新疆多沙河流水库调度排沙运行方式的研究

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【摘要】本文以新疆米兰河山口水利枢纽为例，根据泥沙特性，在汛期通过不同时段降低库水位排沙运行方式比较，分析对供水量和库容的影响，初步确定了合理地运行方式，较好地解决了多沙河流地区的汛期排沙、蓄水和有效库容之间的矛盾，也是对多沙河流水库泥沙调度的进一步研究。

【关键词】多沙河流；水库调度；排沙运行方式

A Study on The Operation Mode of Discharging Sediment to Reservoir Operation on Sediment-laden River at Xinjiang

――With Milan River at The Mountain Pass Hydro-junction Project as Example

Dong Yan-hong

(Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute of XinjiangUrumqiXinjiang830000)

【Abstract】According to sediment characteristics ,this article compared to the operation mode of discharging sediment. in the flood by stages of reducing the water level , In this paper, the impact of water supply quantity and reservoir capacity were analyzed to determine a reasonable preliminary operation mode, a better solution to the contradiction between Sediment releases during the flood season, water storage and the effective capacity at the sediment-laden rive areas, but also on sandy river reservoir sediment scheduling further study.

【Key words】Sediment-laden river;Reservoir operation;Operation mode of discharging sediment

1. 前言

新疆是一个多山地区，特殊的地理位置和地形条件，使得山区成为河流泥沙的发源地。新疆河流所处流域植被覆盖率、地质情况以及气候条件等存在较大差异，各河流含沙量相差较大。南疆河流含沙量普遍较大，北疆河流含沙量较小。河流悬移质含沙量介于0.05～13Kg/m3之间，悬移质输沙量年内分配极不均匀，输沙量主要集中于4～9月。高含沙水流进入水库后，既可能加速淤积，水库泥沙淤积将会对水库综合效益的发挥产生一定的影响，甚至直接影响到水库的使用寿命。然而，多年来，我国在水库淤积方面开展了大量的工作，取得了一系列的研究成果，并成功地提出了在多沙河流上长期保持水库有效库容的“蓄清排浑”运行模式［1］，这些举世瞩目的成就得到了国际同行的公认。考虑到来沙高度集中于汛期的特点，汛期降低库水位排沙，非汛期蓄水抬高水位以兴利的“蓄清排浑”水库调度方式运用，可以有效控制水库淤积量和淤积部位。但针对不同的河流、泥沙、地形及水库特点，水库泥沙调度方式也将不同，要据其颇为有利条件采取合理的排沙运行方式，才能达到较好的排沙效果。

为减小库区泥沙淤积，长期保留水库大部分的有效库容，充分发挥工程的综合效益，本文总结了关于减少水库泥沙淤积方面的技术经验［2~5］，以新疆南疆的米兰河山口水利枢纽为例，根据泥沙特性，在汛期通过不同时段降低库水位排沙运行方式比较，分析对供水量和库容的影响，初步确定了合理地运行方式，较好地解决了多沙河流地区的汛期排沙、蓄水和有效库容之间的矛盾。

2. 工程概况

米兰河流域位于新疆南部塔里木盆地东南缘，是发源于阿尔金山北麓的一条自南向北流向罗布泊洼地的内陆河，为独立水系。流域南北最长处142Km，东西最宽处74Km。河流由南向北形成一个“扇”状水系，最后消失在塔里木盆地的沙漠中。河流全长167Km，流域面积5791Km2，山区河流长度137Km，山区流域面积4108Km2，河道平均纵坡31.4‰。

米兰河山口水利枢纽工程位于米兰河出山口处，开发任务是向工业和农业灌溉供水，同时兼顾发电，是一座承担综合利用任务的水利枢纽工程。山口水利枢纽处多年平均流量4.03m3/s，多年平均年径流量1.271亿m3，水库正常蓄水位1445m，正常蓄水位相应库容3818万m3，死水位1415m，死库容1099万m3，调节库容2719万m3，控制灌溉面积为7万亩，农业灌溉供水量为4387万m3，工业供水量为2742万m3，电站装机容量为2.4MW，多年平均年发电量1115万KW•h。

3. 泥沙特性

3.1泥沙来源。

米兰河发源于阿尔金山北麓的尤素甫阿里克山，主要有两条支流汇合而成，西支为库木塔什河，东支为米兰干河。米兰河流域总的地势是西南高东北低，山区一般海拔高程在1350m～4000m之间，是米兰河的主要产沙区。米兰河中山地带两岸山体，植被稀疏，气候干燥，物理分化作用强烈，当有暴雨发生时，两岸分化、风积的沙质堆积物冲入河道致使含沙量沿程不断增大。

3.2入库水沙特性。

米兰河山口水利枢纽坝址多年平均输沙量为128.3万t，多年平均输沙率为40.66Kg/s，多年平均含沙量为10.1Kg/m3。

米兰河悬移质输沙量年内分配极不均匀，夏季大量冰雪融水和局部暴雨洪水携带大量泥沙进入河道，使得夏季悬移质输沙量高度集中，连续最大4个月输沙量出现在夏季4～7月，其悬移质输沙量占年输沙量的60～80.0%左右，尤其是多沙年份，其悬移质输沙量年内分配更不均匀，悬移质输沙量最大年份连续最大四个月输沙量占到年输沙量的85%左右，最大月悬移质输沙量基本出现在7月份，占年悬移质输沙量的30～50%左右，其次为4月份，占多年平均年悬移质输沙量的25%左右，出现一大沙和一小沙的“驼峰沙”。

3.3悬移质颗及库区河床质干容重。

米兰河悬移质泥沙粒径主要由粒径0.1mm以下的颗粒组成，其泥沙颗粒较细，根据实测悬移质颗粒级配资料分析，其中数粒径为0.0075mm，悬移质泥沙主要由粘土、粉土和中细沙组成，其中小于0.005mm粘土占31.0%，0.005~0.05mm的粉土占55.0%，0.05~0.5mm的中、细沙占14.0%，悬移质粒径较细，为水流挟带泥沙及排沙创造了有利条件。其干容重为1.30t/m3。

3.4推移质输沙量。

米兰河无推移质实测资料，实测流量资料较少，不宜采用推移质公式法进行推求计算推移质输沙量，因此采用有关水文计算有关成果，即推悬比为0.2，多年平均入库推移质输沙量为25.66万t，相应的米兰河水库年输沙总量为154万t。

4. 水库排沙运行方式

4.1水库排沙运行方案的拟定。

米兰河悬移质输沙量年内分配极不均匀，夏季大量冰雪融水和局部暴雨洪水携带大量泥沙进入河道，使得夏季悬移质输沙量高度集中，最大月悬移质输沙量基本出现在4月份和7月份，出现一大沙和一小沙的“驼峰沙”。鉴于此，为把汛期泥沙淤积和浑水落淤有机结合起来，充分利用水库异重流进行排沙，以减缓水库泥沙的淤积速度，对米兰河山口水库进行汛期降低水位排沙运行，排沙期初步确定为4月份和7月份。

考虑到本工程的主要任务是向工业和农业灌溉供水，满足工业供水和解决灌区用水要求是拟定排沙运行方式的前提条件。为尽可能达到较好的排沙效果，水库排沙水位尽可能低水位运行，同时又不致于影响工业和农业的需水要求，初步拟定了三种水库排沙运行方式进行论证分析。

水库排沙运行方式分别为：

（1）方式一：水库仅4月份排沙运行，排沙水位拟定为1415m、1425m、1435m和1445m四个水位。

（2）方式二：水库仅7月份排沙运行，排沙水位拟定为1415m、1425m、1435m和1445m四个水位。

（3）方式三：水库4月份和7月份同时排沙运行，即将4月份确定的排沙水位与7月份拟定的四个排沙水位进行组合方案。

在进行水库排沙水位论证时，正常蓄水位为1445m，死水位为1415m。

4.2水库排沙水位的选择。

根据米兰河流域综合用水要求，对拟定的三个排沙运行方式分别进行调节计算。

（1）方式一，即水库仅4月份排沙运行，排沙水位拟定为1415m、1425m、1435m和1445m四个水位进行调节计算，各方案的主要指标见表1。

四个方案在满足农业灌溉需水且满足灌溉保证率的情况下，多年平均农业供水量基本上都是相同的；根据水库的排沙运行方式及供水能力，各方案给工业多年平均工业供水量分别为2747.95万m3、3031.3万m3、3032.52万m3和3033.28万m3，随4月份的排沙水位的增加，方案二（4月排沙水位1425m）工业供水增加量比其它方案较大，为尽可能满足工业的需水要求，方案二的工业供水量较方案一多，但排沙效果不如方案一的优，同时在满足农业灌溉供水要求的条件下，方案一工业多年平均供水量为2747.95万m3，结合地下水的供水情况是可以满足工业3200万m3的需水要求，因此综合考虑，方案一（4月排沙水位1415m）较优。

（2）方式二，即水库仅7月份排沙运行，排沙水位拟定为1415m、1425m、1435m和1445m四个水位进行调节计算，各方案的主要指标见表2。

四个方案在满足农业灌溉需水且满足灌溉保证率的情况下，多年平均农业供水量基本上都是相同的；根据水库的排沙运行方式及供水能力，各方案给工业多年平均工业供水量分别为1196.22万m3、1892.97万m3、2735.42万m3和3033.28万m3，随7月份的排沙水位的增加，方案三（7月排沙水位1435m）工业供水增加量比其它方案较大，为尽可能满足工业的需水要求，虽然方案四的工业供水量较大且接近于工业需水量，但排沙效果不如方案三的优，同时方案三工业供水量结合地下水的供水情况是可以满足工业3200万m3的需水要求，因此从供水的角度和排沙运行效果综合考虑分析，方案三（7月排沙水位1435m）较优。

（3）方式三，即水库4月份和7月份同时排沙运行，综合排沙运行方式一和排沙运行方式二，仅4月份排沙运行时排沙水位1415m较优，因此排沙运行方式三采用4月份排沙水位1415m与7月份排沙水位1415m、1425m、1435m和1445m四个方案组合进行调节计算，各方案的主要指标见表3。

四个方案在满足农业灌溉需水且满足灌溉保证率的情况下，多年平均农业供水量基本上都是相同的；根据水库的排沙运行方式及供水能力，各方案给工业多年平均工业供水量分别为899.88万m3、1991.48万m3、2742.00万m3和2748.31万m3，随7月份的排沙水位的增加，方案二（7月排沙水位1425m）和方案三（7月排沙水位1435m）工业供水增加量比其它方案较大，为尽可能满足工业的需水要求，方案三的工业供水量较方案二多，虽然方案四的工业供水量与方案三的工业供水量差不多，但排沙效果不如方案三的优，因此从供水的角度分析，方案三（4月排沙水位1415m，7月排沙水位1435m）较优。

综上所述，考虑到米兰河山口水利枢纽工程的主要任务及河流泥沙较严重，结合排沙要求，根据排沙运行方式的论证分析，在满足米兰河流域综合利用要求的情况下，同时考虑到泥沙悬移质输沙量高度集中时期为4月和7月，为使水库达到较好的排沙效果，水库排沙运行方式选用方式三，即排沙期采取4月和7月同时排沙，4月降至死水位1415m，7月降至1435m进行排沙运行。

4.3水库泥沙冲淤计算。

根据上述水库调度排沙运行方式，对米兰河水库采用一维悬移质不平衡输沙数学模型进行泥沙冲淤计算。

（1）水库冲淤排沙变化。

在水库淤积三角洲未达到平衡时，随着淤积年限的增长，排逐渐增大，由于悬移质中数粒径在0.01mm左右，泥沙颗粒较细，在库内沉降慢，容易随泄流排出库外，排随着运行年限增加而增大。根据淤积计算分析，水库运行10年内，平均排为41.5%，水库运行11~30年内，平均排为61.8%，水库运行31~40年内，平均排为77.6%，水库运行40~50年内，平均排为89.0%。

（2）水库库容变化。

根据水库运行方式，采用一维不平衡数学模型淤积分析计算，水库运行30年时，剩余死库容142万m3，死库容淤积量占死库容的87.1%，剩余调节库容1932万m3，调节库容淤积量占调节库容的28.9%，水库运行50年时，死库容基本淤满，剩余调节库容1514万m3，调节库容淤积量占调节库容的44.3%。

5. 结论

米兰河山口水库是一座具有综合利用任务的水利枢纽工程，除了存在一般水库的常规泥沙淤积问题外，还存在汛期排沙与蓄水的矛盾。通过系统研究，认为该水库在汛期时必须兼顾排沙和蓄水，采用分阶段降低排沙水位，加大排沙力度，即采用“降水排沙，蓄水灌溉”的运用措施，根据水库排沙运行方式比较，分析对供水量和库容的影响，初步确定了合理地运行方式，并对其采用一维不平衡数学模型淤积分析计算后，从水库冲淤排沙变化和水库库容变化得知，此水库排沙运行方式较为合理。这一措施的提出，较好地解决了多沙河流地区的汛期排沙、蓄水和有效库容之间的矛盾，对于延长水库使用寿命具有重要意义，也是对多沙河流水库泥沙调度的进一步研究。

参考文献

［1］韩其为，杨小庆，我国水库泥沙淤积研究综述.中国水利水电科学研究院学报，2003，（3）.

［2］彭润泽，刘善钧，王世江，田兆光，东方红电站1984年冬季泄空冲刷分析［J］.泥沙研究，1985，(4)：30～40.

［3］张崇山，王孟楼，水库引水冲滩冲刷规律的研究［J］.泥沙研究，1993，(2)：76～84.

［4］焦恩泽，三门峡水库拦粗排细的分析［J］.泥沙研究，1997，(3)：62～65.

［5］黄华忻，赵克玉，陕南山区水库排沙运用［J］.泥沙研究，2000，(1)：77～79.

［文章编号］1006-7619（2011）12-03-212

［作者简介］ 董艳红（1979- ），女，汉族，籍贯：新疆，职称：工程师，水资源规划，工作单位：新疆水利水电勘测设计研究院。