新疆阿尔塔什水利枢纽汛限水位及防洪调度研究

马苏文

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

阿尔塔什水利枢纽工程位于叶尔羌河山区干流河段,是流域控制性水利枢纽工程,承担防洪、灌溉、发电等综合利用任务[1]。水库正常蓄水位1820 m,死水位1770 m,装机容量755 MW,水库总库容22.49 亿m3,最大坝高164.8 m,为Ⅰ等大（1）型工程。工程由拦河坝、1#、2#表孔溢洪洞、中孔泄洪洞、1#、2#深孔放空排沙洞、发电引水系统、电站厂房、生态基流引水洞及其厂房、过鱼建筑物等主要建筑物组成。工程挡水建筑物设计洪水重现期为1000年一遇,洪峰流量Q=13500 m3/s；校核洪水重现期为10000年一遇,洪峰流量Q=18400 m3/s[2]。

2 水库防洪功能定位

2.1 叶尔羌河洪水特点

叶尔羌河地处欧亚大陆腹地,呈典型的干旱大陆性气候,其主要特点是：气温年内变化较大,日变化较大,空气干燥,日照长,蒸发强烈,降水量小。叶尔羌河由于其独特的补给特性造成其径流年内变化十分剧烈,六、七、八月三个月水量占全年总水量的60%以上,河流年内分配极不均。叶尔羌河并存冰雪消融型洪水、冰川“溃坝型”洪水、暴雨型洪水、混合型洪水四种不同类型的洪水,汛期经常发生暴雨洪水、融雪和暴雨叠加的混合型洪水及冰川堰塞湖溃决型洪水,洪水峰高流急,破坏性极大。叶尔羌河是新疆境内洪峰流量最大的河流,洪灾发生频率高,而且灾情严重,洪灾损失及频繁程度在新疆居第一位,素有三年两灾之说,是重点灾害性河流[3-5]。

2.2 防洪保护对象和防洪标准

叶尔羌河干流灌区主要分布在喀群渠首至艾里克塔木渠首河段,河道长325 km,是叶尔羌河主要的防洪保护河段。叶尓羌河干流无防洪自保能力的保护对象主要为沿线分布的城镇、乡村、居民点及耕地。按照防洪保护对象的重要性,可划分为重点保护对象和一般保护对象。其中叶尓羌河沿线分布有莎车县、泽普县、麦盖提县、巴楚县及第三师图木舒克市等主要县城,是叶尓羌河重点保护对象；沿河分布的乡村居民点和耕地为一般保护对象[6-8]。

通过对叶尓羌河防洪保护对象进行分析,重点防护保护对象防洪标准为50年一遇,一般保护对象防洪标准为20年一遇。

2.3 河道安全泄量

叶尔羌河灌区河段主要分冲刷破坏和淹没两种形式。对于冲刷破坏险工段主要依靠平原区建设护岸工程来解决；对于淹没破坏险工段主要依靠山区水库调蓄洪水、削减洪峰至河道安全泄量,从而解决灌区洪水淹没灾害损失问题。

为有效保障下游防洪保护对象防洪安全,2016 年～2018年针对叶尔羌河干流分期实施了79段河道防洪工程,建设长度约350 km,以堤防和护岸工程为主,工程投资约43 亿元。通过河道防洪工程的建设,考虑与阿尔塔什水库水利枢纽工程联合调度运行,使得叶尔羌河一般保护对象所在河段达到1750 m3/s（相当于2.5年一遇）的行洪能力、重点保护对象所在河段达到4270 m3/s（相当于10年一遇）的行洪能力,大大提高了河道防洪能力。根据流域总体防洪布局要求,结合目前已建防洪工程现状,阿尔塔什水库通过调蓄,满足防洪控制断面—喀群断面,一般保护对象安全泄量1750 m3/s和重点保护对象4270 m3/s的安全泄量下泄要求。

2.4 流域防洪总体布局

考虑到叶尔羌河防洪战线长、洪水灾害频发、洪水破坏性大、防洪损失影响大的特点,为有效保证流域防洪安全,充分利用山区水库的削峰滞洪,结合平原区河道防洪工程建设,流域防洪规划提出采用“库堤结合”的总体布局,治理叶尔羌河的洪水灾害[9]。由阿尔塔什水利枢纽承担叶尔羌河灌区防洪任务,与灌区河段防洪工程联合运行。近期结合灌区防洪工程建设,将叶尔羌河下游一般防洪保护对象防洪标准从不足2.5 年一遇提高到20 年一遇,重点防洪保护对象防洪标准从20 年一遇提高到50 年一遇,解决叶尔羌河防洪问题,造福叶尔羌河流域各族人民。

2.5 水库防洪库容

结合叶尔羌河流域防洪总体布局,通过阿尔塔什水利枢纽工程与河道防洪工程联合运行,当入库洪水小于20 年一遇时,水库调蓄下泄洪水不超过河道安全泄量1750 m3/s（2.5年一遇）；当入库洪水超过防洪高水位,表明入库洪水大于20 年一遇、小于50 年一遇洪水,水库调蓄下泄洪水不超过河道安全泄量4270 m3/s（10年一遇）,水库洪水调节所需防洪库容 1.14 亿 m3。

3 水库汛限水位技术经济比选

3.1 汛限水位方案拟定

阿尔塔什水库首要任务是承担下游防洪任务,可采用防洪与兴利库容结合方案,然而在不影响综合利用任务前提下,考虑工程区地形、地质条件,进一步降低汛限水位,可进一步减少坝体填筑或泄洪系统规模、减少工程投资,然而随着汛限水位降低,将减少汛期发电水头和满蓄率,降低电站发电效益,因此,汛限水位选择需通过综合技术经济比较确定[10]。

考虑到叶尔羌河冰川“溃坝型”洪水的不利影响,阿尔塔什水库设计洪水标准1000 年、校核洪水标准10000 年一遇,通过对坝顶超高及坝顶高程设计成果分析,当设计洪水位不超过1821.75 m,校核洪水位不超过1823.69 m,坝顶高程由正常蓄水位1820 m控制,坝顶高程最低,通过洪水调节计算,选择汛限水位1813 m时,水库以正常蓄水位控制坝高,此时水库坝顶高程为最低方案,即汛限水位1813 m为方案一；其次以防洪库容与兴利库容完全结合控制,当汛限水位为1815.4 m时,水库防洪高水位达到正常蓄水位1820 m,即汛限水位1815.4 m为方案三；方案二是在两方案水位之间拟定的中间方案,汛限水位为1814.2 m。三组汛限水位方案指标成果见表1。

表1 不同汛限水位方案指标成果表

3.2 汛限水位方案选择

（1）各方案综合利用要求分析

不同汛限水位方案均在正常蓄水位1820 m,死水位1770 m特征水位的前提下进行比选,均能够满足承担流域防洪、灌溉、发电及向塔里木河生态输水的综合利用要求,因此三组汛限水位方案对承担流域综合利用任务均一致。

（2）各方案能量指标分析

在满足流域综合利用要求的前提下,随着汛限水位的抬高,水库库容还有部分库容可以用来提高发电效益,汛限水位从1813 m增加到1815.4 m,随着汛限水位提高电站加权平均水头小幅增加,电站发电量也随之小幅增加。从动能指标增量来看,各方案发电量变化不大。

（3）各方案经济指标分析

水库汛限水位在1813 m～1815.4 m之间均不影响灌溉、生态供水。水库汛限水位在1813 m时水库防洪高水位在正常蓄水位之下,能够降低设计洪水位、校核洪水位,水库坝高由正常蓄水位控制,坝高较低,投资较省；水库汛限水位在1815.4 m时水库防洪库容与兴利库容完全结合,水库坝高由设计洪水位控制,与1813 m方案相比,坝高增加投资增加；从各方案差额内部收益率和经济净现值来看,方案一较优。

通过综合对比分析,汛限水位1813 m方案对水库承担流域综合利用任务没有影响,可减少工程投资,对能量指标影响较小,同时经济指标较优,因此确定水库汛限水位1813.0 m。

4 水库防洪调度方案

4.1 防洪调度的原则

（1）防洪调度按调度权限服从各级防汛部门调度。

（2）防洪体系联合运用,各工程措施应协调配合,充分发挥各工程设施和防洪体系整体的防洪作用。

（3）常遇洪水（一般洪水）、防洪标准对应洪水情况下,确保下游防洪保护对象的防洪安全。

（4）超过设计和校核洪水时,力保水库大坝安全。

（5）洪水来临前,控制库水位不超过防洪限制水位1813.0 m,洪水结束后尽快回落至防洪限制水位。

（6）正常运用期间,充分结合水情预报成果,采用入库流量和库水位作为控制运用的判断指标,按照泄洪建筑物的运用方式蓄泄洪水,当发生20 年一遇洪水时,库水位不超过一般保护对象对应防洪高水位；当发生50 年一遇洪水时,库水位不超过重点保护对象对应防洪高水位；发生设计洪水（1000年一遇）时控制库水位不超过设计洪水位。一般运行情况下,出库洪峰流量应小于时段洪水最大洪峰流量,避免人造洪峰。

（7）非常运用期间,当库水位已达到防洪高水位并将超过时,按照泄洪系统泄流能力泄洪,控制发生校核洪水（10000年一遇）时库水位不超过校核洪水位。

4.2 防洪调度运行方案

采用水库水位与入库流量作为防洪调度方式的判别条件。

一次洪水过程,当入库流量较小,控制泄洪建筑物的下泄能力控制水库出库流量,使其不大于水库坝址限泄流量1750 m3/s,维持防洪限制水位1813.0 m不变；当入库流量增加,水库水位低于一般保护对象对应防洪高水位1817.25 m,出库流量按坝址限泄流量1750 m3/s下泄；当入库流量继续增加,当流量大于20 年一遇小于50 年一遇洪峰,水库水位低于重点保护对象对应防洪高水位1817.63 m,出库流量按坝址限泄流量4270 m3/s下泄；当入库流量继续增加,水库水位超过重点保护对象对应防洪高水位1817.63 m,泄洪建筑物表孔溢洪洞、中孔泄洪洞敞泄；若入库流量继续增加,水库水位超过设计洪水位,泄洪建筑物敞泄,确保水库水位不超过校核洪水位1823.69 m；当入库洪水流量减弱,泄洪建筑物由敞泄逐步转为控泄,库水位回落至汛期限制水位,维持汛期限制水位不变。阿尔塔什水库防洪调度运行方案见表2。

表2 阿尔塔什水库防洪调度判别条件和泄洪方式

阿尔塔什水库防洪调度应根据干流上游布置的水文站实测流量和支流已建下坂地水利枢纽工程出库流量推算入库流量,结合遥感卫星动态监测和历史洪水形成规律分析,为水库预警、提前预泄和启动应急预案判定提供依据,实现水库精准调度管理。同时应建立与气象、国土和应急等部门的数据共享、应急会商和协调联动机制,提高防洪调度的有效性和可靠性。

5 结论

叶尔羌河洪水灾害频发,是新疆防洪重点治理河流之一。为保障叶尔羌河防洪安全,流域防洪规划提出“阿尔塔什水利枢纽+河道防洪工程”的堤库结合防洪工程总体布局。本文在阿尔塔什水库承担流域防洪功能定位研究的基础上,对水库汛限水位进行技术经济比较,提出较优的汛限水位方案,结合水库特征水位,提出“入库流量+水库水位”双重判别的防洪调度方案,为水库实际防洪调度提供参考,为保障流域防洪安全提供理论支撑。