張 鈺，張 晨

（1.天津市水務(wù)規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，天津 300204；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350）

水庫作為地表重要的淡水資源儲(chǔ)蓄庫， 在調(diào)節(jié)徑流、 改善水資源時(shí)空分布不均等方面發(fā)揮著不可替代的作用［1］。 但由于庫內(nèi)流速小，打破了原始河流泥沙淤積平衡，會(huì)產(chǎn)生庫內(nèi)泥沙淤積現(xiàn)象［2］。 在水庫上游河道，淤積導(dǎo)致回水上延，回水上游地區(qū)淹沒和浸沒以致鹽堿化；在庫區(qū)，水庫淤積減少有效庫容，影響水庫調(diào)節(jié)性能； 淤積情況下的水庫下泄清水也會(huì)沖刷下游河道使其變形［3］，故開展水庫泥沙淤積分析具有重要作用。 水庫泥沙淤積可分為縱剖面形態(tài)和橫斷面形態(tài)［4］。 國(guó)內(nèi)外主要包括物理模型與數(shù)學(xué)模型兩大類泥沙淤積研究手段。在物理模型方面，一些學(xué)者［5，6］通過室內(nèi)水工模型試驗(yàn)研究了水動(dòng)力學(xué)下河床水沙特征，為實(shí)際工程提供重要參考；在數(shù)學(xué)模型方面，人們通過水質(zhì)模型MIKE在研究河流中水沙狀態(tài)，為水質(zhì)評(píng)估提供理論參考［7］。 目前數(shù)學(xué)模型已成為研究水庫泥沙淤積的重要且有效的途徑。本研究利用MIKE21軟件建立阿爾塔什水庫輸沙模型，針對(duì)不同運(yùn)行工況下水庫調(diào)度運(yùn)行方式，對(duì)阿爾塔什水庫泥沙淤積情況進(jìn)行數(shù)值模擬。 目的得到不同運(yùn)行工況和年份下縱、橫斷面泥沙淤積形態(tài)，水庫泥沙淤積量及庫容變化、排沙比等情況，為水庫今后的建設(shè)和運(yùn)行提供參考依據(jù)。

1 工程及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)域

阿爾塔什水庫坐落在葉爾羌河干流上， 壩址位于葉爾羌河喀群水文站上游約55km處， 控制流域面積46446km2，是葉爾羌河流域規(guī)劃的重點(diǎn)工程。 水庫正常蓄水位1820m，相應(yīng)庫容21.29億m3，死水位1770m，死庫容8.69億m3。 多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為2302萬m3， 多年平均入庫推移質(zhì)輸沙量172萬m3，輸沙比（V/WS）86.06，小于壅水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。 壩址、喀群站位置和本研究模擬分析的CS3-CS11斷面如圖1。

圖1 葉爾羌河及壩址研究斷面示意圖

1.2 數(shù)據(jù)概況與處理

已知阿爾塔什水庫地形圖（1∶1萬）；阿爾塔什水庫典型斷面資料； 阿爾塔什水庫水沙系列資料（1958—2007年）； 喀群水文站月平均懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配 （1975年）； 實(shí)測(cè)庫區(qū)河床質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配（2008年）。

本次計(jì)算以喀群水文站資料為設(shè)計(jì)依據(jù)， 計(jì)算成果直接移用至水庫壩址處。 計(jì)算過程中采用年徑流量與年輸沙量建立的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)插補(bǔ)延長(zhǎng)后，系列長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求。 喀群水文站距壩址約55km左右，兩斷面間控制流域面積出入不大，約占7%。

1.3 運(yùn)行工況及運(yùn)行方式

兼顧水庫興利與排沙矛盾， 擬定水庫調(diào)度運(yùn)行方式為：1958—2007年，汛期6—9月中旬保持汛限水位1813m，非汛期保持正常蓄水位1820m。

2 MIKE21水沙數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證

軟件中的網(wǎng)格生成器可對(duì)庫區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，直接生成地形文件［8］。 模擬河段選取如圖1的9 個(gè)斷面，最終生成網(wǎng)格859個(gè)，節(jié)點(diǎn)504個(gè)。 由于缺少阿爾塔什水庫的典型年水位變化情況和庫區(qū)每年的流速資料，選擇通過水位來判定模擬結(jié)果是否正確。 如圖2，模擬的1958—2007年阿爾塔什水庫整體庫區(qū)水位與設(shè)定的運(yùn)行工況水位基本相同， 無較大波動(dòng)與斷流的情況發(fā)生，只有小幅波動(dòng)，在誤差范圍之內(nèi)，所以可作為有效數(shù)據(jù)使用。

圖2 1958—2007年阿爾塔什水庫庫區(qū)水位變化情況

3 水庫泥沙淤積分析

3.1 水庫在不同年份斷面淤積情況分析

3.1.1 水庫縱斷面淤積情況分析

從輸出結(jié)果來看，前30年，庫區(qū)CS3～CS11斷面的區(qū)域內(nèi)泥沙淤積較少， 河底深泓線基本保持原高程。 這是因?yàn)樗畮爝\(yùn)行初期，泥沙總量較少。 但從淤積總體形態(tài)上看，由于下游地區(qū)高程低，壩后淤積深度與上游相比較大?？傮w上說，在此運(yùn)行方式下前50年研究河段的河床泥沙淤積情況并不嚴(yán)重， 壩后河床最終淤積高程為1673m，尚未達(dá)到排沙洞的底板高程1715m，所以在此階段，每年可不排沙僅保持泄水即可。 河床深泓線上淤積情況如圖3。

圖3 河床深泓線泥沙淤積情況

3.1.2 水庫橫斷面淤積情況分析

由于前30年河床變化較小， 所以選取后20年的斷面變化情況進(jìn)行制圖分析， 過程中將泄水洞與排沙洞簡(jiǎn)化為一個(gè)過水隧洞。 模擬結(jié)果表明，9個(gè)斷面中，CS3斷面泥沙淤積現(xiàn)象最為明顯， 但也未達(dá)到排沙洞的底板高程1715m。 由于CS3斷面河底左側(cè)的高程較高，且上方為泄水洞，所以水流速在經(jīng)過泄水洞時(shí)形成水流的突縮現(xiàn)象， 靠近泄水口處部分出現(xiàn)沖刷漏斗。 CS3斷面右岸由于地勢(shì)較低，出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象。CS4到CS11斷面變化情況基本相同。 由于距壩址處距離較遠(yuǎn)，沒有出現(xiàn)流速突然增大的狀況，所以沒有出現(xiàn)明顯的沖蝕現(xiàn)象， 且隨著運(yùn)行時(shí)間的增加淤積現(xiàn)象越來越明顯。

圖4 水庫運(yùn)行40年和50年所輸出的CS3～CS11斷面沖淤情況和斷面變化情況

3.2 水庫淤積量及庫容變化分析

以10年為一個(gè)界限， 對(duì)每10年輸出的泥沙淤積量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 運(yùn)行結(jié)果表示，隨著運(yùn)行年份的增加，庫區(qū)淤積量也相應(yīng)增加，相應(yīng)的庫容則逐年遞減。水庫運(yùn)行10年時(shí)，淤積量為12.65萬m3，相應(yīng)的正常蓄水位下對(duì)應(yīng)的庫容為21.29億m3， 此時(shí)近壩段由于上游三角洲尚未推進(jìn)到近壩段泥沙淤積問題并不嚴(yán)重。水庫運(yùn)行20～50年時(shí)，淤積量分別為62.71萬， 254.17萬，617.85萬，1410.88萬m3。 總體來說，隨著運(yùn)行年份的增加，泥沙淤積量越來越大，其淤積量的增量也逐年遞增，但淤積量增長(zhǎng)幅度卻逐年降低，最終會(huì)趨于穩(wěn)定。圖5為不同運(yùn)行年限下的庫容-水位變化曲線。

圖5 不同運(yùn)行年限下的庫容-水位變化曲線

3.3 水庫泄水口及排沙口處含沙量分析

模型模擬結(jié)果顯示， 泄水口處的含沙量隨時(shí)間變化有逐年加重趨勢(shì)。具體情況為，在水庫運(yùn)行0～10年期間， 泄水口及其排沙口的含沙量平均值為0.063kg/m3；10～20年期間，含沙量平均值0.116kg/m3；20～30年期間， 含沙量平均值0.179kg/m3；30～40年期間，含沙量平均值為0.262kg/m3；40～50年期間，含沙量平均值為0.325kg/m3。 由于本研究只是研究壩后的近壩段， 且在運(yùn)行50年中庫區(qū)泥沙淤積與總體相比不是十分明顯，所以其含沙量并不太大，根據(jù)先前研究［9］，屬合理范圍。

4 結(jié)語

本文根據(jù)50年（1958—2007）水沙系列的原始資料，設(shè)定了6—9月水位保持在1813m，其余月份水位保持在正常蓄水位1820m的運(yùn)行工況，采用MIKE 21軟件模擬了阿爾塔什水庫斷面流速和泥沙淤積情況。結(jié)果表明，壩后河床最終淤積高程為1673m，尚未達(dá)到排沙洞的底板高程1715m。壩址處斷面沖淤變化顯示泄水口處出現(xiàn)沖刷漏斗， 水庫出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象。 且隨運(yùn)行年份的增加，泥沙淤積量越來越大，淤積量增量逐年遞增，淤積量增長(zhǎng)幅度卻逐年降低，最終趨于穩(wěn)定。 但泥沙淤積高度并未達(dá)到死水位高程1770m，興利庫容并未減少。