考虑排沙运用的巴家咀水库兴利调度研究

蔡荨 魏国梁 史汉忠

摘 要：巴家咀水库位于甘肃黄土地貌地区，天然来水含沙量大，库区泥沙淤积严重，是典型的承担排沙任务的供水水库，亟需编制综合考虑排沙与供水运用的调度规程。为此分析了巴家咀水库来沙与排沙特性，提出一种基于实测排沙数据采用线性回归分析拟合的排沙能力反正切函数，确定了7、8月份为主要排沙期，提出敞泄排沙与蓄清排浑两种排沙方案，分别采用迭代方程试算蓄水指示线，绘制水库兴利、排沙综合调度图，结合排沙能力函数模拟多年排沙调度过程，通过比较排沙与兴利之间的衔接及排沙能力对供水保障的影响，最终确定排沙期采用蓄清排浑方式排沙，并制定综合调度方案。

关键词：排沙;兴利调度;排沙能力函数;蓄清排浑;巴家咀水库

Abstract：Bajiaju Reservoir is located in the loess geomorphology area in Gansu Province where confronts serious water resources shortage and large amount of sediment transportation and sedimentation problems. It is a typical water supply reservoir undertaking sediment discharge task. Thus， the operation regulation is urgently needed to work out with comprehensive consideration of sediment discharge and water supply. The characteristics of coming sediment and sediment discharge of Bajiaju Reservoir were analyzed. A linear reversed inverse tangent sediment ejection capacity function based on real sediment discharge data was proposed. The main sediment discharge period was determined as July and August. The two sediment discharge schemes of free sediment discharging and storing clear water and releasing the muddy were adopted. The water retaining indicator curves were calculated by a set of iterative equations. The profiting and sediment discharge operation chart was then obtained. The long-term sediment operation was simulated by adopting sediment discharge capacity function. Considering better transform between sediment discharge and profiting and the influence to the water supply assurance due to sediment discharge capacity， the storing clear water and releasing the muddy scheme was eventually adopted and the integrated regulation was determined.

Key words： sedimentdischarge; profiting regulation; sediment discharge capacity function; storing clear water and releasing the muddy; Bajiaju Reservoir

水库调度是水库发挥既定效益的主要手段。在中国中部偏北部黄土地貌地区，水库上游来水含沙量大，水库在发挥兴利功能的同时，必须规划合理的排沙调度计划，否则库区泥沙淤积将减少水库兴利与防洪库容，影响水库发挥正常功能[1]。但排沙调度与兴利调度在用水需求上存在矛盾，在西北地区，天然来水量较少，用水紧张，排沙与兴利矛盾显得尤为突出，只有科学地排沙，才能最大化发挥水库综合效益[2]。

巴家咀水库位于甘肃省黄土地貌地区，天然来水含沙量大，工程建设的最初目的是收集水沙运动相关基础数据，研究水库泥沙运动机理与机制，因此配备有巴家咀水库专用水文实验站，量测了多年水沙数据，并取得了部分成果。1985年廖咸祖[3]对巴家咀水库实测资料进行了初步分析，研究了其高含沙异重流流动特性、阻力特性及输沙特性等，揭示了巴家咀水庫排沙比变化规律;1987年焦恩泽[4]提出了输沙率与流量的关系，揭示了巴家咀水库淤积成因。以上研究未提出明确的输沙、排沙能力估算公式。

由于工程最初的主要功能不包括向城市供水，因此工程运行中未制订可持续的排沙运用调度计划。随着巴家咀水库周边社会环境的发展，下游庆阳市城市用水需求不断增大，水库主要功能开始向供水转移，负责保障庆阳市城市用水，并逐步成为庆阳市唯一水源。由于巴家咀库区泥沙淤积形势严峻，高程1 104.30 m以下淤积率达100%，正常蓄水位1 115.00 m以下淤积率达78.45%[5]，每年入库泥沙不断侵占水库有效兴利库容，因此必须尽快制定有效合理的排沙与供水规划[6]，协调解决其兴利与排沙调度的矛盾。

1 研究区域及数据来源

巴家咀水库位于庆阳市西峰区后官寨乡，在西峰区以西17 km的泾河支流蒲河中游，是一座以防洪和城市供水为主，兼顾生态补水功能的大（2）型年调节水库，总库容5.4亿m3，控制流域面积3 522 km2。巴家咀水库所在蒲河发源于甘肃省环县砖城子。蒲河中上游为黄土丘陵沟壑区，沟谷发育，河道陡峻;下游为黄土塬区，地势平坦;流域内植被覆盖较差，黄土裸露，水土流失严重。

水库正常蓄水位为1 115.00 m，设计兴利库容为0.250亿m3，现状兴利库容为0.054亿m3;水库死水位为1 095.00 m，死库容为0.004亿m3，现已淤满。巴家咀水库配套五台山及南小河沟引水式调蓄水库在排沙期协调供水，南小河沟水库调节库容为50万m3，五台山水库设计调节库容为573万m3。

水库配备泄洪洞、增建泄洪洞及溢洪道等泄洪排沙工程。泄洪洞为短管进口明流洞，圆形断面，洞径4 m，最大泄流量103 m3/s，进口底板高程1 085.50 m，出口位于南小河沟水库;增建泄洪洞为明流城门洞型，净尺寸（宽×高）为5 m×7.5 m，最大泄洪能力514.5 m3/s，进口底板高程1 085.00 m，出口设在南小河沟;溢洪道控制段为两孔开敞式WES实用堰，堰顶高程1 106.00 m，溢流孔口尺寸（寬×高）为13 m×10.3 m，设计、校核流量分别为3 056.8、4 708.5 m3/s。

水库多个泄水设施为排沙运用提供了工程基础。同时，巴家咀水库配备有专用水文站，用于测量入库水量与沙量等基础数据，数据翔实可信且系列较长，具备良好的泥沙研究基础条件。

2 水沙特性分析

2.1 来沙特性分析

（1）水库入库洪水猛涨猛落、峰高量小历时短、来沙集中、含沙量高。入库洪水过程呈猛涨猛落尖瘦型，洪峰历时一般不超过20 h，短则2～3 h。暴雨洪水造成的沙量占较大比例，按流量大于50 m3/s为洪水期计，洪水期累计来水量18.55亿m3、占总来水量的34.2%，来沙量9.66亿t、占总来沙量的78.3%;非洪水期累计来水量35.64亿m3、占总来水量的65.8%，来沙量2.67亿t、占总来沙量的21.7%。

（2）水沙量年际年内分配不均。水库年最大来水量27 875万m3（1958年），最小来水量7 769万m3（1965年）;年最大来沙量10 395万t（1964年），最小来沙量419万t（1952年）。入库水沙年内分配与降水年内分配基本一致，水、沙多集中在7—8月，而沙之集中更甚于水。据1951—2017年统计，7—8月水量6 098万m3、占全年水量的46.7%，沙量2 272万t、占全年沙量的79.8%;7—9月水量7 290万m3、占全年水量的55.8%，沙量2 456万t、占全年沙量的86.2%;10—6月水量5 770万m3，沙量393万t。

2.2 排沙特性分析

依据巴家咀水库实测排沙资料，结合三门峡水库[7-8]、汾河水库[9-10]、官厅水库[11-12]部分实测资料，建立水库排沙比公式：拟合的反正切函数排沙能力曲线如图1所示，由图1可知，V/Q出·Q入/Q出越大，η越小，排沙比中值为58.31%，曲线较好地拟合了排沙实测数据。

3 兴利与排沙调度分析

3.1 排沙方案与限制水位

水库排沙时库水较为浑浊，不能用于正常供水，排沙时段与供水时段分开，不含重叠部分。巴家咀水库洪水期累计来沙量9.66亿t，占总来沙量的78.3%，而洪水主要集中在7、8月份，因此将7月1日—8月31日定为排沙时段是合适的。考虑如下两种排沙方案：①排沙期水库敞泄排沙，溢洪道保持敞开，水位降低至实际空库水位1 104.30 m，其他月份库水位超过正常蓄水位时结合防洪调度实施相机排沙;②排沙期水库蓄清排浑，当入库流量小于50 m3/s时水库蓄水并控制库水位不超过汛限水位1 111.00 m，当入库流量大于50 m3/s时开启溢洪道敞泄排沙，其他月份库水位超过正常蓄水位时结合防洪调度实施相机排沙。

结合水库汛限水位与正常蓄水位，水库调度运用限制水位见表1。

3.2 水沙平衡模拟计算

庆阳市城市用水设计水平年规划供水总量1 566万m3，供水规模4.29万m3/d，设计供水保证率为90%。

巴家咀水库水文年为6月至次年5月，对1951—2017年共计67 a入库水量进行频率分析，由P-Ⅲ型曲线配线确定巴家咀水库设计保证率为90%的天然来水量为4 766.09万m3。蒸发量采用巴家咀水文测站实测多年平均蒸发强度1 503.5 mm与水库库水面积之积计。

在95%频率附近，根据“三性审查”原则选取2014年6月—2015年5月、2011年6月—2012年5月、2017年6月—2018年5月、2016年6月—2017年5月、2015年6月—2016年5月作为典型水文年，将入库水量由水量平衡试算修正，得各典型水文年入库水量过程，见表2。

对各典型年修正后的来水过程，选择起调日期为水文年初始日期前一日即5月31日，逆时序迭代试算起调水位与供水过程，迭代方程如下：

试算过程满足水量平衡方程及上述限制水位边界条件，同时为保证庆阳市区用水，水库供水期间控制库水位不低于1 107.00 m，作为应急备用水源。依据以上方法与条件试算求得各典型年蓄水指示线。水库供需水量平衡分析试算结果见表3。

根据各典型年蓄水指示线试算结果绘制水库蓄水指示线，取各年指示线的上包线与下包线，即可得到水库供水调度的上、下基本调度线，采用描点法绘制水库调度图，如图2所示。

假定每年汛期发生频率为95%的洪水，洪水期与非洪水期来沙量按多年平均入库沙量计，排沙能力按式（3）计算，考虑多年运行情况，两种排沙方案水库淤积过程如图3所示。

排沙期巴家咀水库停止供水，此时五台山水库与南小河沟水库代替其完成供水任务，需计算分析五台山水库与南小河沟水库兴利能力。

由天然来水频率可知，巴家咀水库设计保证率90%的天然来水量（径流量）为4 766.09万m3，而设计平水年需水量为3 643.53万m3，对应保证率为95.44%，在满足设计平水年需水量时，设计保证率下的天然來水量每年可剩余1 122.56万m3，其中：汛期余水约占55%，为617.41万m3;非汛期余水约占45%，为505.15 m3。五台山水库建成后，可在水质清澈时通过引水工程将巴家咀水库多余水量储备于五台山水库，五台山水库蓄满保证率（蓄满率）在90%以上。汛期五台山水库蓄满时，按4.8万m3日供水量计，可满足约120 d供水，基本解决庆阳市汛期供水紧张问题，并协助巴家咀水库完成排沙任务。

3.3 调度方案比选分析

由水量平衡试算结果（表3）可知，两种调度方案下巴家咀水库天然来水均可保证庆阳市供水，供水保证率均为95.44%。

从调度过程（见图2）来看，方案1由于7、8月份敞泄排沙，期间库水位降低至1 104.30 m（实际死水位），至9月水库需要供水时，水库蓄水量较少，供水能力存在衔接不上的可能，因此需要五台山及南小河沟水库帮助供水，增大了反调节水库的供水压力;方案2采用蓄清排浑策略，7、8月排沙过程中不会放空水库，保持库水位在汛限水位，仅来洪时排沙，至9月供水时水库存水较多，能够保障排沙与供水之间的衔接。

从多年淤积过程（见图3）来看，由于敞泄排沙的排沙比与排沙量均高于蓄清排浑，方案1多年累计淤积率低于方案2，因此多年运行后方案1有效兴利库容高于方案2。现状兴利库容为538万m3，两个方案在运行20 a后来沙与排沙基本达到平衡，此时方案1兴利库容淤积率为18.83%，有效兴利库容为436.72万m3，实际死水位将提高至1 106.02 m;方案2兴利库容淤积率为23.52%，有效兴利库容为411.47万m3，实际死水位将提高至1 106.86 m。虽然蓄清排浑淤积量较敞泄排沙高，但由于设计安全取水水位为1 107.00 m，高于两方案多年运行淤积死水位，因此多年运行后两方案剩余有效兴利库容均可满足城市供水要求。

综上所述，由于方案2能够保障排沙期与供水期之间的转换衔接，虽然排沙量小于方案1，但多年运行后剩余有效兴利库容仍可满足城市供水要求，因此推荐采用方案2进行调度，调度过程见图2（b），具体调度方案如下：①当库水位位于上、下基本调度线之间时，按需求供水;②当库水位高于上基本调度线时，按需求供水，视情况向五台山、南小河沟水库输出多余水量;③当库水位位于下基本调度线至死水位之间时，优先满足居民生活用水，停止生态用水，减少工业企业、公共设施与环境等用水量，并由五台山、南小河沟水库协助供水;④水库排沙期（7—8月），当入库流量小于50 m3/s时水库蓄水，并控制库水位不超过汛限水位1 111.00 m，当入库流量大于50 m3/s时开启溢洪道敞泄排沙，排沙期巴家咀水库停止供水，改由五台山、南小河沟水库供水;⑤水库非排沙期库水位超过正常蓄水位时，结合防洪调度实施相机排沙。

4 结论与展望

针对巴家咀水库兴利与排沙矛盾，结合水库水沙特性，研究了排沙方案，协调分配了排沙与兴利任务，制定了符合规范的水库综合调度规程，得出如下结论。

（1）分析水库来沙与排沙特性，提出一种反正切函数用于拟合排沙能力，基于实测排沙资料采用线性回归分析拟合了排沙能力曲线，拟合结果表明该反正切函数曲线表示排沙能力较为合适。

（2）根据水库来沙与排沙特性，提出敞泄排沙与蓄清排浑两种排沙方案，基于水沙平衡计算结合排沙能力曲线模拟多年水沙调度过程，通过比较排沙与兴利之间的衔接及排沙能力对供水保障的影响，最终确定排沙期采用蓄清排浑方式排沙。

（3）巴家咀水库为典型的承担排沙任务的供水水库，兴利与排沙综合调度研究平衡了排沙与供水需求矛盾，可为类似工程提供参考依据。

参考文献：

[1] 党维勤.加强黄土高原基层水土保持研究工作的建议与思考[J].中国水利，2019（21）：6-8.

[2] 王新宏，龚立尧，吴巍，等.高含沙河流供水水库运用方式研究：以王瑶水库为例[J].泥沙研究，2018，43（2）：33-39.

[3] 廖咸祖.巴家咀水库高含沙异重流资料的初步分析[J].人民黄河，1985，7（6）：19-25.

[4] 焦恩泽.巴家咀水库泥沙的几个特殊问题[J].泥沙研究，1987，12（2）：42-52.

[5] 赵丽娜.庆阳市城区供水问题的思考[J].甘肃水利水电技术，2017，53（9）：18-20.

[6] GUO Q C， ZHENG Z， HUANG L M， et al. Regularity of Sediment Transport and Sedimentation During Floods in the Lower Yellow River， China[J].International Journal of Sediment Research，2020，35（1）：97-104.

[7] 林秀芝，董晨燕，李丹丹.三门峡水库淤积分析和运用方式研究[J].华北水利水电大学学报（自然科学版），2018，39（5）：18-22.

[8] 胡春宏.从三门峡到三峡我国工程泥沙学科的发展与思考[J].泥沙研究，2019，44（2）：1-10.

[9] 郝福华.汾河水库流域水土保持治理减沙与径流变化分析[J].水利水电技术，2009，40（5）：61-63，70.

[10] 刘晓燕，李晓宇，党素珍.黄河主要产沙区近年降水变化的空间格局[J].水利学报，2016，47（4）：463-472.

[11] 刘世海，胡春宏.官厅水库流域产流产沙变化规律及其影响因素研究[J].水土保持研究，2007，14（1）：272-275.

[12] 符素华，刘宝元，路炳军，等.官厅水库上游水土保持措施的减水减沙效益[J].中国水土保持科学，2009，7（2）：18-23.

【责任编辑 张 帅】