技術(shù)生成庫壩區(qū)三維數(shù)字高程地形(網(wǎng)格布置見圖9)；驗(yàn)證地形采用2019年汛后實(shí)測大斷面；進(jìn)口水沙條件采用2019年6月—8月入庫流量和含沙量過程資料，出口采用該時段實(shí)測庫水位資料。驗(yàn)證過程中，沿程布置典型驗(yàn)證斷面，將河床沖淤變形橫斷面計算成果與實(shí)測成果進(jìn)行比較。

驗(yàn)證結(jié)果表明：在計算時段內(nèi)，庫區(qū)總淤積量為300.5萬t，與實(shí)測值320.3萬t相差不大。圖10給出了庫區(qū)典型斷面河床沖淤變形計算成果與實(shí)測成果的比較，由圖可知，驗(yàn)證計算成果與實(shí)測成果也吻合較好。

表2 泄流排沙設(shè)施閘門調(diào)度方案表

圖9 庫區(qū)網(wǎng)格布置圖

圖10 典型斷面沖淤驗(yàn)證圖

4.3 計算結(jié)果

排沙設(shè)施閘門不同調(diào)度方案計算沖淤量見表3。

表3 工況2泄流設(shè)施調(diào)度方案計算沖淤量統(tǒng)計表

在入庫流量300 m3/s(入庫含沙量2.8 kg/m3)的條件下，入庫沙量為43.55萬t，方案1—方案4庫區(qū)沖刷量分別為96.86萬t、99.32萬t、87.38萬t、89.34萬t；在入庫流量400 m3/s(入庫含沙量4.3 kg/m3)的條件下，入庫沙量為89.16萬t，方案1—方案4庫區(qū)的沖刷量分別為139.67萬t、141.57萬t、125.85萬t、125.78萬t。從有利于庫區(qū)減淤角度分析，方案2均優(yōu)于其他方案。入庫流量400 m3/s條件下，方案2(只打開泄洪排沙洞進(jìn)行排沙運(yùn)用)庫區(qū)沖淤分布見圖11，壩前流速分布見圖12，方案4(泄洪排沙洞與沖沙洞聯(lián)合運(yùn)用)庫區(qū)沖淤分布見圖13，壩前流速分布見圖14。可以看出，兩個方案下，庫區(qū)主槽均發(fā)生明顯沖刷，沖刷深度在1 m左右。壩前2 km范圍形成明顯的回流區(qū)，導(dǎo)致近壩段發(fā)生淤積，方案4淤積厚度在0.6 m以上的范圍大于方案2。兩個方案壩前主流均偏右，方案2泄洪排沙洞泄流量較大，長時間通過泄洪排沙洞進(jìn)行排沙更有利于防止泄洪排沙洞閘門發(fā)生淤堵。

因此，在水庫進(jìn)行排沙運(yùn)用時，考慮優(yōu)先保證排沙、同時兼顧發(fā)電，推薦通過泄洪排沙洞排沙，并盡量加大閘門開度，使其分流比達(dá)到90%以上，利用其泄放的大流量將水位降至1 924.00 m進(jìn)行排沙運(yùn)用，同時利用多余水量進(jìn)行發(fā)電運(yùn)用。

圖11 400 m3/s條件下方案2庫區(qū)沖淤分布圖

圖12 400 m3/s條件下方案2壩前流速分布圖

圖13 400 m3/s條件下方案4庫區(qū)沖淤分布圖

圖14 400 m3/s條件下方案4壩前流速分布圖

5 結(jié) 論

(1) 烏魯瓦提水庫淤積主要集中在來沙量較大的6月—8月，其中8月份淤積量較大，一方面是由于來沙量較多，另一方面是由于該月水庫運(yùn)用水位較高。

(2) 當(dāng)入庫流量大于200 m3/s時，水庫淤積量明顯增加；當(dāng)水庫運(yùn)用水位高于1 924.00 m時，出庫輸沙率明顯降低。因此，為減少水庫淤積，當(dāng)入庫流量大于200 m3/s時，可以降低水庫運(yùn)用水位至1 924.00 m進(jìn)行排沙運(yùn)用。

(3) 一般情況下，水庫在6月份主要通過沖沙洞泄流排沙，下泄流量占出庫流量的30%左右；7月份同時開啟沖沙洞及泄洪排沙洞泄流排沙，沖沙洞、泄洪排沙洞下泄流量分別占出庫流量的15%、75%；8月上中旬主要通過泄洪排沙洞泄流排沙，下泄流量占出庫流量的80%左右。

(4) 構(gòu)建的烏魯瓦提水庫區(qū)平面二維水沙模型能較好的反映庫區(qū)的總體沖淤情況，可以用于分析不同閘門調(diào)度方案下庫區(qū)沖淤變化及水流運(yùn)動情況。通過對比庫區(qū)沖淤量，考慮優(yōu)先保證排沙、同時兼顧發(fā)電，推薦的排沙設(shè)施調(diào)度運(yùn)用方式為：在水庫進(jìn)行排沙運(yùn)用時，盡量通過泄洪排沙洞排沙，并盡量加大閘門開度，使其分流比達(dá)到90%以上，利用其泄放的大流量將水位降至1 924.00 m進(jìn)行排沙運(yùn)用，同時利用多余水量進(jìn)行發(fā)電運(yùn)用。