楊順剛

（新疆克孜爾水庫(kù)管理局，新疆拜城，842313）

1 工程概況

克孜爾水庫(kù)是塔里木河水系渭干河流域上一座以防洪灌溉為主，兼顧發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖和旅游開(kāi)發(fā)等綜合效益的大型控制性水利樞紐工程。水庫(kù)原設(shè)計(jì)總庫(kù)容為6.4億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積21.3 億m2，工程為一等大（1）型。防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期1 000 年洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量5 720 m3/s，按重現(xiàn)期10 000年洪水校核，洪峰流量8 160 m3/s。水庫(kù)承擔(dān)下游河道防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期100 年洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量3 380 m3/s。工程主要由主壩、副壩、二道壩、溢洪道、泄洪排沙洞及壩后式廠房組成，工程總投資3.85億元。

因泥沙淤積致使防洪庫(kù)容不足，大壩2007 年安全鑒定時(shí)被評(píng)為“三類壩”，2009 年開(kāi)始進(jìn)行除險(xiǎn)加固，2011 年8 月除險(xiǎn)加固工程基本完工，2014年5 月完成除險(xiǎn)加固竣工驗(yàn)收。除險(xiǎn)加固后水庫(kù)總庫(kù)容7.25 億m3，主副壩均為黏土心墻砂礫殼壩，其中主壩長(zhǎng)920.6 m，最大壩高47.6 m；副壩長(zhǎng)1 288 m，最大壩高36.2 m。防洪標(biāo)準(zhǔn)按重現(xiàn)期500年洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量7 214 m3/s，按重現(xiàn)期5 000年洪水校核，洪峰流量11 156 m3/s。水庫(kù)承擔(dān)下游河道防洪標(biāo)準(zhǔn)仍按重現(xiàn)期100年洪水設(shè)計(jì)，洪峰流量4 627 m3/s。

2 入庫(kù)水沙特性分析

渭干河流域位于新疆天山南麓中段，流域呈扇形分布，干流木扎提河沿途接納了發(fā)源于哈爾克他烏山脈的卡木斯浪河、臺(tái)勒維丘克河和卡拉蘇河三條支流的來(lái)水，另一支流黑孜河與卡拉蘇河相鄰，也發(fā)源于哈爾克他烏山脈，直接匯入克孜爾水庫(kù)，克孜爾水庫(kù)以下稱渭干河。渭干河及其干流流經(jīng)拜城、庫(kù)車、新和、沙雅四縣，最后消失于塔里木河北岸附近。流域全長(zhǎng)452 km，流域總面積72 420 km2，其中壩址以上流域面積16 637 km2，渭干河流域多年平均年徑流量為26.2億m3，多年平均流量83.1 m3/s，實(shí)測(cè)最大流量3 677 m3/s，最小流量13.4 m3/s。徑流量年際變化不大，但年內(nèi)分配不均，每年3—5月為枯水期，水量占全年徑流量的13.6%；6—8 月為洪水期，水量約占全年徑流量的50%；其他季節(jié)水量約占全年徑流量的36.4%。洪水類型主要有融雪型、暴雨型和暴雨融雪混合型。

克孜爾水庫(kù)多年平均含沙量4.46 kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙總量1 318.42×104t，最大年輸沙量為7 200×104t（2002 年），入庫(kù)水量、沙量在年內(nèi)的分配主要集中在汛期6—9 月，汛期水量占年水量的58.3%，汛期懸移質(zhì)輸沙量占年總沙量的90.0%，輸沙量和含沙量的年內(nèi)分配極不均衡，相比之下，沙量比水量更集中于汛期，且主要集中于7—8月。干流木扎提河與支流克孜爾河兩者的洪峰與沙峰過(guò)程歷時(shí)較短，一般為2～3 d。根據(jù)入庫(kù)水文站實(shí)測(cè)資料分析，克孜爾水庫(kù)近年來(lái)入庫(kù)沙量有所增加，且入庫(kù)沙量除集中在汛期之外，更集中于幾次沙峰過(guò)程，這是由渭干河的產(chǎn)流和產(chǎn)沙特性決定的。孜爾水庫(kù)多年平均入庫(kù)水、沙年內(nèi)分配見(jiàn)表1。

表1 克孜爾水庫(kù)多年平均入庫(kù)水、沙年內(nèi)分配Table 1 Distribution of average annual incoming water and sediment to Kizil reservoir

圖1 是2010—2018 年6—8 月汛期期間累計(jì)的入庫(kù)沙量過(guò)程線。從圖1可以看出：7—8兩個(gè)月的入庫(kù)沙量最大，相比而言，7 月份的入庫(kù)沙量略大于8月份。

圖1 2010—2018年汛期累計(jì)進(jìn)庫(kù)懸移質(zhì)泥沙量分布Fig. 1 Accumulated incoming suspended sediments in flood season from 2010 to 2018

3 水庫(kù)泥沙淤積情況

克孜爾水庫(kù)1991年8月下閘蓄水并投入使用，水庫(kù)運(yùn)行26 年來(lái)，泥沙淤積問(wèn)題十分嚴(yán)重。初步設(shè)計(jì)階段克孜爾水庫(kù)總庫(kù)容6.4億m3，設(shè)計(jì)運(yùn)行20年的泥沙淤積總量為1.26 億m3，庫(kù)容損失率為19.1%，其中死庫(kù)容淤積0.448 億m3，有效庫(kù)容淤積0.817 億m3。2017 年實(shí)測(cè)水庫(kù)淤積3.2 億m3，其中死庫(kù)容淤積1.286 億m3，占死庫(kù)容1.32 億m3的98.92%；興利庫(kù)容淤積1.91億m3，占興利庫(kù)容4.75億m3的40.2%；防洪庫(kù)容淤積979 萬(wàn)m3，占防洪庫(kù)容2.635 7 億m3的3.71%。初設(shè)階段正常蓄水位1 149.6 m 對(duì)應(yīng)的庫(kù)容是6.07 億m3，而2017年僅為2.86 億m3，淤積量達(dá)3.212 億m3，庫(kù)容損失率為52.72%，詳見(jiàn)表2。

表2 克孜爾水庫(kù)特征水位下的泥沙淤積情況Table 2 Sedimentation under characteristic water levels

4 空庫(kù)沖沙效果分析

以阿克蘇地區(qū)水文水資源局提供的泥沙監(jiān)測(cè)資料為計(jì)算依據(jù)，根據(jù)托克遜和黑孜兩座水文站觀測(cè)資料計(jì)算進(jìn)庫(kù)泥沙總量，以距離水庫(kù)大壩下游500 m的黑孜水庫(kù)站為準(zhǔn)計(jì)算出庫(kù)泥沙總量。

4.1 2017年4月空庫(kù)排沙實(shí)況

2017 年4 月9 日，庫(kù)水位為1 135.22 m，比死水位高0.22 m。4 月10 日開(kāi)始閘門全開(kāi)，水庫(kù)初次進(jìn)行空庫(kù)沖沙，一直持續(xù)到4月22日，空庫(kù)運(yùn)行14 d，出庫(kù)流量維持在40 m3/s 左右。水文監(jiān)測(cè)資料表明：水庫(kù)敞泄期間上游進(jìn)庫(kù)沙量2.19 萬(wàn)t，出庫(kù)沙量248.78 萬(wàn)t，水庫(kù)實(shí)際清淤246.59 萬(wàn)t，空庫(kù)排沙量占全年排沙量360.91 萬(wàn)t 的68.93%。排沙比約400.00，最高可達(dá)1 384.71。

整個(gè)沖沙期，日均出庫(kù)輸沙率大多大于1 000 kg/s，最大輸沙率近6 000 kg/s，輸沙率變化過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 2017年空庫(kù)沖沙期進(jìn)出庫(kù)輸沙率變化過(guò)程Fig. 2 Sediment transport rate during reservoir empty-release flushing in 2017

4.2 2018年4月空庫(kù)排沙實(shí)況

2018 年的空庫(kù)運(yùn)行時(shí)間從4 月5 日開(kāi)始，一直持續(xù)到4月25日，出庫(kù)流量在30 m3/s左右。監(jiān)測(cè)資料表明：空庫(kù)沖沙時(shí)間21 d，進(jìn)庫(kù)泥沙總量0.36萬(wàn)t，出庫(kù)泥沙總量91.59 萬(wàn)t，水庫(kù)清淤約91.23 萬(wàn)t，空庫(kù)排沙總量占全年總排沙量173.08 萬(wàn)t 的52.92%。與2017 年相比，沖沙時(shí)間長(zhǎng)7 d 而排沙總量減少155.36萬(wàn)t，排沙比大多低于300.00，最高達(dá)434.91，日均出庫(kù)輸沙率大多小于1 000 kg/s，最大僅1 470 kg/s，輸沙率變化過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 2018年空庫(kù)沖沙期進(jìn)出庫(kù)輸沙率變化過(guò)程線Fig. 3 Sediment transport rate during reservoir empty-release flushing in 2018

4.3 排沙比影響因素分析

4.3.1 排沙比與庫(kù)水位的關(guān)系

從圖4 可以看出：庫(kù)水位越低，排沙比越大。2017—2018 年，兩個(gè)空庫(kù)運(yùn)行期的庫(kù)水位大多低于1 130 m，排沙比大多大于350.00，其他時(shí)段庫(kù)水位均高于1 140 m，排沙比低于0.10，甚至接近0。

圖4 克孜爾水庫(kù)庫(kù)水位與排沙比變化過(guò)程線Fig. 4 Graghs of reservoir water level and sediment discharge ratio

4.3.2 排沙比與沖沙流量的關(guān)系

從圖5 可以看出：低水位運(yùn)行期間，沖沙流量越大，排沙比越大。2017年空庫(kù)沖沙期間的排沙比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2018 年，主要原因是2017 年4 月的沖沙流量約40 m3/s，而2018 年4 月的沖沙流量則在30 m3/s左右。

圖5 克孜爾水庫(kù)出庫(kù)沖沙流量與排沙比變化過(guò)程線Fig.5 Graphs of flushing outflow and sediment discharge ratio

5 存在的問(wèn)題

5.1 空庫(kù)沖沙時(shí)段的局限性

由于灌區(qū)灌溉需求，每年4 月25 日—5 月10日，水庫(kù)需要關(guān)閘蓄水，4月空庫(kù)沖沙時(shí)間在20 d左右，因歷時(shí)太短，輸沙量有限。

5.2 空庫(kù)沖沙流量的局限性

根據(jù)水庫(kù)入庫(kù)徑流年內(nèi)分布特征，4月為一年中進(jìn)庫(kù)水量最小的月份。水庫(kù)放空后，實(shí)際運(yùn)行時(shí)采取進(jìn)出庫(kù)流量相等的敞泄方式運(yùn)行，但4月份進(jìn)庫(kù)流量太小，無(wú)法達(dá)到啟動(dòng)流速，導(dǎo)致輸沙效果不明顯。

6 汛期空庫(kù)沖沙運(yùn)行的可行性分析

根據(jù)入庫(kù)水、沙特性年內(nèi)分布情況，結(jié)合4 月份空庫(kù)沖沙面臨的實(shí)際問(wèn)題，建議將空庫(kù)沖沙時(shí)段放在汛期進(jìn)行，可行性分析如下。

6.1 空庫(kù)沖沙對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉的影響

根據(jù)渭干河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水量與河道多年平均天然來(lái)水量統(tǒng)計(jì)分析，6月上旬多余水量6 454萬(wàn)m3，6月中旬至7月上旬缺水5 866萬(wàn)m3，7月中旬多余水量976 萬(wàn)m3，7 月下旬缺水1 443 萬(wàn)m3，見(jiàn)表3?？俗螤査畮?kù)下游有躍進(jìn)、五一兩座平原型水庫(kù)，總庫(kù)容9 000萬(wàn)m3左右，每年1—2月份參與灌區(qū)的反調(diào)節(jié)蓄水，其他時(shí)間均空庫(kù)運(yùn)行，且設(shè)計(jì)上只承擔(dān)灌溉任務(wù)，沒(méi)有防洪要求。為保證灌區(qū)用水需求，可將6 月上旬和7 月中旬的水量蓄在下游兩個(gè)水庫(kù)，在克孜爾水庫(kù)空庫(kù)運(yùn)行期間參與灌區(qū)的水量補(bǔ)給。因此，克孜爾水庫(kù)汛期空庫(kù)沖沙不影響灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。

表3 渭干河灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水量與河道多年平均天然來(lái)水量統(tǒng)計(jì)Table 3 Water demand for agricultural irrigation and average annual natural water inflow of Weigan river

6.2 空庫(kù)沖沙對(duì)灌區(qū)防洪安全的影響

除險(xiǎn)加固初步設(shè)計(jì)防洪高水位1 151.89 m，汛限水位1 145.75 m，設(shè)計(jì)防洪庫(kù)容2.64 億m3。汛期采取空庫(kù)運(yùn)行，只有在入庫(kù)洪峰流量大于下游安全泄量750 m3/s時(shí)，水庫(kù)才參與攔洪，此時(shí)防洪高水位1 151.89 m 以下的庫(kù)容均可參與攔洪，防洪庫(kù)容與設(shè)計(jì)相比將增加1億m3左右（按2017年的庫(kù)容曲線計(jì)算），極大地增加了水庫(kù)的調(diào)洪能力，可確保下游的防洪安全。

6.3 汛期入庫(kù)水、沙特性對(duì)排沙效果的影響

由于汛期進(jìn)庫(kù)泥沙占全年的90%，若采取汛期空庫(kù)沖沙，不但可以將汛期的泥沙全部排出水庫(kù)，并且汛期河道天然來(lái)水多年平均流量在100～180 m3/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于4 月份的進(jìn)庫(kù)流量30～40 m3/s，空庫(kù)沖沙時(shí)間也大大延長(zhǎng)，因此還可以沖刷前幾年淤積的部分泥沙，逐步達(dá)到水庫(kù)清淤和庫(kù)容恢復(fù)的目的。

綜上所述，克孜爾水庫(kù)具備汛期空庫(kù)排沙的條件。

7 結(jié)語(yǔ)

克孜爾水庫(kù)空庫(kù)沖沙效果明顯，排沙比大多在100.00 以上，若能改善水庫(kù)的運(yùn)行模式，將克孜爾水庫(kù)與下游躍進(jìn)、五一兩座平原型水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，使克孜爾水庫(kù)在汛期空庫(kù)沖沙，則排沙效果將更加顯著?！?/p>