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        新疆克孜爾水庫運(yùn)行模式下排沙研究

        2018-09-25 07:52:04胡浩
        東北水利水電 2018年9期
        關(guān)鍵詞:異重流克孜爾排沙

        胡浩

        (新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,新疆 烏魯木齊 830000)

        1 工程概況

        克孜爾水庫位于渭干河上游,坐落于木扎提河與黑孜河交匯處,是一座是一座以灌溉為主,兼顧發(fā)電與下游防洪的綜合性樞紐工程。該庫正常蓄水位1 149.6 m,相應(yīng)庫容6.07億m3,興利庫容4.77億m3,該庫灌溉面積206 666.7 hm2,防洪保護(hù)面積86 666.7 hm2,最大引水流量125.4 m3/s,發(fā)電裝機(jī)容量2.6萬kW,工程于1992年投入運(yùn)行。

        2 水庫運(yùn)行現(xiàn)狀

        庫區(qū)淤積泥沙主要是來自上游的懸移質(zhì)和推移質(zhì),根據(jù)實(shí)測資料分析統(tǒng)計(jì)出的克孜爾水庫不同高程下的總體淤積量,見表1。

        表1 克孜爾水庫總體淤積量

        由表中數(shù)據(jù)可得,自水庫蓄水運(yùn)行以后,克孜爾水庫上游來水?dāng)y帶泥沙,逐年落淤,水庫運(yùn)行不到20年,庫區(qū)正常蓄水位以下庫容已損失2.50億m3,死水位以下庫容已淤積約1.14億m3,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)運(yùn)行20年預(yù)估值。

        3 克孜爾水庫運(yùn)行排沙方式

        面對日益減少的庫容和逐年增加的泥沙淤積嚴(yán)峻形勢,對水庫進(jìn)行排沙清淤已是水庫運(yùn)行的重心。根據(jù)不同排沙方式適用條件,結(jié)合克孜爾水庫實(shí)際運(yùn)行情況,其可利用的排沙方式主要有:敞泄排沙、低水位排沙、壅水排沙[1]。

        3.1 敞泄排沙

        在洪水期間,水庫的來流量能全部向下游傾瀉,水庫基本不壅水的情況下進(jìn)行的排沙方式。又稱行洪排沙,它能排走大部分的來沙或者全部的來沙,甚至可以沖走前期的淤積物,排沙效果比較好[2]。此種排沙方式效果好,對克孜爾水庫這種前期淤積嚴(yán)重的水庫也比較適合。但克孜爾水庫兼顧防洪、發(fā)電、灌溉多個目標(biāo),在水庫運(yùn)行調(diào)度中涉及方面較廣,需要協(xié)調(diào)好各個方面的關(guān)系,且為保護(hù)下游安全,最大下泄流量限制在750 m3/s,故敞泄排沙方案在克孜爾水庫運(yùn)行上較難實(shí)現(xiàn)。

        3.2 低水位排沙

        水庫在洪水來臨前,必須泄空庫容或使得庫水位降低運(yùn)行,在此過程中隨著水位的下降而帶動已淤積的泥沙前進(jìn),進(jìn)而產(chǎn)生沿程沖刷和溯源沖刷[3]。溯源沖刷是低水位時排沙的主要形式,在庫區(qū)排沙時應(yīng)用較廣泛。它的作用機(jī)理是從下游開始,逐漸向上游延伸,詳見圖1。

        水庫低水位運(yùn)行時間在每年的6月中旬到7月底,約40 d的時間。出于興利考慮,排沙期水位降低至1133.0~1135.0 m,但因下游安全泄量不能超過750 m3/s,下游灌區(qū)所需最大流量為200 m3/s,大于作物需水量將產(chǎn)生棄水,故水庫運(yùn)行水位達(dá)不到那么低。另外,水庫為保證作物灌溉用水,在作物灌溉需水期前要關(guān)閘蓄水,這就使得庫水位升高。綜合考慮,該排沙方式運(yùn)行較難。

        圖1 溯源沖刷機(jī)理圖

        3.3 壅水排沙

        壅水排沙主要指異重流排沙,即上游水流挾帶泥沙進(jìn)入水庫壅水段,由于挾沙渾水水流較重,渾水下潛入庫區(qū)清水以下,在重力作用下沿庫底面向壩前運(yùn)動[4],詳見圖2。

        圖2 異重流運(yùn)動圖

        針對支流庫段的來水來沙條件及水庫地形條件,嘗試?yán)卯愔亓髋派常?007年實(shí)施異重流排沙,排沙比為5.9%;2008年異重流排沙比為45.2%。分析其主要原因:

        1)形成條件苛刻。

        2)干流木扎提河流速和含沙量相對較小,沒有足夠的能量使異重流行進(jìn)至壩前并排除庫外;支流黑孜河含沙量高,有異重流排沙條件,但受前期“魚嘴”附近淤積形成的“攔沙底坎”阻礙,使得部分泥沙落淤[5]。

        3)挾沙渾水沿庫底前進(jìn),難以把握其抵達(dá)壩前時間,進(jìn)而不能及時開啟閘門,使泥沙淤積壩前。

        4 克孜爾水庫排沙規(guī)律

        根據(jù)克孜爾水庫歷年洪水期間排沙統(tǒng)計(jì)資料[6],可知水庫的排沙量與庫區(qū)地形、入庫洪水流量、入庫洪水含沙量、水庫運(yùn)行水位等因素有關(guān)系。通過SPASS分析軟件對渭干河支流黑孜河近20年輸沙資料中入庫洪水流量與入庫洪水的含沙量的相關(guān)性進(jìn)行分析:兩者相關(guān)系數(shù)是0.878,顯著性水平為0,兩者呈正向的相關(guān)關(guān)系且相關(guān)性很強(qiáng)。隨后又對入庫洪水含沙量與水庫庫區(qū)泥沙淤積量建立數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行回歸分析,最終得出模型的最終表達(dá)式為,修正的可決定系數(shù)為0.942,模型擬合度很好,充分佐證了入庫洪水的含沙量是水庫泥沙淤積的主要因素之一[7]。

        相對于水庫運(yùn)行管理者,如入庫洪水流量及其含沙量不能控制,故只能通過來洪時升、降庫區(qū)水位,對上游來洪進(jìn)行調(diào)節(jié)??俗螤査畮鞖v年洪水期間排沙統(tǒng)計(jì)資料,詳見表2~4。

        表2 克孜爾水庫歷年洪水期間排沙比統(tǒng)計(jì)(庫水位高程在1 142.0 m以上)

        表3 克孜爾水庫歷年洪水期間排沙比統(tǒng)計(jì)(庫水位在1 138.0~1 142 m)

        由表2~4可知:

        1)當(dāng)水庫運(yùn)行水位大于1 142.0 m時,在行洪過程中水庫的排沙比幾乎等于0,即水庫的出庫水流幾乎不挾帶庫區(qū)的泥沙出庫,排沙效果很差。

        表4 克孜爾水庫歷年洪水期間排沙比統(tǒng)計(jì)(庫水位在1 133~1 138 m)

        2)當(dāng)水庫運(yùn)行水位在1 138.0~1 142.0 m之間調(diào)整時,在行洪過程中水庫的排沙比還不足10%,即只有少量的泥沙隨下泄水流運(yùn)行至庫外。

        3)當(dāng)水庫運(yùn)行水位在1 133.0~1 138.0 m之間調(diào)整時,在行洪過程中水庫的排沙比基本在10%~60%之間浮動,排沙效果相對較好。

        5 小結(jié)

        1)隨著水庫運(yùn)行年限的增加,庫區(qū)泥沙不斷淤積,庫區(qū)河床逐年增高,水庫庫容逐年減少,大大縮短水庫使用壽命。

        2)常用的3種排沙方式對于克孜爾水庫都有不同程度的限制因素,合理的運(yùn)行管理可減少庫區(qū)泥沙的落淤,甚至將已淤積泥沙排出庫外。

        3)水庫在盡可能滿足防洪、灌溉要求時,適時調(diào)整庫水位進(jìn)行排沙。

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