《新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽泥沙专题研究》

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肯斯瓦特水利枢纽工程是流域规划推荐的一期工程,具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。枢纽工程由拦河坝、右岸溢洪道、泄洪洞、发电引水系统组成。水库正常蓄水位990m,最大坝高129.77m,总库容1.88亿m<'3>,控制灌溉面积316.30万亩,电站装机容量100MW,设计年发电量2.723亿kWh,属大(2)型II等工程。肯斯瓦特水利枢纽工程的主要功能之一是灌溉,然而由于枢纽所在流域属于半干旱地区,水沙都集中于汛期,如果汛期采用低水位排沙运用,虽然可以大大减轻泥沙淤积,延长水库使用寿命,但由于汛后来水迅速减少,水库无法蓄满,必然影响灌溉功能。这就要求水库在汛期运用时必须兼顾排沙和蓄水,而不能像目前大多数水库所采用的“蓄清排浑”运用方式。因此,肯斯瓦特枢纽不仅存在一般水库的泥沙淤积问题,还存在汛期排沙与蓄水的矛盾。必须对水库泥沙淤积发展趋势、汛期排沙与蓄水和有效库容关系、坝前淤积分布、枢纽布置、冲刷漏斗、发电洞引水防沙等加以研究。详细科学技术内容为了全面解决肯斯瓦特水利枢纽的泥沙问题,采用数学模型和实体模型试验相结合的技术措施,开展泥沙专题研究工作。数学模型主要解决水库运用方式、整体淤积发展过程和库容变化等问题,坝区实体模型试验主要解决库区泥沙淤积分布、枢纽布置、冲刷漏斗和过机泥沙等问题。实体模型试验主要研究内容包括:以数学模型计算水库枢纽运行50年和冲淤平衡后水库淤积地形为基础,研究各种不同水流条件下,发电洞和泄洪洞前沿冲刷漏斗范围、形态;发电洞引水防沙情况;水库运行后的排沙情况;并提出水库运行方式与枢纽布置的建议。数学模型主要研究内容包括:在全面分析肯斯瓦特河段的输沙率与流量关系基础上,采用具有良好理论基础并经大量实践检验的数学模型,给出了水库不同运行方式下,水库的泥沙淤积量、淤积部位、淤积纵剖面、坝前淤积高程、库容变化、排沙比等技术参数。进一步通过多方案的计算研究,分析汛期排沙与蓄水和保留有效库容之间的关系,提出解决半干旱地区水库的汛期排沙与蓄水矛盾的措施。发明及创新点(1)系统地分析了肯斯瓦特河段输沙率与流量关系,从玛纳斯河洪水具有融雪(冰)型、暴雨型以及融雪(冰)与暴雨迭加型的特点入手,揭示了不同类型洪水的产沙和输沙机理相差较大的原因,对于分析同类河流的水沙规律有很好的借鉴作用。(2)肯斯瓦特水利枢纽主要功能之一是灌溉,但由于该枢纽位于半干旱地区,除了存在一般水库的常规泥沙淤积问题外,还存在汛期排沙与蓄水的矛盾。通过系统研究,认为半干旱地区的水库不宜采用通常的“蓄清排浑”运用方式,而应在汛期时必须兼顾排沙和蓄水,即采用“低水排沙,蓄水灌溉”的运用方式。这一措施的提出,较好地解决了半干旱地区的汛期排沙、蓄水和有效库容之间的矛盾,对于延长水库使用寿命具有重要意义。(3)采用大比尺和正态实体模型试验,对坝区水沙运动和泥沙淤积分布进行了全面研究,给出了冲刷漏斗的形态、纵比降、过机含沙量和粒径,从减缓水轮机磨蚀的角度出发,提出了合理的泄洪洞底坎高程;为防止闸前被泥沙淤堵,提出了采取间歇性开启方式的措施。这些研究成果对坝工设计、枢纽和水轮机的安全运行意义重大。与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较:对于整体水库泥沙淤积问题,一般采用数学模型的技术手段,给出水库不同运用方式条件下的淤积量、淤积分布、库容变化、淤积纵剖面、排沙比等。对于坝区水沙运动、淤积分布、冲刷漏斗、水工建筑物布置等局部泥沙问题,一般采用实体模型试验手段。这是该项目与国内外同类研究相同的地方。但是,肯斯瓦特水利枢纽位于半干旱地区,除了具有一般水库的泥沙淤积特点外,还存在汛期排沙与蓄水灌溉之间的矛盾。这就要求在进行该项目研究时,不仅要解决常规的水库泥沙淤积问题,还要研究如何通过水库调度运用等措施,缓解排沙与蓄水之间的矛盾,增加水库有效库容,延长水库使用寿命。这是该项目与以往同类技术研究明显不同的地方。研究表明,在入库水沙条件完全相同的情况下,当水库运用20年后,如果将排沙期水位再降低10m,则运用50年后水库的有效库容保留率可以从71.7%增加到75.2%,水库淤积平衡的年限可以延长10%以上。成果应用情况及社会经济效益:该项目在分析实测水文泥沙资料基础上,采用水库泥沙数学模型计算和坝区泥沙实体模型试验,对肯斯瓦特水库泥沙冲淤发展趋势、淤积量及分布、库容变化、坝前冲刷漏斗、电站引水防沙等进行了研究,取得了丰硕的研究成果。特别是采用分阶段加大汛期排沙力度的措施,较好地解决了半干旱地区水库的汛期排沙与汛后蓄水之间的矛盾,为水库的长期使用提供了技术支持。该项研究中关于水库规模、水位调度、建筑物前冲刷漏斗形态以及枢纽布置等成果已被新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院采用,所推荐的水位调度方案和排沙洞底坎高程对提高水库效益、减少泥沙淤积、延长水库寿命、减少过机泥沙等方面均有重要的社会经济效益。成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题为延长半干旱地区水利枢纽的使用寿命,该项目提出了这样的研究成果,即随着水库淤积发展,采用分阶段降低排沙水位,加大排沙力度,即采用“降水排沙,蓄水灌溉”的运用措施,可有效地缓解排沙与蓄水之间的矛盾。这一成果对于中国西北部干旱和半干旱地区的水利枢纽设计和运行管理具有重要的指导意义,可以广泛推广。鉴于干旱半干旱地区水库长期使用不仅仅是由泥沙淤积所决定的,还与当地的社会、经济、生态环境有关。因此,进行已建水库的调查和新建水库的跟踪研究是必要的。

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