新疆石门水库设计中的泥沙淤积分析研究

古丽菲娅·吾斯曼

(新疆维吾尔自治区水文局水文实验站，新疆 乌鲁木齐 830000)

在河流上修建水库，是人类开发水力资源、利用水资源和治理河流的一种有效的技术手段，水库在给人类带来巨大的社会经济效益的同时，也给天然河流的环境带来新的影响，水库泥沙淤积就是其中之一。河流上特别是多沙河流上修建水库将破坏天然河流水沙条件与河床形态的相对平衡状态[1]，使水沙条件和河床形态重新调整，库区水位壅高，水深增大，水面比降减缓，流速减小，水流输沙能力显著降低，大量泥沙在库内淤积，其结果是不仅导致水库有效库容减小，原设计的防洪、发电、灌溉等兴利指标不能全部实现，更严重的是将威胁水库寿命[2]。由于水库泥沙淤积，使得水库调节库容减小、效益下降，严重影响水库使用寿命，如果设计和使用不当，水库有完全淤废的可能。因此，如何通过水库优化设计和调度运用，使得水库有效库容得以长期保留，是在水库规划设计阶段就必须加以解决的技术问题。本文将采用一维水流非均匀不平衡输沙数学模型，就新疆兵团新建苏塘灌区的石门水库泥沙淤积问题开展研究。

1 区域概况

新疆兵团所在的且末县位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州(以下简称巴州)南部，昆仑山、阿尔金山北麓，塔里木盆地东南缘。东与若羌县交界，西与和田地区民丰县接壤，南屏阿尔金山、东昆仑山与西藏自治区为界，北部深入塔克拉玛干大沙漠与尉犁县相望，西北相邻阿克苏地区沙雅县，东西最宽320 km，南北最长460 km，总面积14.025万 km2。苏塘灌区水利工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州的且末县境内，是新疆生产建设兵团和新疆兵团农二师的重点水利建设项目，也是当地急需实现的首要基础设施。它的开发建设将会有力地推进且末垦区的全面建设，使工程全面发挥应有的经济效益、社会效益和生态效益。苏塘灌区水利工程(一期)开发规模18万亩，主体工程由水源工程、输水工程、灌区工程和生活工业用水水源地四部分组成。石门水库[3]是其中一项关键性水利工程，为预测石门水库的库容变化，需要对水库泥沙淤积和水库运用方式进行研究。通过研究，给出水库不同运行方式下，水库的泥沙淤积量、淤积部位、淤积纵剖面、坝前淤积高程、不同使用期限内的库容变化、排沙比等，为石门水库规模确定、运用方式优化、延长水库使用寿命和长期发挥水库的综合效益提供技术支持。

2 研究方法

本文采用韩其为院士非均匀沙不平衡输沙理论[4]，建立了石门水库泥沙淤积的数学模型。该数学模型理论基础强，考虑因素较全面，计算内容丰富，输出信息量大，不仅能对冲淤量、水位等一些常规量进行模拟，而且对悬沙、床沙的级配变化、断面变形、深泓变化等也能进行计算。基于韩其为院士的非均匀不平衡悬移质输沙理论建立的水库泥沙淤积数学模型已在三峡水库运用方式优化和泥沙淤积预测、三峡水库运用方式调整、小浪底水库运用方式与泥沙淤积关系等国内外众多水库泥沙淤积计算中得到应用，其模拟结果己被大量实测资料所证实。利用该模型研究水库泥沙淤积已涵盖从特大型水库到中小型水库，从低含沙量水库到高含沙量水库，从不断流水库到季节性断流水库等各种不同条件的水库，可以说该模型已经得到了全面检验。因此，利用该模型研究石门水库泥沙淤积是合适的，所得的结果可以作为水库设计和运用方式选择的依据。下面对该数学模型的基本原理进行简单介绍[5]。

2.1 水力因素计算

一维恒定非均匀流的水流运动方程为：

(1)

采用有限差分方法，可以写成如下的有限差形式：

(2)

式中：H为水位(m)，n为曼宁糙率，Q为流量(m3/s)，B为水面宽(m)，A为过水面积(m2)，g为重力加速度(m/s2)，△x为断面间距(m)，脚标i表示时段，j表示断面编号，计算时，给定出口断面的水位及进口断面的流量，便可计算出各断面的水位。

2.2 含沙量计算

对于均匀泥沙而言，一维恒定非均匀流含沙量沿程变化的方程为：

(3)

当泥沙为非均匀沙时，其分组泥沙在水流中的运动仍然遵从方程(3)所描述的规律。如果假定分组挟沙能力沿程线性变化，对方程(3)进行积分并求和可得到不平衡非均匀沙的含沙量计算公式：

(4)

其中：

(5)

(6)

(7)

(8)

此处S为悬移质含沙量(kg/m3)，为水流挟沙力(kg/m3)，Pl为悬移质级配，Pl为第Z组粒径泥沙沉速(m/s)，L是不均匀泥沙分组总数，盟为恢复饱和系数，淤积时取1.0，冲刷时取0.25，k0为挟沙能力系数，需要实测资料率定确定。

表1 石门水库设计典型年日流量过程 m3/s

2.3 泥沙淤积计算

泥沙淤积面积方程：

(9)

式中：Δai，j为断面冲淤面积，其他符号意义同前。当Δai，j为正时，是淤积状态；当Δai，j为负时，是冲刷状态。

图1 设计典型年日均流量和含沙量过程

2.4 边界状态

数学模型在进行计算时，进口断面给定流量、含沙量过程，以及悬移质级配，出口断面给定水位和流量过程。区间如有支流入汇或取排水，还应给定相应水沙资料。计算初始时，应基于实测的大断面资料，在计算中根据计算的冲淤量对初始断面进行修正。另外计算开始时将床沙分层，并给出可冲的床沙层数和各层的泥沙级配。

3 实例研究

石门水库坝址附近现有一个水文站，该水文站从2014年开始进行水文泥沙测验，至2017年共有4 a测验资料。在研究水库运用方式与泥沙淤积时，需要确定合理的入库水沙系列。为此，利用已有的几年实测资料，设计了典型年水沙过程。典型年的流量过程是以2015年和2016年实测日均流量为基础，以年均径流量3.08亿 m3为控制，进行同比缩放得到的。典型年的日均含沙量过程则根据各月的日输沙率与流量关系并依据典型年日均流量推算得到，期间年均悬移质输沙量253万 t以及实测月份输沙量的比例作为控制和约束条件。设计得到的典型年水沙过程如表1和表2所示，设计典型年日均流量和含沙量过程如图1所示。

表2 石门水库设计典型年日含沙量过程 kg/m3

4 结语

泥沙淤积对于水库正常运行产生了巨大的负面影响。本文基于非均匀不平衡输沙理论，建立了石库泥沙冲淤数学模型，根据石门水库坝址附近河段水文泥沙测验资料，初步分析了入库水沙特性，给出了各月的输沙率与流量关系，建议采用年均径流量3.08亿 m3和悬移质输沙量253万 t作为入库水沙条件，设计了入库典型年水沙过程。库泥沙淤积与运用方式密切相关，正常运用水位对水库规模和有效库容影响较大。汛期控制水位越高，泥沙淤积越多；正常运用水位越高，泥沙淤积也越多；如果在高含沙量时采用更低的排沙水位，对减少水库淤积有比较明显的效果；在汛期运用方式相同时，正常水位越高，水库规模和有效库容越大。研究结果为相关水库设计提供一定的参考。