阿爾塔什水庫泥沙淤積及排沙調度模擬分析

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

阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河干流流域，是控制性工程。水庫流域山體兩側呈裸露狀態，植被稀少，氣候干旱少雨，物理分化特征顯著。暴雨時，兩岸沙質堆積物流入河道，導致高含沙量增大。塔里木河干流在生態供水基礎上，采取排沙調度，減少灌溉、防洪與發電之間的矛盾，收獲經濟與社會雙效益。此外，深入研究水庫排沙調度，對流域水土保持、生態環境保護、水庫穩定運行等，對提升水資源綜合運用具有重要的現實意義。

1 水庫基本情況

阿爾塔什水利樞紐工程位于葉爾羌河喀群水文站上游，水庫壩址斷面流域面積46445.6km2。工程已納入葉爾羌河實現規劃管理。阿爾塔什水庫在保障生態供水的同時，也在一定程度上緩解防洪、灌溉與發電等沖突矛盾。水庫日常運行水位1820m，庫容21.29億m3，死水位1770m，死庫容8.69億m3。天然環境變化導致庫區河床緩慢下降，帶來泥沙問題。

2 水庫泥沙淤積分析

2.1 泥沙來源

葉爾羌河源頭是喀喇昆侖山。調查結果表明：克魯克欄桿水文站及其上流域有大量泥沙，組成葉爾羌河懸移質泥沙，在喀群站懸移質輸沙總量中占86%?？κ矌鞝柛珊又Я?，含沙量較低。葉爾羌河流域植物稀少，兩側山體裸露，土壤被破壞引起水流沖蝕。夏季暴雨洪水產生洪峰流量，沖刷力把泥沙與土壤帶入河道，導致河流泥沙量持續增加。因此，每年6—8月，泥沙量較大。

2.2 入庫水沙特性

2.2.1 水沙年內變化

葉爾羌河長年月平均流量如表1所示，懸移質輸沙量長年平均分配情況，如圖1所示。綜合分析，全年徑流量分配不均衡：6—9月最大，占全年的79.77%。全年泥沙分配與徑流量相似，也是6—9月泥沙量最多，占全年的96.11%。分析發現，泥沙量分配不均較為突出。

表1 喀群站徑流分配

圖1 喀群站懸移質分配圖

2.2.2 水沙年際變化

喀群站50年流量如圖2所示，含沙量如圖3所示。根據相關數據發現，流量變化與含沙量的相關性明顯。流量年間變化較小，含沙量變化較大。

圖2 喀群站各年份流量圖

圖3 喀群站各年份含沙量圖

2.2.3 輸沙總量

阿爾塔什水庫年入庫懸移質輸沙量2993.14萬t。對無法檢測的推移質輸沙量，一般用推移質公式計算。以12.87%懸移質計算推移質量，得出385.30萬t。懸移質與推移質泥沙總量3378.44萬t。

(1)懸移質級配。檢測泥沙粒徑發現，河流泥沙粒徑偏小，50%泥沙粒徑不足0.1mm，干密度1.30t/m3。夏季徑流量擴大，懸移質顆粒偏小，河水有大量泥沙，一旦河道變寬，會降低水流流速和挾沙能力，河流淤積泥沙。

(2)推移質級配。檢測泥沙顆粒級配并統計數據：河床沙石粒徑粗大，6.0～200.0mm，沙石占37%，200.0～300.0mm沙石占19%。

3 水庫排沙調度模擬

葉爾羌河長年平均含沙量4.53kg/m3，阿爾塔什水庫的庫沙比為86.06，泥沙問題較嚴重。為緩解水庫淤積與減淤排沙的矛盾，開展泥沙調度工作。根據興利任務和水沙狀況，通過泥沙調度，減少水庫淤積量，使水庫穩定運行。水庫調水調沙前，綜合了解水沙條件、水庫淤積和葉爾羌河下游河道行洪狀況，制定對策，以便提升下游河道輸沙能力。

統計數據表明，6—8月洪水集中，該段時間為排沙關鍵期。一方面，了解泥沙淤積狀況，另一方面，還要滿足灌溉用水需求。8月，蓄水并開展興利作業。但來水來沙量較大，高水位可能影響排沙，低水位無法獲得較好的興利效果，阻礙防洪發電。因此，為提高水庫運行水平，兼顧排沙與興利兩方面要求，采取2種排沙調度方式。

方式①：前50年，5月水庫正常運行，水位保持1820m。6月水位基本未下降，保持1813m。9月，中旬水位無波動，下旬水庫蓄水，水位小幅升高且保持1820m。此后，水位未變化，直至次年4月。后50年，5月水庫正常運行，水位未波動。6—7月汛期，排沙水位保持1770m。8月蓄水，同時擇機排沙，水位保持1820m，蓄水運行，直至次年3月。

方式②：100年，采取相同運行方式。4月，水庫蓄水至1820m。6—7月汛期，水位降至1770m，為排沙及興利。8月水庫蓄水，水位升至1820m，該水位保持到次年3月。

3.1 模型介紹

HEC-RAS是一維數學模型，包括恒定流模擬、非恒定流模擬、泥沙沖淤計算和水質分析計算。

3.1.1 恒定流水面線

HEC-RAS模型計算河道或河網恒定流水面線。根據糙率和擴散、收縮數據確定能量損失，水面線由逐段式方法計算，求出每個斷面水位。能量方程為：

(1)

式中，Y1，Y2—斷面1/2處水深；Z1，Z2—斷面1/2處河道高程；a1，a2—斷面1/2處流速；v2，v1—斷面平均流速；g—重力加速度；he—水頭損失。

3.1.2 非恒定流的模擬

用模型計算非恒定流水面線，得到漸變流數據。該法早期僅計算緩流，隨著模型更新，發展為計算緩流、臨界流和急流等。根據Robert和Barkau建立解方程的UNET模型，連續性方程為：

(2)

式中，Q—流量；x—流向的坐標點；A—過水斷面；t—時間；q—側向流量。動量方程為：

(3)

式中，v—流速；Z—水位；Sf—摩阻坡度。

3.1.3 可移動邊界的輸沙演算

用模型計算河道沖淤泥沙，也就是一維泥沙計算模型。采取不同方程計算。不平衡輸沙方程為：

(4)

河床變形方程為：

(5)

式中，γ0—河床寬系數；As—河道沖淤產生的范圍；Gsb—推移質輸沙率；N—泥沙分組數；k—斷面節點。

3.2 模型建立

(1)地形設置。模擬壩址及上游50km范圍，用HEC-RAS軟件與HEC-GeoRAS模塊設計水庫地形。

(2)邊界條件設置。模型邊界包括水流與泥沙2個要素條件。水流邊界把流量作為上游邊界條件，科學分析水庫上游來水量。下游邊界條件，指不同工況水位。計算間隔：流量較小的對應較大間隔；流量較大的對應較小間隔，一般為0.25～2.00/h。t是泥沙邊界單位，用每個時間段水流量與含沙量計算來沙總量。

(3)粗率率定。糙率大小影響計算結果，反映河道邊壁粗糙度、地質特征和斷面形態等。阿爾塔什河道斷面糙率0.026～0.043。

(4)其他參數選擇。水溫干擾泥沙輸移，在3.0～10.5℃間。泥沙輸移方程選擇England-Hanson，排序方法選擇Exner5，下降速度為Ruby法。

3.3 模型驗證

(1)庫容驗證。根據模型計算對比庫容與實際庫容。模型庫容接近現實庫容，在1%上下波動，死庫容誤差4.28%。符合誤差規范，模型地形達到精度要求，呈現出水庫真實地形。

(2)水面線驗證。改進模型糙率，搜集物理實驗數據進行檢驗。選取1500m3/s評估斷面糙率，數學模型與物理模型水線面存在±0.25m誤差。

(3)沖淤平衡驗證。用Engalan-Hanson方程模擬計算。結果表明，基于原始河道分析，河道運行30年，下游區域出現少量淤積泥沙現象。

(4)淤積量驗證。計算數據來自1969—2019年水沙含量，循環計算，得出100年泥沙淤積規律。搜集壩址上游50km區域數據，模擬分析，用庫區堆積沖淤數據檢驗模型。對前50年運行方式驗證。結果表明：水沙系列實現概化，沙量與水量的總量保持原狀，未有任何改變。根據計算結果，運行20年，誤差為10.28%；運行40年，誤差為7.32%；運行60年后，誤差為2.37%；運行80年，誤差為8.30%；運行100年，誤差為5.98%。由此可知，模型計算結果近似物理模型試驗，淤積量偏差未達15%。

3.4 泥沙淤積模擬

3.4.1 泥沙淤積特點

泥沙淤積模擬結果：庫區為三角洲型淤積形態，逐步向壩前接近。前期泥沙淤積量較大，在庫區集中，庫容損失率提高。隨時間增加，泥沙淤積總量持續增長，每10年泥沙淤積速度依次減緩。庫容縮小，庫容總損失率提高。汛期的淤積量較大，非汛期水流帶走大量泥沙，淤泥泥沙量呈減少趨勢。

2種排沙調度方式下，泥沙淤積形態有一定差異。方式①運行50年，呈現三角洲型式淤積形態，逐步靠近壩前，壩體上游15.38km處泥沙淤積到最厚。方式②運行50年，壩體上游9.13km處泥沙淤積最厚。相對來講，方式②三角洲形態更靠近壩址。2種方式運行100年，壩址均呈現三角洲形態。

對比壩前泥沙淤積高度：100年運行階段，方式①產生高程1774.6m、沙堆積厚82.2m泥；方式②產生高程1723.44m、泥沙堆積厚61.04m。分析發現，后者對壩前泥沙淤積高程有一定限制作用，避免水電站進水口堵塞。

3.4.2 庫容及淤積量

2種排沙調度方式下，庫容剩余量及庫容淤損比有一定差異，在1770～1820m水位，不同方式泥沙沉淤狀況如圖4所示。水庫運行50年，庫容淤損比：方式①蓄水后44.69%，方式②為44.17%，兩者差異不顯著。死庫容淤損比：方式①為47.40%，方式②為59.78%，就死庫容淤積量而言，后者偏大。調節庫容淤損比：方式①產生42.82%，方式②產生33.41%，表明方式②保留更多有效庫容，提高水庫運行效率。100年后，方式②死庫容泥沙淤積量超過方式①；方式②調節庫容剩余量高于方式①，且未淤積大量泥沙。綜合評估后，方式②效果更佳。

圖4 2種方式庫容與淤積量

3.4.3 水庫排沙比

2種方式排沙比如圖5所示。對比各個時間段排沙比無明顯差異：運行前50年，方式①有較大排沙比，運行后50年，方式②排沙比略高于方式①。

圖5 2種方式排沙比

對比上述結果可知，壩址淤泥淤積高程較小的是方式②，預防進水口堵塞，調節庫容產生較大剩余量，有效控制泥沙淤積量，符合水庫運行要求。

4 結語

通過對阿爾塔什水庫泥沙淤積狀況的分析，可以看出，阿爾塔什工程在2種排沙調度方式下，泥沙淤積全部呈現三角洲型式淤積，并隨著時間的延長而漸進地向壩前推進。前期泥沙淤積量較大，大部分泥沙淤積在水庫內，庫容損失較快。隨著使用時間的延長，總泥沙淤積量在持續增加。結合此況，通過綜合對比2種運行方式，得出：運行方式①的各年份排沙比，與運行方式②相比差距較??；在前運行50年間，運行方式①排沙比稍大；后50年，運行方式②排沙比稍大。因此，確認運行方式②為優選。綜上，水庫水位高低直接影響泥沙淤積量，關涉水資源利用效益。因此，應根據泥沙淤積量及水庫興利等要求，綜合分析，統籌設計，合理安排，理論結合實踐，推動區域水資源綜合管理與利用邁上新臺階。