乌鲁瓦提水库排沙设施闸门调度运用研究

托尔巴衣尔，陈松伟，韩方军，彭慧荣，陈 齐，田国政

(1.新疆维吾尔自治区乌鲁瓦提水利枢纽管理局， 新疆 和田 848000；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司， 河南 郑州 450003)

乌鲁瓦提水利枢纽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、发电、改善生态等综合利用效益，枢纽控制流域面积19 983 km2，电站装机容量60 MW(4台×15MW)，由主坝、副坝、溢洪道、泄洪排沙洞、冲沙洞及发电引水洞等主要建筑物组成[1]，工程布置见图1。水库校核洪水位1 963.29 m，相应库容3.336亿m3；正常蓄水位1 962.00 m，相应库容3.227亿m3；死水位1 924.00 m，相应库容0.984亿m3。自1998年建成投入运用至2019年，水库累计淤积1.09亿m3，其中死水位以下淤积0.895亿m3，死库容淤损率为91.0%。死库容大量淤积导致水库应急抗旱库容损失殆尽，随着今后水库运用，水库淤积可能会进一步侵占水库的兴利库容，影响水库综合利用效益的发挥。

2020年7月下旬，区域局地形成强烈的地形性降水，地表径流裹挟大量泥沙入库并与洪水相互叠加，水流携带大量泥沙进入泄洪排沙洞，遇到工作门阻挡后形成堆积，堆积不断加剧延伸导致整个泄洪排沙洞壅堵，在泄洪排沙洞进口形成10 m左右的锥状堆积体，导致泄水排沙通道淤塞。

为了延缓水库淤积、保障水库运行安全，充分发挥乌鲁瓦提水利枢纽综合利用效益，本文在分析乌鲁瓦提水库冲淤分布特征、入库流量及运用水位与库区冲淤关系、排沙设施闸门调度运行情况的基础上，提出了排沙运用指标、闸门调度运用方式，为水库排沙调度运用提供了技术支撑。

图1 乌鲁瓦提水利枢纽工程平面布置图

1 排沙设施概况

乌鲁瓦提水利枢纽排沙设施主要有泄洪排沙洞及冲沙洞。

泄洪排沙洞位于坝址右岸，采用“龙抬头”式的布置形式，全长876.5 m，由引水渠、进水塔、有压隧洞、工作闸井段、龙抬头曲线段、结合利用段、隧洞出口段等部分组成，最大泄量1 130 m3/s。进水塔底板高程1 885.00 m，内设一道7 m×8 m的平板事故钢闸门；工作闸井段长20.50 m，闸底高程1 884.30 m，内设一道6 m×6 m的弧形工作钢闸门。

冲沙洞位于左岸山体中，由进水塔、有压洞段、工作闸井段、无压洞段、出口明渠段和交通洞等部分组成，最大设计流量123 m3/s。进水塔底板高程1 894.00 m，内设一道3.5 m×4.0 m的平板事故钢闸门，工作闸井段长10.0 m，底板高程1 880.56 m，设有一道2.5 m×2.5 m的弧形工作钢闸门[2]。

2 水库实际运用情况

2.1 运用水位

乌鲁瓦提水库2002年—2020年年内各月平均运用水位情况见图2。水库5月—7月运用水位较低，平均在1 930.50 m～1 936.10 m之间；8月份运用水位有所抬高，平均水位1 952.05 m，逐步向非汛期过渡；9月—翌年4月，坝前水位一般维持在1 945.10 m～1 961.50 m。汛期不同水位出现天数见图3，汛期水位低于1 924.00 m年均出现4.8 d，占5.3%，大部分时间水库水位在1 924.00 m～1 959.50 m，出现天数占88.3%，水位超过1 959.50 m出现天数为5.9 d，占6.4%。

图2 乌鲁瓦提水库年内各月平均水位变化图

图3 乌鲁瓦提水库汛期水位分布图

2.2 排沙设施闸门调度

乌鲁瓦提水利枢纽近期2017年—2020年排沙设施闸门调度运行情况见表1。冲沙洞平均过流时间为1 583 h，泄洪排沙洞平均过流时间为771 h。冲沙洞工作闸门平均开度为0.84 m，泄洪排沙洞工作闸门平均开度为1.48 m。

表1 乌鲁瓦提水利枢纽排沙设施闸门调度运行情况

根据排沙设施下泄流量过程(见图4)，一般情况下，在6月份主要通过冲沙洞泄流排沙，下泄流量不大于60 m3/s；7月份同时开启冲沙洞及泄洪排沙洞，泄洪排沙洞下泄流量不超过400 m3/s，冲沙洞下泄流量不超过100 m3/s；8月上中旬主要通过泄洪排沙洞泄流排沙，下泄流量一般不超过400 m3/s。

只开启冲沙洞时，冲沙洞下泄流量占出库流量的比例为30%左右；只开泄洪排沙洞时，泄洪排沙洞下泄流量占出库流量的比例为80%左右；冲沙洞与泄洪排沙洞同时开启时，冲沙洞、泄洪排沙洞下泄流量分别占出库流量的15%、75%。

图4 排沙设施闸门下泄流量过程

3 水库排沙运用指标

根据各月平均淤积量及入库沙量分布图(见图5)，水库年均入库沙量为582万t，6月—8月来沙量占全年的90.5%。水库年均淤积量为427.4万t，淤积也主要集中在6月—8月，占全年淤积量的88.7%，其中8月份淤积量占42.7%。8月份淤积量较大，一方面是由于来沙量多，另一方面是由于该月水库运用水位较高(见图6)。

图5 各月平均淤积量与来沙量分布图

图6 各月平均淤积量与运用水位分布图

根据水库汛期日均冲淤量与日均入库流量的关系(见图7)，水库冲淤量与入库流量呈正相关关系，当入库流量大于200 m3/s时，水库淤积量明显增加。根据水库汛期日均出库输沙率与水库最低运用水位的关系(见图8)，水库冲淤量与运用水位呈反相关关系，当水库运用水位高于1 924.00 m时，出库输沙率明显降低。

图7 冲淤量与入库流量关系

根据入库水沙过程分析，汛期入库流量大于200 m3/s出现几率为40%，可以为水库排沙提供充分的水流动力条件。因此，为减少水库淤积，避免泄流排沙设施淤堵，当入库流量大于200 m3/s时，可以降低水库运用水位至1 924.00 m进行排沙运用。

图8 出库输沙率与运用水位关系

4 水库排沙设施闸门调度运用方式

4.1 闸门调度方案拟定

根据国内外关于水库淤积及排沙运用理论及实践经验[3-10]，结合乌鲁瓦提水库的具体问题研究[11-16]，认为通过大流量低水位运用可以明显提高水库排沙效率。根据本次分析成果，乌鲁瓦提水库淤积主要集中在6月—8月，从有利于水库排沙、避免排沙设施闸门发生淤堵的角度出发，当6月—8月入库流量大于200 m3/s时，可以通过降低水位至1 924.00 m进行排沙运用。

水库排沙水位按1 924.00 m控制运用，入库流量按300 m3/s、400 m3/s两种情况考虑，以保证排沙、兼顾发电为原则，拟定的排沙设施闸门调度方案见表2。方案1与方案2是在运行不同发电机组发电情况下(4台机组满发流量90 m3/s，单台机组发电流量22.5 m3/s)，只打开泄洪排沙洞进行排沙运用；方案3与方案4是在运行不同发电机组情况下，同时打开泄洪排沙洞与冲沙洞进行排沙运用。

4.2 计算方法

通过构建乌鲁瓦提水库区平面二维水沙模型，用于分析不同闸门调度方案下库区冲淤变化。

模型验证：起始地形采用2019年汛前实测地形资料，利用数字化高程生成技术生成库坝区三维数字高程地形(网格布置见图9)；验证地形采用2019年汛后实测大断面；进口水沙条件采用2019年6月—8月入库流量和含沙量过程资料，出口采用该时段实测库水位资料。验证过程中，沿程布置典型验证断面，将河床冲淤变形横断面计算成果与实测成果进行比较。

验证结果表明：在计算时段内，库区总淤积量为300.5万t，与实测值320.3万t相差不大。图10给出了库区典型断面河床冲淤变形计算成果与实测成果的比较，由图可知，验证计算成果与实测成果也吻合较好。

表2 泄流排沙设施闸门调度方案表

图9 库区网格布置图

图10 典型断面冲淤验证图

4.3 计算结果

排沙设施闸门不同调度方案计算冲淤量见表3。

表3 工况2泄流设施调度方案计算冲淤量统计表

在入库流量300 m3/s(入库含沙量2.8 kg/m3)的条件下，入库沙量为43.55万t，方案1—方案4库区冲刷量分别为96.86万t、99.32万t、87.38万t、89.34万t；在入库流量400 m3/s(入库含沙量4.3 kg/m3)的条件下，入库沙量为89.16万t，方案1—方案4库区的冲刷量分别为139.67万t、141.57万t、125.85万t、125.78万t。从有利于库区减淤角度分析，方案2均优于其他方案。入库流量400 m3/s条件下，方案2(只打开泄洪排沙洞进行排沙运用)库区冲淤分布见图11，坝前流速分布见图12，方案4(泄洪排沙洞与冲沙洞联合运用)库区冲淤分布见图13，坝前流速分布见图14。可以看出，两个方案下，库区主槽均发生明显冲刷，冲刷深度在1 m左右。坝前2 km范围形成明显的回流区，导致近坝段发生淤积，方案4淤积厚度在0.6 m以上的范围大于方案2。两个方案坝前主流均偏右，方案2泄洪排沙洞泄流量较大，长时间通过泄洪排沙洞进行排沙更有利于防止泄洪排沙洞闸门发生淤堵。

因此，在水库进行排沙运用时，考虑优先保证排沙、同时兼顾发电，推荐通过泄洪排沙洞排沙，并尽量加大闸门开度，使其分流比达到90%以上，利用其泄放的大流量将水位降至1 924.00 m进行排沙运用，同时利用多余水量进行发电运用。

图11 400 m3/s条件下方案2库区冲淤分布图

图12 400 m3/s条件下方案2坝前流速分布图

图13 400 m3/s条件下方案4库区冲淤分布图

图14 400 m3/s条件下方案4坝前流速分布图

5 结 论

(1) 乌鲁瓦提水库淤积主要集中在来沙量较大的6月—8月，其中8月份淤积量较大，一方面是由于来沙量较多，另一方面是由于该月水库运用水位较高。

(2) 当入库流量大于200 m3/s时，水库淤积量明显增加；当水库运用水位高于1 924.00 m时，出库输沙率明显降低。因此，为减少水库淤积，当入库流量大于200 m3/s时，可以降低水库运用水位至1 924.00 m进行排沙运用。

(3) 一般情况下，水库在6月份主要通过冲沙洞泄流排沙，下泄流量占出库流量的30%左右；7月份同时开启冲沙洞及泄洪排沙洞泄流排沙，冲沙洞、泄洪排沙洞下泄流量分别占出库流量的15%、75%；8月上中旬主要通过泄洪排沙洞泄流排沙，下泄流量占出库流量的80%左右。

(4) 构建的乌鲁瓦提水库区平面二维水沙模型能较好的反映库区的总体冲淤情况，可以用于分析不同闸门调度方案下库区冲淤变化及水流运动情况。通过对比库区冲淤量，考虑优先保证排沙、同时兼顾发电，推荐的排沙设施调度运用方式为：在水库进行排沙运用时，尽量通过泄洪排沙洞排沙，并尽量加大闸门开度，使其分流比达到90%以上，利用其泄放的大流量将水位降至1 924.00 m进行排沙运用，同时利用多余水量进行发电运用。