缺水條件下引水渠流入下游水庫的泥沙管理策略分析

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)容更為復雜。由于來流挾帶了大量泥沙，運用方式除常規(guī)的徑流調(diào)節(jié)外，還要進行泥沙調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)蓄水與排沙矛盾，才能控制水庫淤積，取得長遠設計效益。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計方案的可行性，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，通過導流壩和供水渠從托什干河提供水流進行泥沙沖洗，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，托什干河平均總含沙量為8.06kg/m，每年可產(chǎn)生56萬t的預計含沙量。為了進一步減少流入水庫的泥沙，擬在導流壩下游約0.5km處沿供水渠修建一個攔沙池，但高泥沙負荷會在水庫設計壽命內(nèi)完全填滿導流壩和攔沙池。因此，這兩個設施的底部都設計有大型水閘，在不進行導流時用來沖洗泥沙。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計要求，能頻繁地對設施進行沖洗，以防止其淤積。為確定哪些引水—供水設計最能提供所需供水，同時最大限度地減少水庫的泥沙負荷，本文對擬建引水工程的長期運作進行了詳細的建模和分析。

圖1 導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 泥沙負荷的隨機模型

利用SWAT水評估工具構(gòu)建的流域水文模型，使用隨機模型模擬了與模擬日流入量相對應的每日泥沙負荷。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0≤≤∞時＞0和當-∞≤≤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）的平均值和標準偏差。μ()由懸移質(zhì)泥沙排放等級方程（1）給出：

和標準偏差σ由以下表達式表示：

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 模型對擬建的導流壩池和攔沙池進行了長期沉積和沖刷序列模擬，包括兩個設施協(xié)調(diào)沖沙和引水作業(yè)的詳細建模。在50年的模擬期內(nèi)，使用上述水和泥沙的模擬流入量，每小時進行一次建模。使用 GSTARS模型模擬以下操作方案，以研究導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 不包括攔沙池時導流壩處的泥沙排放預算

在這種情況下，無論是否存在攔沙池，導流壩運行方式都是相同的，這導致導流壩出現(xiàn)大范圍淤積。模擬表明，導流壩可能會積聚大量的泥沙，但在不進行導流時，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攔沙池，這種提高將在設計期內(nèi)逐漸減少和消失。

GSTA RS預測，約77%的泥沙流入量發(fā)生在未進行導流時。這些泥沙負荷將通過導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%的泥沙流入量在導流壩蓄水和進行導流時到達。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，設計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流壩和攔沙池的泥沙旁路和清除方案，并進行了分析和討論。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行的前三十年內(nèi)從21%降至零。

（3）對攔沙池進行沖洗時，整體清除效率平均為38.2%，但導流壩和攔沙池的聯(lián)合排沙性能略差于導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期的泥沙控制效益，因此不包括攔沙池的項目布局更可取。但若泥沙量較小或可用流量更豐富和可靠的環(huán)境中，預計設置攔沙池是有效的。