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        大二泉水庫淤積分析及治理措施探討

        2020-11-20 08:48:40李輝發(fā)
        陜西水利 2020年8期
        關(guān)鍵詞:排沙庫容干渠

        李輝發(fā)

        (烏蘇市水利局,新疆 烏蘇 833000)

        1 水庫概況

        1.1 水庫

        烏蘇市大二泉水庫位于準(zhǔn)噶爾盆地西北邊緣的烏蘇市頭臺鄉(xiāng)境內(nèi)的自南向北的古河谷和天然洼地上,距烏蘇市20 km,該水庫的主要任務(wù)是引蓄奎屯河、四棵樹河的調(diào)水和攔蓄喇嘛溝河洪水,調(diào)節(jié)水量在時空上分布不均的問題和解決下游部分奎屯河灌區(qū)和車排子灌區(qū)的用水問題。該水庫是以農(nóng)業(yè)灌溉為主,兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的平原水庫。大二泉水庫總庫容550 萬m3,由于庫區(qū)被位于古河床中間的一道土山梁隔開,分為東泄洪區(qū)和西蓄水區(qū),其中東泄洪區(qū)庫容77 萬m3,西蓄水區(qū)庫容473 萬m3,壩型為均質(zhì)土壩,由引水渠首、引水渠道、大壩、溢洪道、放水涵洞及渠道等構(gòu)成,其中引水渠道為混凝土襯砌梯形渠道,最大設(shè)計流量5 m3/s,放水渠道同上,最大設(shè)計流量2.5 m3/s,溢洪道最大泄流量96.8 m3/s。根據(jù)《水利水工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000),水庫規(guī)模為小(I)型,工程等別四等,主要建筑物4 級,次要建筑物5 級。設(shè)計洪水10 年一遇,校核洪水50 年一遇。

        1.2 水庫水源及調(diào)度運(yùn)行情況

        大二泉水庫水源主要有三個,第一個由奎屯河農(nóng)七師引水渠道(長14.9 km,最大設(shè)計流量30 m3/s),經(jīng)八十四戶大閘分水進(jìn)入南水北調(diào)一期渠道(長12.495 km,最大設(shè)計流量5.5 m3/s),與大灣水庫放水去交匯進(jìn)入大排干渠道(長10.43 km,最大流量設(shè)計3 m3/s)進(jìn)入大二泉水庫引水渠首,2000 年以后開始使用,主要入庫時間為3 月~5 月,奎屯河年徑流量6.509 億m3。第二個由四棵樹河新渠首由向陽閘經(jīng)喇嘛溝干渠(長48 km,最大流量15 m3/s)進(jìn)入大二泉水庫引水渠首,2005 年以后開始使用,主要入庫時間為7 月~10 月,四棵樹河年徑流量3.062 億m3。第三個由將軍溝及左、右支流洪水匯集至喇嘛溝河(長70.94 km,最大洪峰流量80 m3/s),經(jīng)大二泉水庫引水渠首排濁后進(jìn)入大二泉水庫,主要入庫時間為7 月下旬~8 月上旬。

        大二泉水庫歷史最高庫水位340.88 m,對應(yīng)庫容471 萬m3,發(fā)生日期2011 年10 月22 日。歷史最大入庫流量4.2 m3/s,發(fā)生日期2011 年9 月21 日。歷史最大出庫流量2.4 m3/s,及發(fā)生日期2011 年7 月8 日。

        2 泥沙設(shè)計

        2.1 水文站觀測點建立

        大二泉水庫流域內(nèi)無一常規(guī)的水文觀測點,鄰近區(qū)域有兩個基本國家基本水文站,一個是1954 年設(shè)立的四棵樹河吉勒德水文站,另一個是1958 年設(shè)立的奎屯河加勒果拉水文站,1987 年8 月加勒果拉水文站上遷12 km,更名為將軍廟水文站。水文站主要觀測項目有水位、流量、懸移質(zhì)泥沙、水溫、降水、蒸發(fā)、氣溫、水質(zhì)監(jiān)測。在進(jìn)行水庫初步設(shè)計時,利用加勒果拉水文站1970 年~1987 年和將軍廟水文站1988 年~1995 年實測徑流、輸沙率成果,并采用插補(bǔ)延長法[1]得到1970 年~2018 年共52 年泥沙系列。該資料滿足水文數(shù)據(jù)“三性”審查,其徑流泥沙成果可以直接應(yīng)用于大二泉水庫。

        2.2 排沙方案分析

        大二泉水庫現(xiàn)行運(yùn)行方式單一,水庫泥沙主要來自洪水?dāng)y砂,所以在洪水期內(nèi)低水位運(yùn)行,甚至空庫迎洪便能加速水流流速,通過水流挾帶大量泥沙排出庫外。此外,庫水位的降低還能加速回水末端淤積的水流流速,加劇有效庫容內(nèi)部分泥沙向壩前的運(yùn)動,并將其帶出庫外,降低有效庫容損失。排沙設(shè)計方案主要是基于降雨洪水預(yù)報,在其沙峰期敞泄排沙,從防洪汛限水位預(yù)泄,并在沙峰到來前敞泄至死水位,始終保持較低水位大流量排沙直至洪水結(jié)束;對于中小洪水年份,水庫蓄洪運(yùn)行,主要利用棄水過程“蓄清排濁”、重流排沙[2]。

        排沙方案在頻率>5%的洪水過程中通過水位降低實現(xiàn)集中性排沙,這與水庫防洪任務(wù)存在矛盾,為實現(xiàn)水庫防洪的目標(biāo),必須對現(xiàn)行排沙方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,充分利用防洪庫容在洪峰到來前進(jìn)行部分洪水調(diào)蓄,實現(xiàn)削峰錯峰。

        3 水庫實際淤積分析

        3.1 干流泥沙實際淤積

        根據(jù)大二泉水庫插補(bǔ)延長法得到的1966 年~2018 年共52 年泥沙系列數(shù)據(jù),進(jìn)行水庫干流泥沙實際淤積情況分析。根據(jù)淤積縱剖面形態(tài)(圖1)可推斷出淤積形態(tài)為三角洲型,且淤積面向壩前方向逐年升高推進(jìn),2018 年頂坡和前坡比降分別為0.12‰和2.19‰,三角洲洲頂高程平均為336.8 m,大二泉水庫并未達(dá)到?jīng)_淤平衡。

        圖1 大二泉水庫干流淤積縱剖面

        大二泉水庫干流壩前段橫剖面淤積嚴(yán)重,灘槽剖面主槽的淤積厚度(247 m)比灘地淤積厚度(218.5 m)大,壩前段淤積逐年增大且層次較為分明。隨著淤積三角洲洲頭不斷向剖面下游的推進(jìn),庫中段剖面淤積逐年增加。

        3.2 支流泥沙實際淤積

        大二泉水庫庫區(qū)支流少,頭臺鄉(xiāng)引水干渠可通過流量5 m3/s,下游有4 km2容泄區(qū),同時,部分洪水通過支渠分流到三泉水庫,三泉水庫庫容70×104m3。結(jié)合水庫歷次實測剖面資料進(jìn)行頭臺鄉(xiāng)引水干渠泥沙淤積分析。頭臺鄉(xiāng)引水干渠淤積縱剖面見圖2,頭臺鄉(xiāng)引水干渠淤積形態(tài)呈錐體,淤積體末端淤積高程基本不變,而渠口淤積高程不斷升高,淤積體比降不斷減緩,1998 年、2008 年、2010 年、2015 年、2018 年淤積體比降分別為1.10%、1.31%、1.78%、2.59%、3.86%,2018 年與2015 年相比,淤積面并未發(fā)生較大變化,說明頭臺鄉(xiāng)引水干渠從2015 年開始基本達(dá)到淤積平衡。到2018 年頭臺鄉(xiāng)引水干渠錐形淤積體淤積高程平均為335 m,與大二泉水庫庫區(qū)運(yùn)行水位平均值(340.82 m)接近。頭臺鄉(xiāng)引水干渠正常蓄水位以下庫容從1998年的550 萬m3減小為2018 年的505 萬m3;死庫容從1998 年的250 萬m3到2018 年全部損失;有效庫容也從1998 年的160 萬m3減小到2018 年的54 萬m3。

        圖2 頭臺鄉(xiāng)引水干渠淤積縱剖面

        3.3 實測值與設(shè)計值對比

        大二泉水庫呈現(xiàn)出三角洲淤積形態(tài),三角洲洲頂高程平均為320.18 m,從1998 年5 月水庫蓄水至2018 年年底數(shù)十年的實際運(yùn)行情況來看,庫區(qū)泥沙淤積三角洲洲頂平均高程已經(jīng)達(dá)到239 m,這也與設(shè)計值相符。注:庫容損失率是水庫淤積損失的庫容占原有庫容的百分比。

        表1 大二泉水庫淤積實測值與設(shè)計值對比

        從表1 對比結(jié)果可以看出,大二泉水庫總淤積量、庫容損失等計算成果比設(shè)計值偏小,水庫自1998 年5 月運(yùn)行以來~2018 年年底,有效庫容實際減小值為1920 萬m3,比設(shè)計值20 年淤積水平高,這表明,大二泉水庫淤積速度比預(yù)先設(shè)想的要快。水庫運(yùn)行5 a、10 a、15 a、20 a 后壩前淤積高程設(shè)計值分別為342.4 m、333.7 m、323.4 m、281.2 m,實測值則分別為236 m、237 m、238 m、239 m,實測值比設(shè)計值高。根據(jù)本文泥沙設(shè)計成果水庫運(yùn)行20 年淤積三角洲洲頂高程平均為237.5 m,表明水庫在運(yùn)行20 年后相同流量下水位已經(jīng)超過設(shè)計成果,淤積升高速度比設(shè)計的要快。

        4 大二泉水庫淤積治理

        4.1 治理工程措施

        就大二泉水庫淤積的原因來看,主要包括入庫沙量增加、水庫汛期運(yùn)行水位較高等方面,這些原因共同導(dǎo)致水庫庫區(qū)淤積加快,為了有效治理泥沙淤積,2017 年8 月實施了對四棵樹河七一大渠和引洪干渠高邊坡處理工程、喇嘛溝河西湖段防洪工程,2020 年對喇嘛溝河上游段實施了將軍溝山洪災(zāi)害治理工程。

        表2 大二泉水庫年排沙效果統(tǒng)計

        4.2 調(diào)度措施

        近年來水庫排沙效果統(tǒng)計見表2。

        由表2 可知,水庫2003 年全年入庫沙量1.204 億t,淤積量為1.311 億t,出庫沙量為0.674 億t,故排沙比(一定時間內(nèi)排出水庫的泥沙與進(jìn)入水庫泥沙的比率)為84.4%,2008 年、2013 年和2018 年排沙比分別為39.2%、95.2%和63.7%,2018年水庫入庫沙量明顯增多,2003 年和2013 年大二泉水庫均處于所在流域大洪水時期,排沙比比平常年份高,說明利用大洪水過程,如果前期淤積較嚴(yán)重,在大洪水前提前預(yù)泄,降低洪水位在汛限水位以下,洪水進(jìn)庫時,由回水逐漸向壩前移動,將原來的泥沙讓回水帶動而沖刷。在回水上游沖刷時產(chǎn)生溯源沖刷,逐步地由下往上不斷進(jìn)行切割,由此便能實現(xiàn)多來多排的較為明顯的排沙沖沙效果。

        5 結(jié)論

        本文分析結(jié)果表明,大二泉水庫自蓄水運(yùn)行以來,由于入庫沙量增加、汛期運(yùn)行水位升高等原因,泥沙淤積速度不斷加快,壩前實際淤積高程比設(shè)計值大。如果大二泉水庫仍然能嚴(yán)格按照設(shè)計的“蓄清排濁”方式運(yùn)行,則庫區(qū)淤積和有效庫容損失定會得到一定程度的遏制。

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