缺水条件下引水渠流入下游水库的泥沙管理策略分析

2022-02-05冯刘成新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局

珠江水运 2022年1期

冯刘成新疆维吾尔自治区塔里木河流域干流管理局

1.引言

高含沙河流上的水库运用方式与一般清水或少泥沙河流水库相比，所涉及的内容更为复杂。由于来流挟带了大量泥沙，运用方式除常规的径流调节外，还要进行泥沙调节，协调蓄水与排沙矛盾，才能控制水库淤积，取得长远设计效益。本文以托什干河为研究对象，通过模型模拟研究泥沙管理设计方案的可行性，即在具有小流域。在研究区域拟建的离流位置修建水坝，形成拦沙池，通过导流坝和供水渠从托什干河提供水流进行泥沙冲洗，再通过重力管道流向水处理厂，也可提高周边县市供水的数量、质量和可靠性。

2.引水工程建模过程

据估计，托什干河平均总含沙量为8.06kg/m，每年可产生56万t的预计含沙量。为了进一步减少流入水库的泥沙，拟在导流坝下游约0.5km处沿供水渠修建一个拦沙池，但高泥沙负荷会在水库设计寿命内完全填满导流坝和拦沙池。因此，这两个设施的底部都设计有大型水闸，在不进行导流时用来冲洗泥沙。然而，由于托什干河的断续流态，水资源短缺，需要面对一个问题，即是否有足够的流量来满足设计要求，能频繁地对设施进行冲洗，以防止其淤积。为确定哪些引水—供水设计最能提供所需供水，同时最大限度地减少水库的泥沙负荷，本文对拟建引水工程的长期运作进行了详细的建模和分析。

图1 导流坝和拦沙池布局示意图

2.1 沉积物数据

托什干河沉积物粒度分布如表1 所示。样本是在乌什县附近3002号测量仪处采集的，该测量仪位于拟建导流坝下游约7km处。

表1 托什干河的平均沉积物粒度分布

测量仪观测到的流量和悬移质泥沙数据如图2所示。采用评级方程作为河流流量的函数来表示悬移质泥沙流量：=0.5，以kg/s为单位，以m/s为单位。该方程保留了观测数据的平均值，纳什效率系数（NSE）等于0.691（效率系数等于1减去估计的均方误差除以观测数据的方差）。

图2 托什干河的悬移质泥沙排放和流量排放

2.2 泥沙负荷的随机模型

利用SWAT水评估工具构建的流域水文模型，使用随机模型模拟了与模拟日流入量相对应的每日泥沙负荷。托什干河的悬移质泥沙排放被模拟为一个双参数伽马分布的随机过程，该过程是通过上述泥沙排放评级曲线的河流排放的函数。此分布概率密度函数由下式给出：

其中当0≤≤∞时＞0和当-∞≤≤0时＜0，＞0，Γ()是完整的伽马函数。形状参数α和β的矩估计方法是：

其中μ()和σ()分别是给定河流流量（m/S）和悬移质泥沙流量（kg/S）的平均值和标准偏差。μ()由悬移质泥沙排放等级方程（1）给出：

和标准偏差σ由以下表达式表示：

方程（5）中幂函数是基于σ()和的回归分析确定，NSE为0.738。该随机模型保留了评级曲线（1）给出的平均值，并捕获了悬移质泥沙流量数据的可变性。将随机生成的悬移质泥沙流量乘以1.2的系数以获得总泥沙流量数据。

2.3 GSTARS模型

GSTARS是一个半二维的水力和沉积数值模型，用于模拟河流和水库中有无活动边界的水流。本文利用GSTARS 模型对拟建的导流坝池和拦沙池进行了长期沉积和冲刷序列模拟，包括两个设施协调冲沙和引水作业的详细建模。在50年的模拟期内，使用上述水和泥沙的模拟流入量，每小时进行一次建模。使用 GSTARS模型模拟以下操作方案，以研究导流坝和拦沙池中泥沙清除效果。

3.方案模拟结果对比与分析

图3 不包括拦沙池时导流坝处的泥沙排放预算

在这种情况下，无论是否存在拦沙池，导流坝运行方式都是相同的，这导致导流坝出现大范围淤积。模拟表明，导流坝可能会积聚大量的泥沙，但在不进行导流时，这些泥沙可能会通过泄水完成部分清除。因此，拦沙池会提高整体泥沙清除效率。但如果不通过泄水来维持拦沙池，这种提高将在设计期内逐渐减少和消失。

GSTA RS预测，约77%的泥沙流入量发生在未进行导流时。这些泥沙负荷将通过导流坝的闸门和溢洪道，并继续沿托什干河向下流动。其余23%的泥沙流入量在导流坝蓄水和进行导流时到达。然而，由于河流流量经常超过渠道容量，这些剩余泥沙流中约有2/3通过闸门和溢洪道旁通，留下约7.5%的总泥沙量被转移到水库。GSTARS模拟出该方案下导流坝的平均泥沙清除效率为39%，这意味着只有约25000 t/年的泥沙通过渠道流入水库。拦沙池运行的前几年清除效率为21%，30年内清除率下降到几乎为零，设计期间的平均清除效率约为11%。