沙尔托海水利工程泥沙淤积分析

孟祥凯

(塔城水利设计研究院有限公司乌鲁木齐分公司，新疆 乌鲁木齐 830022)

1 概 况

工程位于大河沿子河流域，大河沿子河上游草木茂盛，水土保持条件较好，含沙量相对较小。在低山区部分范围内，两岸植被稀疏，山体裸露，风化和风碛作用强烈，一旦进入汛期暴雨将两岸松散风积物带入河道，尤其遇大暴雨洪水时，河道泥沙有所增加，冰雪融化和暴雨洪水是大河沿子河泥沙产生的主要原因[1-3]。

结合新疆沙尔托海水利枢纽二期工程实际情况，采用实测库容法对水库泥沙进行预测分析。

2 参证站泥沙分析

大河沿子河无实测泥沙资料，选用邻近流域自西向东的温泉水文站、精河山口水文站作为参证站。

温泉水文站作为博尔塔拉河上的主要控制站，本次收集了该站1983—1989年、1992—2020年共36年实测输沙率及输沙量资料。该站多年平均悬移质输沙量18.00万t，流域面积2188 km2，年径流量3.183亿m3，输沙模数82.3t/km2，悬移质含沙量0.564 kg/m3。最大年输沙量为46.30万t(2002年)，最小年输沙量为1.06万t(2009年)，最大年输沙量为最小年输沙量的44倍。

精河山口水文站作为精河上的主要控制站，本次收集了该站1958年、1967—1971年、1976—1979年、1981—1997年共27年实测输沙率及输沙量资料。该站多年平均悬移质输沙量37.10万t，流域面积1419 km2，年径流量4.627亿m3，输沙模数261.0 t/km2，悬移质含沙量0.803 kg/m3。最大年输沙量为108.00万t(1967年)，最小年输沙量为8.41万t(1985年)，最大年输沙量为最小年输沙量的13倍。

3 推悬比和排沙比分析

对于改扩建水库工程，在水库淤积计算，首先使用实测资料计算入库泥沙的推悬比和排沙比。沙尔托海水库一期工程建成运行期间没有监测水库的入库泥沙和出库泥沙，故在本次水库泥沙淤积计算中仍借用推悬比和排沙比经验值。收集新疆维吾尔自治区其他水库推悬比和排沙比资料，并分析对比两个参数借用的合理性见表1、表2。

表1 水库分析成果

表2 推悬比和排沙比分析成果 %

通过对5个水库工程的自身特点和所在流域的水沙特性及采用的推悬比和排沙比分析，并结合沙尔托海水库自身特点和所在河流大河沿子河的水沙特性，确定推悬比取15%；水库运行10 a内，平均排沙比取38%；水库运行11～20 a内，排沙比取47%；水库运行21～30 a内，排沙比取 50%；水库运行31～40 a内，排沙比取51%；水库运行41～50 a内，排沙比取53%。

4 水库泥沙淤积计算

沙尔托海水库于2011年开工建设，2013年10月1日正式下闸蓄水，正常蓄水位604.14 m。新疆水电设计院于2010年9月完成沙尔托海水库库区原始地形图测量，塔城地区水利水电勘察设计院分别于2017年4月、2021年5月完成沙尔托海水库库区地形图测量包含水下地形，制作了水位～库容曲线见图1、2010—2021年不同高程区间淤积分析图，见图2。

图1 沙尔托海水库水位～库容关系曲线

图2 2010—2021年区间淤积计算成果

由图1可知，2010—2021年水库泥沙淤积量增大，库容减小。其中，2010—2017年间水库泥沙淤积量增大，库容减小；2017—2021年间水库整体呈现泥沙冲刷现象，库容增大。由图2可知，沙尔托海水库2010年到2021年，库区泥沙淤积量最大的区域是在570～572 m高程区间(图2)，淤积量为3.98万m3；淤积量最小的是在566～568 m高程区间，淤积量为0.18万m3。

4.1 泥沙纵向、横向淤积形态分析

(1)泥沙纵向淤积形态分析。绘制沙尔托海水库一期工程建成后2017年和2021年水库沿程库底高程线，用来分析沙尔托海水库库区淤积纵向形态变化规律。在沙尔托海水库一期工程运行期2017—2021年间：距大坝0～477 m、968～1174 m纵形态呈现水库泥沙冲刷；距大坝1402～1649 m纵形态呈现水库泥沙淤积；其他地方纵形态水库泥沙冲淤基本平衡，纵形态水库泥沙总体程现冲刷现象。

(2)泥沙横向淤积形态分析。在水库一期工程运行的2017—2021年间上游断面泥沙淤积变化可知：高程在586～588 m之间，断面左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷；高程在588～590 m之间，断面左右岸泥沙均淤积；高程在590～592 m之间时，断面左岸泥沙冲刷，右岸泥沙淤积；高程在592～596 m之间时，断面左岸泥沙不冲刷不淤积，右岸泥沙冲刷；高程在596～598 m之间时，断面左右岸泥沙均不冲刷不淤积；高程在598～602 m之间时，断面左右岸泥沙均冲刷；高程在602～620 m之间时，断面左右岸泥沙均不冲不淤。2017—2021年间，上游断面泥沙淤积变化呈现左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷状。

在水库一期工程运行的2017—2021年间，中游断面泥沙淤积变化可知：高程在576～578 m之间时，断面左右岸泥沙均冲刷；高程在578～584 m之间时，断面左右岸泥沙均淤积；高程在584～588 m之间时，断面左岸泥沙不冲不淤，右岸泥沙冲刷；高程在588～594 m之间时，断面左右岸泥沙均冲刷；高程在594～596 m之间时，断面左岸泥沙不冲不淤，右岸泥沙淤积；高程在596～600 m之间时，断面左岸泥沙不冲不淤，右岸泥沙冲刷；高程在600～620 m之间时，断面左右岸泥沙均不冲不淤。2017—2021年间，总体来看中游断面泥沙淤积变化为左、右岸均呈现泥沙冲刷状。

2017—2021年间，下游断面泥沙淤积变化可知：高程在572～576 m之间时，断面左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷；高程在576～578 m之间时，断面泥沙不冲刷不淤积；高程在578～586 m之间时，断面左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷；高程在586～590 m之间时，断面左岸泥沙不淤积不冲刷，右岸泥沙淤积；高程在590～592 m之间时，断面左岸泥沙不淤积不冲刷，右岸泥沙冲刷；高程在592～596 m，断面左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷；高程在596～604 m之间时，断面左岸泥沙不淤积不冲刷，右岸泥沙冲刷；高程在604～620 m之间时，断面左右岸泥沙均不冲刷不淤积。2017—2021年间，下游断面泥沙淤积变化为左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷，总体来看呈现微弱泥沙冲刷状态。

4.2 泥沙淤积量计算

(1)水库淤积计算。沙尔托海水库工程(一期)建成蓄水后到2020年期间的水库泥沙淤积总量，可以通过对比沙尔托海水库工程(一期)蓄水前水库水位～库容曲线(2010年实测)和2020年库区实测地形率定的水库水位～库容曲线得到。通过对参证站来水来沙规律分析可知，10月—次年5月枯期来水来沙少，故2013年10—12月、2021年1—5月不加入计算，由此计算得到沙尔托海水库2014—2021年泥沙淤积总量为42.6万m3。本次计算推悬比采用0.15，推移质干容重取1.70 t/m3，悬移质干容重取1.36 t/m3。

推悬比(β)为推移质和悬移质的质量比，需转换为推移质和悬移质的体积比(β体积)，计算得出推移质和悬移质的体积比(β体积)为0.12，则2014—2020年沙尔托海水库推移质淤积容积为4.56万m3，推移质淤积量为7.76万t，推移质年平均淤积量为1.11万t/a。

2014—2020年沙尔托海水库悬移质淤积容积为38.0万m3，悬移质淤积量为51.7万t，悬移质年平均淤积量为7.39万t/a。

(2)出库泥沙计算。本次收集到2014—2020年沙尔托海水库工程(一期)坝前水位站人工观测资料，以2014年、2020年为例绘制了水库调度运行图，见图3、图4。根据2014—2020年沙尔托海水库工程(一期)水库调度运行图以及现场人员调查结果可知：每年根据上游来水情况以及下游灌溉的需要，沙尔托海水库蓄水基本在11月和12月，其他月份基本不蓄水。为了在洪水期排沙，水库降至死库容的时间为6—8月，洪水主要集中在6月、7月、8月，即这3个月为洪水期，来水含沙较多，这3个月的泥沙量根据参证站多年平均输沙年内分配计算几乎占全年的90%以上，这3个月水库不蓄水，处于放空排沙工况。沙尔托海水库运行10 a内排沙比为38%，即推移质年平均出库量为0.679万t/a，悬移质年平均出库量为4.53万t/a。

图3 沙尔托海水库工程(一期)2014年水库调度运行

图4 沙尔托海水库工程(一期)2020年水库调度运行

(3)入库泥沙计算。根据计算，沙尔托海水库泥沙年平均入库量为13.70万t/a，推移质年平均入库量为1.78万t/a，悬移质年平均入库量为11.90万t/a。

综上，沙尔托海水库坝址断面径流量为1.256亿m3，多年平均含沙量为1.090 kg/m3，推移质多年平均为0.142 kg/m3，悬移质多年平均为0.949 kg/m3。

5 结 论

通过与类似项目对比分析，确定在项目设计中推悬比取15%，水库运行10～50 a内，平均排沙比取38%～53%。根据实测库容分析，纵形态水库泥沙总体呈现冲刷现象，上游断面泥沙淤积变化呈现左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷状。中游断面泥沙淤积变化为左、右岸均呈现泥沙冲刷状。下游断面泥沙淤积变化为左岸泥沙淤积，右岸泥沙冲刷，总体来看呈现微弱泥沙冲刷状态。沙尔托海水库坝址断面径流量为1.256亿m3，多年平均含沙量为1.090 kg/m3，推移质多年平均为0.142 kg/m3，悬移质多年平均为0.949 kg/m3。