孟祥凱

(塔城水利設(shè)計(jì)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(qū)部分范圍內(nèi)，兩岸植被稀疏，山體裸露，風(fēng)化和風(fēng)磧作用強(qiáng)烈，一旦進(jìn)入汛期暴雨將兩岸松散風(fēng)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(chǎn)生的主要原因[1-3]。

結(jié)合新疆沙爾托海水利樞紐二期工程實(shí)際情況，采用實(shí)測庫容法對水庫泥沙進(jìn)行預(yù)測分析。

2 參證站泥沙分析

大河沿子河無實(shí)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(shí)測輸沙率及輸沙量資料。該站多年平均懸移質(zhì)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(shù)82.3t/km2，懸移質(zhì)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(shí)測輸沙率及輸沙量資料。該站多年平均懸移質(zhì)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(shù)261.0 t/km2，懸移質(zhì)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(kuò)建水庫工程，在水庫淤積計(jì)算，首先使用實(shí)測資料計(jì)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(yùn)行期間沒有監(jiān)測水庫的入庫泥沙和出庫泥沙，故在本次水庫泥沙淤積計(jì)算中仍借用推懸比和排沙比經(jīng)驗(yàn)值。收集新疆維吾爾自治區(qū)其他水庫推懸比和排沙比資料，并分析對比兩個參數(shù)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(diǎn)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(jié)合沙爾托海水庫自身特點(diǎn)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(yùn)行10 a內(nèi)，平均排沙比取38%；水庫運(yùn)行11～20 a內(nèi)，排沙比取47%；水庫運(yùn)行21～30 a內(nèi)，排沙比取 50%；水庫運(yùn)行31～40 a內(nèi)，排沙比取51%；水庫運(yùn)行41～50 a內(nèi)，排沙比取53%。

4 水庫泥沙淤積計(jì)算

沙爾托海水庫于2011年開工建設(shè)，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(shè)計(jì)院于2010年9月完成沙爾托海水庫庫區(qū)原始地形圖測量，塔城地區(qū)水利水電勘察設(shè)計(jì)院分別于2017年4月、2021年5月完成沙爾托海水庫庫區(qū)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(qū)間淤積分析圖，見圖2。

圖1 沙爾托海水庫水位～庫容關(guān)系曲線

圖2 2010—2021年區(qū)間淤積計(jì)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(xiàn)泥沙沖刷現(xiàn)象，庫容增大。由圖2可知，沙爾托海水庫2010年到2021年，庫區(qū)泥沙淤積量最大的區(qū)域是在570～572 m高程區(qū)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(qū)間，淤積量為0.18萬m3。

4.1 泥沙縱向、橫向淤積形態(tài)分析

(1)泥沙縱向淤積形態(tài)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(qū)淤積縱向形態(tài)變化規(guī)律。在沙爾托海水庫一期工程運(yùn)行期2017—2021年間：距大壩0～477 m、968～1174 m縱形態(tài)呈現(xiàn)水庫泥沙沖刷；距大壩1402～1649 m縱形態(tài)呈現(xiàn)水庫泥沙淤積；其他地方縱形態(tài)水庫泥沙沖淤基本平衡，縱形態(tài)水庫泥沙總體程現(xiàn)沖刷現(xiàn)象。

(2)泥沙橫向淤積形態(tài)分析。在水庫一期工程運(yùn)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(xiàn)左岸泥沙淤積，右岸泥沙沖刷狀。

在水庫一期工程運(yùn)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(xiàn)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(xiàn)微弱泥沙沖刷狀態(tài)。

4.2 泥沙淤積量計(jì)算

(1)水庫淤積計(jì)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(shí)測)和2020年庫區(qū)實(shí)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(guī)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(jì)算，由此計(jì)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(jì)算推懸比采用0.15，推移質(zhì)干容重取1.70 t/m3，懸移質(zhì)干容重取1.36 t/m3。

推懸比(β)為推移質(zhì)和懸移質(zhì)的質(zhì)量比，需轉(zhuǎn)換為推移質(zhì)和懸移質(zhì)的體積比(β體積)，計(jì)算得出推移質(zhì)和懸移質(zhì)的體積比(β體積)為0.12，則2014—2020年沙爾托海水庫推移質(zhì)淤積容積為4.56萬m3，推移質(zhì)淤積量為7.76萬t，推移質(zhì)年平均淤積量為1.11萬t/a。

2014—2020年沙爾托海水庫懸移質(zhì)淤積容積為38.0萬m3，懸移質(zhì)淤積量為51.7萬t，懸移質(zhì)年平均淤積量為7.39萬t/a。

(2)出庫泥沙計(jì)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(diào)度運(yùn)行圖，見圖3、圖4。根據(jù)2014—2020年沙爾托海水庫工程(一期)水庫調(diào)度運(yùn)行圖以及現(xiàn)場人員調(diào)查結(jié)果可知：每年根據(jù)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(jù)參證站多年平均輸沙年內(nèi)分配計(jì)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(yùn)行10 a內(nèi)排沙比為38%，即推移質(zhì)年平均出庫量為0.679萬t/a，懸移質(zhì)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(diào)度運(yùn)行

圖4 沙爾托海水庫工程(一期)2020年水庫調(diào)度運(yùn)行

(3)入庫泥沙計(jì)算。根據(jù)計(jì)算，沙爾托海水庫泥沙年平均入庫量為13.70萬t/a，推移質(zhì)年平均入庫量為1.78萬t/a，懸移質(zhì)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(zhì)多年平均為0.142 kg/m3，懸移質(zhì)多年平均為0.949 kg/m3。

5 結(jié) 論

通過與類似項(xiàng)目對比分析，確定在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中推懸比取15%，水庫運(yùn)行10～50 a內(nèi)，平均排沙比取38%～53%。根據(jù)實(shí)測庫容分析，縱形態(tài)水庫泥沙總體呈現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，上游斷面泥沙淤積變化呈現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)微弱泥沙沖刷狀態(tài)。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(zhì)多年平均為0.142 kg/m3，懸移質(zhì)多年平均為0.949 kg/m3。