馮劉成 新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域干流管理局

1.引言

高含沙河流上的水庫運(yùn)用方式與一般清水或少泥沙河流水庫相比，所涉及的內(nèi)容更為復(fù)雜。由于來流挾帶了大量泥沙，運(yùn)用方式除常規(guī)的徑流調(diào)節(jié)外，還要進(jìn)行泥沙調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)蓄水與排沙矛盾，才能控制水庫淤積，取得長遠(yuǎn)設(shè)計(jì)效益。本文以托什干河為研究對象，通過模型模擬研究泥沙管理設(shè)計(jì)方案的可行性，即在具有小流域。在研究區(qū)域擬建的離流位置修建水壩，形成攔沙池，通過導(dǎo)流壩和供水渠從托什干河提供水流進(jìn)行泥沙沖洗，再通過重力管道流向水處理廠，也可提高周邊縣市供水的數(shù)量、質(zhì)量和可靠性。

2.引水工程建模過程

據(jù)估計(jì)，托什干河平均總含沙量為8.06kg/m，每年可產(chǎn)生56萬t的預(yù)計(jì)含沙量。為了進(jìn)一步減少流入水庫的泥沙，擬在導(dǎo)流壩下游約0.5km處沿供水渠修建一個攔沙池，但高泥沙負(fù)荷會在水庫設(shè)計(jì)壽命內(nèi)完全填滿導(dǎo)流壩和攔沙池。因此，這兩個設(shè)施的底部都設(shè)計(jì)有大型水閘，在不進(jìn)行導(dǎo)流時用來沖洗泥沙。然而，由于托什干河的斷續(xù)流態(tài)，水資源短缺，需要面對一個問題，即是否有足夠的流量來滿足設(shè)計(jì)要求，能頻繁地對設(shè)施進(jìn)行沖洗，以防止其淤積。為確定哪些引水—供水設(shè)計(jì)最能提供所需供水，同時最大限度地減少水庫的泥沙負(fù)荷，本文對擬建引水工程的長期運(yùn)作進(jìn)行了詳細(xì)的建模和分析。

圖1 導(dǎo)流壩和攔沙池布局示意圖

2.1 沉積物數(shù)據(jù)

托什干河沉積物粒度分布如表1 所示。樣本是在烏什縣附近3002號測量儀處采集的，該測量儀位于擬建導(dǎo)流壩下游約7km處。

表1 托什干河的平均沉積物粒度分布

測量儀觀測到的流量和懸移質(zhì)泥沙數(shù)據(jù)如圖2所示。采用評級方程作為河流流量的函數(shù)來表示懸移質(zhì)泥沙流量：=0.5，以kg/s為單位，以m/s為單位。該方程保留了觀測數(shù)據(jù)的平均值，納什效率系數(shù)（NSE）等于0.691（效率系數(shù)等于1減去估計(jì)的均方誤差除以觀測數(shù)據(jù)的方差）。

圖2 托什干河的懸移質(zhì)泥沙排放和流量排放

2.2 泥沙負(fù)荷的隨機(jī)模型

利用SWAT水評估工具構(gòu)建的流域水文模型，使用隨機(jī)模型模擬了與模擬日流入量相對應(yīng)的每日泥沙負(fù)荷。托什干河的懸移質(zhì)泥沙排放被模擬為一個雙參數(shù)伽馬分布的隨機(jī)過程，該過程是通過上述泥沙排放評級曲線的河流排放的函數(shù)。此分布概率密度函數(shù)由下式給出：

其中當(dāng)0≤≤∞時＞0和當(dāng)-∞≤≤0時＜0，＞0，Γ()是完整的伽馬函數(shù)。形狀參數(shù)α和β的矩估計(jì)方法是：

其中μ()和σ()分別是給定河流流量（m/S）和懸移質(zhì)泥沙流量（kg/S）的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。μ()由懸移質(zhì)泥沙排放等級方程（1）給出：

和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ由以下表達(dá)式表示：

方程（5）中冪函數(shù)是基于σ()和的回歸分析確定，NSE為0.738。該隨機(jī)模型保留了評級曲線（1）給出的平均值，并捕獲了懸移質(zhì)泥沙流量數(shù)據(jù)的可變性。將隨機(jī)生成的懸移質(zhì)泥沙流量乘以1.2的系數(shù)以獲得總泥沙流量數(shù)據(jù)。

2.3 GSTARS模型

GSTARS是一個半二維的水力和沉積數(shù)值模型，用于模擬河流和水庫中有無活動邊界的水流。本文利用GSTARS 模型對擬建的導(dǎo)流壩池和攔沙池進(jìn)行了長期沉積和沖刷序列模擬，包括兩個設(shè)施協(xié)調(diào)沖沙和引水作業(yè)的詳細(xì)建模。在50年的模擬期內(nèi)，使用上述水和泥沙的模擬流入量，每小時進(jìn)行一次建模。使用 GSTARS模型模擬以下操作方案，以研究導(dǎo)流壩和攔沙池中泥沙清除效果。

3.方案模擬結(jié)果對比與分析

圖3 不包括攔沙池時導(dǎo)流壩處的泥沙排放預(yù)算

在這種情況下，無論是否存在攔沙池，導(dǎo)流壩運(yùn)行方式都是相同的，這導(dǎo)致導(dǎo)流壩出現(xiàn)大范圍淤積。模擬表明，導(dǎo)流壩可能會積聚大量的泥沙，但在不進(jìn)行導(dǎo)流時，這些泥沙可能會通過泄水完成部分清除。因此，攔沙池會提高整體泥沙清除效率。但如果不通過泄水來維持?jǐn)r沙池，這種提高將在設(shè)計(jì)期內(nèi)逐漸減少和消失。

GSTA RS預(yù)測，約77%的泥沙流入量發(fā)生在未進(jìn)行導(dǎo)流時。這些泥沙負(fù)荷將通過導(dǎo)流壩的閘門和溢洪道，并繼續(xù)沿托什干河向下流動。其余23%的泥沙流入量在導(dǎo)流壩蓄水和進(jìn)行導(dǎo)流時到達(dá)。然而，由于河流流量經(jīng)常超過渠道容量，這些剩余泥沙流中約有2/3通過閘門和溢洪道旁通，留下約7.5%的總泥沙量被轉(zhuǎn)移到水庫。GSTARS模擬出該方案下導(dǎo)流壩的平均泥沙清除效率為39%，這意味著只有約25000 t/年的泥沙通過渠道流入水庫。攔沙池運(yùn)行的前幾年清除效率為21%，30年內(nèi)清除率下降到幾乎為零，設(shè)計(jì)期間的平均清除效率約為11%。

4.結(jié)論

本文通過模型模擬研究了擬建的導(dǎo)流壩和攔沙池的泥沙旁路和清除方案，并進(jìn)行了分析和討論。結(jié)果如下：

（1）如果沒有攔沙池，整體泥沙清除效率平均為39.3%。

（2）如果有攔沙池，但不對其進(jìn)行沖洗，則整體泥沙清除效率平均為45.8%。且攔沙池本身的泥沙清除效率在其運(yùn)行的前三十年內(nèi)從21%降至零。

（3）對攔沙池進(jìn)行沖洗時，整體清除效率平均為38.2%，但導(dǎo)流壩和攔沙池的聯(lián)合排沙性能略差于導(dǎo)流壩本身的排沙性能。

基于以上結(jié)果，得出結(jié)論是擬建的攔沙池不會提供預(yù)期的泥沙控制效益，因此不包括攔沙池的項(xiàng)目布局更可取。但若泥沙量較小或可用流量更豐富和可靠的環(huán)境中，預(yù)計(jì)設(shè)置攔沙池是有效的。