阿尔塔什水库泥沙淤积及排沙调度模拟分析

如先古力·阿吾提

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 844700)

0 引言

阿尔塔什水利枢纽工程位于叶尔羌河干流流域，是控制性工程。水库流域山体两侧呈裸露状态，植被稀少，气候干旱少雨，物理分化特征显著。暴雨时，两岸沙质堆积物流入河道，导致高含沙量增大。塔里木河干流在生态供水基础上，采取排沙调度，减少灌溉、防洪与发电之间的矛盾，收获经济与社会双效益。此外，深入研究水库排沙调度，对流域水土保持、生态环境保护、水库稳定运行等，对提升水资源综合运用具有重要的现实意义。

1 水库基本情况

阿尔塔什水利枢纽工程位于叶尔羌河喀群水文站上游，水库坝址断面流域面积46445.6km2。工程已纳入叶尔羌河实现规划管理。阿尔塔什水库在保障生态供水的同时，也在一定程度上缓解防洪、灌溉与发电等冲突矛盾。水库日常运行水位1820m，库容21.29亿m3，死水位1770m，死库容8.69亿m3。天然环境变化导致库区河床缓慢下降，带来泥沙问题。

2 水库泥沙淤积分析

2.1 泥沙来源

叶尔羌河源头是喀喇昆仑山。调查结果表明：克鲁克栏杆水文站及其上流域有大量泥沙，组成叶尔羌河悬移质泥沙，在喀群站悬移质输沙总量中占86%。喀什库尔干河支流，含沙量较低。叶尔羌河流域植物稀少，两侧山体裸露，土壤被破坏引起水流冲蚀。夏季暴雨洪水产生洪峰流量，冲刷力把泥沙与土壤带入河道，导致河流泥沙量持续增加。因此，每年6—8月，泥沙量较大。

2.2 入库水沙特性

2.2.1 水沙年内变化

叶尔羌河长年月平均流量如表1所示，悬移质输沙量长年平均分配情况，如图1所示。综合分析，全年径流量分配不均衡：6—9月最大，占全年的79.77%。全年泥沙分配与径流量相似，也是6—9月泥沙量最多，占全年的96.11%。分析发现，泥沙量分配不均较为突出。

表1 喀群站径流分配

图1 喀群站悬移质分配图

2.2.2 水沙年际变化

喀群站50年流量如图2所示，含沙量如图3所示。根据相关数据发现，流量变化与含沙量的相关性明显。流量年间变化较小，含沙量变化较大。

图2 喀群站各年份流量图

图3 喀群站各年份含沙量图

2.2.3 输沙总量

阿尔塔什水库年入库悬移质输沙量2993.14万t。对无法检测的推移质输沙量，一般用推移质公式计算。以12.87%悬移质计算推移质量，得出385.30万t。悬移质与推移质泥沙总量3378.44万t。

(1)悬移质级配。检测泥沙粒径发现，河流泥沙粒径偏小，50%泥沙粒径不足0.1mm，干密度1.30t/m3。夏季径流量扩大，悬移质颗粒偏小，河水有大量泥沙，一旦河道变宽，会降低水流流速和挟沙能力，河流淤积泥沙。

(2)推移质级配。检测泥沙颗粒级配并统计数据：河床沙石粒径粗大，6.0～200.0mm，沙石占37%，200.0～300.0mm沙石占19%。

3 水库排沙调度模拟

叶尔羌河长年平均含沙量4.53kg/m3，阿尔塔什水库的库沙比为86.06，泥沙问题较严重。为缓解水库淤积与减淤排沙的矛盾，开展泥沙调度工作。根据兴利任务和水沙状况，通过泥沙调度，减少水库淤积量，使水库稳定运行。水库调水调沙前，综合了解水沙条件、水库淤积和叶尔羌河下游河道行洪状况，制定对策，以便提升下游河道输沙能力。

统计数据表明，6—8月洪水集中，该段时间为排沙关键期。一方面，了解泥沙淤积状况，另一方面，还要满足灌溉用水需求。8月，蓄水并开展兴利作业。但来水来沙量较大，高水位可能影响排沙，低水位无法获得较好的兴利效果，阻碍防洪发电。因此，为提高水库运行水平，兼顾排沙与兴利两方面要求，采取2种排沙调度方式。

方式①：前50年，5月水库正常运行，水位保持1820m。6月水位基本未下降，保持1813m。9月，中旬水位无波动，下旬水库蓄水，水位小幅升高且保持1820m。此后，水位未变化，直至次年4月。后50年，5月水库正常运行，水位未波动。6—7月汛期，排沙水位保持1770m。8月蓄水，同时择机排沙，水位保持1820m，蓄水运行，直至次年3月。

方式②：100年，采取相同运行方式。4月，水库蓄水至1820m。6—7月汛期，水位降至1770m，为排沙及兴利。8月水库蓄水，水位升至1820m，该水位保持到次年3月。

3.1 模型介绍

HEC-RAS是一维数学模型，包括恒定流模拟、非恒定流模拟、泥沙冲淤计算和水质分析计算。

3.1.1 恒定流水面线

HEC-RAS模型计算河道或河网恒定流水面线。根据糙率和扩散、收缩数据确定能量损失，水面线由逐段式方法计算，求出每个断面水位。能量方程为：

(1)

式中，Y1，Y2—断面1/2处水深；Z1，Z2—断面1/2处河道高程；a1，a2—断面1/2处流速；v2，v1—断面平均流速；g—重力加速度；he—水头损失。

3.1.2 非恒定流的模拟

用模型计算非恒定流水面线，得到渐变流数据。该法早期仅计算缓流，随着模型更新，发展为计算缓流、临界流和急流等。根据Robert和Barkau建立解方程的UNET模型，连续性方程为：

(2)

式中，Q—流量；x—流向的坐标点；A—过水断面；t—时间；q—侧向流量。动量方程为：

(3)

式中，v—流速；Z—水位；Sf—摩阻坡度。

3.1.3 可移动边界的输沙演算

用模型计算河道冲淤泥沙，也就是一维泥沙计算模型。采取不同方程计算。不平衡输沙方程为：

(4)

河床变形方程为：

(5)

式中，γ0—河床宽系数；As—河道冲淤产生的范围；Gsb—推移质输沙率；N—泥沙分组数；k—断面节点。

3.2 模型建立

(1)地形设置。模拟坝址及上游50km范围，用HEC-RAS软件与HEC-GeoRAS模块设计水库地形。

(2)边界条件设置。模型边界包括水流与泥沙2个要素条件。水流边界把流量作为上游边界条件，科学分析水库上游来水量。下游边界条件，指不同工况水位。计算间隔：流量较小的对应较大间隔；流量较大的对应较小间隔，一般为0.25～2.00/h。t是泥沙边界单位，用每个时间段水流量与含沙量计算来沙总量。

(3)粗率率定。糙率大小影响计算结果，反映河道边壁粗糙度、地质特征和断面形态等。阿尔塔什河道断面糙率0.026～0.043。

(4)其他参数选择。水温干扰泥沙输移，在3.0～10.5℃间。泥沙输移方程选择England-Hanson，排序方法选择Exner5，下降速度为Ruby法。

3.3 模型验证

(1)库容验证。根据模型计算对比库容与实际库容。模型库容接近现实库容，在1%上下波动，死库容误差4.28%。符合误差规范，模型地形达到精度要求，呈现出水库真实地形。

(2)水面线验证。改进模型糙率，搜集物理实验数据进行检验。选取1500m3/s评估断面糙率，数学模型与物理模型水线面存在±0.25m误差。

(3)冲淤平衡验证。用Engalan-Hanson方程模拟计算。结果表明，基于原始河道分析，河道运行30年，下游区域出现少量淤积泥沙现象。

(4)淤积量验证。计算数据来自1969—2019年水沙含量，循环计算，得出100年泥沙淤积规律。搜集坝址上游50km区域数据，模拟分析，用库区堆积冲淤数据检验模型。对前50年运行方式验证。结果表明：水沙系列实现概化，沙量与水量的总量保持原状，未有任何改变。根据计算结果，运行20年，误差为10.28%；运行40年，误差为7.32%；运行60年后，误差为2.37%；运行80年，误差为8.30%；运行100年，误差为5.98%。由此可知，模型计算结果近似物理模型试验，淤积量偏差未达15%。

3.4 泥沙淤积模拟

3.4.1 泥沙淤积特点

泥沙淤积模拟结果：库区为三角洲型淤积形态，逐步向坝前接近。前期泥沙淤积量较大，在库区集中，库容损失率提高。随时间增加，泥沙淤积总量持续增长，每10年泥沙淤积速度依次减缓。库容缩小，库容总损失率提高。汛期的淤积量较大，非汛期水流带走大量泥沙，淤泥泥沙量呈减少趋势。

2种排沙调度方式下，泥沙淤积形态有一定差异。方式①运行50年，呈现三角洲型式淤积形态，逐步靠近坝前，坝体上游15.38km处泥沙淤积到最厚。方式②运行50年，坝体上游9.13km处泥沙淤积最厚。相对来讲，方式②三角洲形态更靠近坝址。2种方式运行100年，坝址均呈现三角洲形态。

对比坝前泥沙淤积高度：100年运行阶段，方式①产生高程1774.6m、沙堆积厚82.2m泥；方式②产生高程1723.44m、泥沙堆积厚61.04m。分析发现，后者对坝前泥沙淤积高程有一定限制作用，避免水电站进水口堵塞。

3.4.2 库容及淤积量

2种排沙调度方式下，库容剩余量及库容淤损比有一定差异，在1770～1820m水位，不同方式泥沙沉淤状况如图4所示。水库运行50年，库容淤损比：方式①蓄水后44.69%，方式②为44.17%，两者差异不显著。死库容淤损比：方式①为47.40%，方式②为59.78%，就死库容淤积量而言，后者偏大。调节库容淤损比：方式①产生42.82%，方式②产生33.41%，表明方式②保留更多有效库容，提高水库运行效率。100年后，方式②死库容泥沙淤积量超过方式①；方式②调节库容剩余量高于方式①，且未淤积大量泥沙。综合评估后，方式②效果更佳。

图4 2种方式库容与淤积量

3.4.3 水库排沙比

2种方式排沙比如图5所示。对比各个时间段排沙比无明显差异：运行前50年，方式①有较大排沙比，运行后50年，方式②排沙比略高于方式①。

图5 2种方式排沙比

对比上述结果可知，坝址淤泥淤积高程较小的是方式②，预防进水口堵塞，调节库容产生较大剩余量，有效控制泥沙淤积量，符合水库运行要求。

4 结语

通过对阿尔塔什水库泥沙淤积状况的分析，可以看出，阿尔塔什工程在2种排沙调度方式下，泥沙淤积全部呈现三角洲型式淤积，并随着时间的延长而渐进地向坝前推进。前期泥沙淤积量较大，大部分泥沙淤积在水库内，库容损失较快。随着使用时间的延长，总泥沙淤积量在持续增加。结合此况，通过综合对比2种运行方式，得出：运行方式①的各年份排沙比，与运行方式②相比差距较小；在前运行50年间，运行方式①排沙比稍大；后50年，运行方式②排沙比稍大。因此，确认运行方式②为优选。综上，水库水位高低直接影响泥沙淤积量，关涉水资源利用效益。因此，应根据泥沙淤积量及水库兴利等要求，综合分析，统筹设计，合理安排，理论结合实践，推动区域水资源综合管理与利用迈上新台阶。