水洞溝水庫(kù)典型斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

楊 程，李春光，呂歲菊

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏銀川750021;2.北方民族大學(xué)數(shù)值計(jì)算與工程應(yīng)用研究所，寧夏銀川750021;3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏銀川750021;4.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏銀川750021)

新中國(guó)成立以來(lái)我國(guó)共建設(shè)各種水庫(kù)85000余座，泥沙淤積使水庫(kù)的有效庫(kù)容逐年減小，特別是北方水庫(kù)，淤積速度和淤積量已經(jīng)達(dá)到了令人吃驚的地步。于是，充分挖掘水庫(kù)的蓄水能力，進(jìn)行水庫(kù)泥沙淤積防治技術(shù)的研究，特別是水庫(kù)運(yùn)行前淤積情況的預(yù)測(cè)，對(duì)水庫(kù)的管理運(yùn)行和水環(huán)境保護(hù)具有重要意義［1－3］。

1 研究區(qū)概況

水洞溝發(fā)源于寧夏靈武市與鹽池縣的交界處，屬黃河一級(jí)支流。水洞溝水庫(kù)位于水洞溝下游，是內(nèi)蒙古上海廟能源化工基地、寧夏紅墩子能源化工基地供水工程調(diào)蓄水庫(kù)。水庫(kù)以黃河為取水水源，設(shè)計(jì)總庫(kù)容1039萬(wàn) m3，供水規(guī)模設(shè)計(jì)一期(2015年)20萬(wàn)m3/d，二期(2020年)40萬(wàn)m3/d。水庫(kù)運(yùn)行時(shí)僅有少部分泥沙通過(guò)取水塔被帶走，大部分泥沙沉積在庫(kù)區(qū)，使得水庫(kù)壽命迅速縮短，因此通過(guò)實(shí)測(cè)水庫(kù)的地形、含沙量等，研究水庫(kù)的使用壽命、淤積規(guī)律以及水庫(kù)的運(yùn)行管理和優(yōu)化調(diào)度是非常必要的。

2 斷面布設(shè)及測(cè)量?jī)x器

通過(guò)對(duì)水洞溝水庫(kù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，選擇并布設(shè)典型斷面，利用高精GPS、RiverCAT(“河貓”)系統(tǒng)、采樣器等，設(shè)置斷面樁號(hào)、測(cè)量地形高程和岸邊水位、采集水樣等，并對(duì)含沙量進(jìn)行測(cè)量和分析。

2.1 斷面布設(shè)

共布設(shè)了24個(gè)斷面，其中橫向15個(gè)、縱向9個(gè)。水洞溝水庫(kù)橫、縱斷面設(shè)置見(jiàn)圖1、2。圖中x、y為地理坐標(biāo)，其中x軸以正東方向?yàn)檎?，y軸以正北方向?yàn)檎鴺?biāo)值均為相對(duì)值。進(jìn)水口和取水口含沙量變化較大，附近區(qū)域斷面布設(shè)較其他地方密集。

2.2 測(cè)量?jī)x器

主要測(cè)量設(shè)備有“河貓”系統(tǒng)、ESE－50Box－50回聲測(cè)深儀、深水采樣器、激光測(cè)距儀、烘干箱、電子天平、濾紙、干燥器等。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

用快艇拖曳“河貓”系統(tǒng)沿測(cè)量斷面航行一次，系統(tǒng)將自動(dòng)存儲(chǔ)距岸邊距離、斷面底高程、流場(chǎng)等數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)束后對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，即可得到各斷面庫(kù)底地形圖。

3.1 橫向斷面地形圖及分析

15個(gè)橫斷面庫(kù)底地形圖見(jiàn)圖3—6。

由圖3—6知，最大水深由斷面左岸移向斷面中間，然后再移回?cái)嗝孀蟀?，各斷面右岸為淺灘，水深較淺。結(jié)合圖2中進(jìn)、取水口位置分析可知:①斷面C01—C06的最大水深在左岸附近，最大水深18 m左右，取水口位于斷面S02和S03之間，此處水深較大利于取水，且流速較小、含沙量較小，取出的水易于凈化，能減少水處理成本、提高運(yùn)行效率;②斷面C07—C11最大水深逐漸靠近斷面中心位置，左岸附近水深仍有5～12 m，進(jìn)水口設(shè)在此處能起到消能作用，減少對(duì)進(jìn)水口兩岸的沖刷;③斷面C12—C15最大水深逐漸靠近左岸;④水庫(kù)正式投入運(yùn)行后，左岸和取水口處將被沖刷，右岸將淤積。

3.2 縱向斷面地形圖及分析

縱向斷面庫(kù)底地形圖見(jiàn)圖7、8。

縱斷面中S01是基準(zhǔn)面，受測(cè)量當(dāng)日水位限制，僅對(duì)S02—S08共7個(gè)縱斷面進(jìn)行了測(cè)量。由圖7、8知，隨著斷面逐漸變寬(從不足90 m擴(kuò)大到850 m左右)，最大水深位置逐漸移向斷面中間，最大水深為18.5 m左右。根據(jù)實(shí)測(cè)的各斷面數(shù)據(jù)，利用斷面法［4－7］計(jì)算幾種不同水位條件下的庫(kù)容，見(jiàn)表1。

表1 不同水位下的庫(kù)容

3.3 等高線及三維地形圖

根據(jù)所測(cè)各斷面的庫(kù)底高程并結(jié)合各斷面樁點(diǎn)，利用插值法得到水洞溝水庫(kù)整體庫(kù)底地形圖(圖9—10)，其中圖9為水洞溝水庫(kù)等高線圖(黑色粗線表示實(shí)測(cè)的水位)，圖10為水洞溝水庫(kù)三維地形圖。

由圖9—10可以看出:從北向南(即從主壩到尾壩方向)，庫(kù)底高程分布不均勻;最小庫(kù)底高程開(kāi)始時(shí)靠近水庫(kù)左岸，然后逐漸移向水庫(kù)中心;水庫(kù)左岸地勢(shì)高且在靠近主壩處較陡，而右岸地勢(shì)相對(duì)低且平坦。

3.4 淤積量預(yù)測(cè)

在進(jìn)水口和取水口采集水樣，測(cè)得其含沙量分別為1.031、0.021 kg/m3。按照規(guī)劃，計(jì)入水庫(kù)蒸發(fā)滲漏損失和輸水損失，水洞溝水庫(kù)一期需從黃河取水8176萬(wàn)m3/a，二期需從黃河取水16352萬(wàn)m3/a。若淤積泥沙密度按1400 kg/m3計(jì)，依據(jù)實(shí)測(cè)含沙量和設(shè)計(jì)年取水量可得各時(shí)期末水庫(kù)淤積量，見(jiàn)表2。經(jīng)計(jì)算得到水庫(kù)30年使用期末，總淤積量將達(dá)309.65萬(wàn)m3。

表2 各時(shí)期末水庫(kù)淤積量

4 結(jié)語(yǔ)

在水洞溝水庫(kù)橫向、縱向選擇并設(shè)置了24個(gè)典型斷面，受測(cè)量時(shí)水位限制，利用“河貓”系統(tǒng)等測(cè)量?jī)x器對(duì)其中22個(gè)斷面的水深、庫(kù)底高程、含沙量等進(jìn)行了實(shí)測(cè)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到了水庫(kù)運(yùn)行初期的地形資料。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用斷面法計(jì)算了幾種水位下的庫(kù)容，其中最大允許水位1180 m時(shí)庫(kù)容約為1016萬(wàn)m3，與設(shè)計(jì)庫(kù)容1039萬(wàn)m3非常接近，驗(yàn)證了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)，依據(jù)在進(jìn)水口、取水口測(cè)得的含沙量及設(shè)計(jì)取水量，對(duì)水庫(kù)使用期庫(kù)區(qū)淤積的泥沙量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，為進(jìn)一步研究水庫(kù)的淤積情況提供了必要的原始數(shù)據(jù)，也為確保水庫(kù)的合理運(yùn)行及長(zhǎng)期、穩(wěn)定、有效地向上海廟、紅墩子能源化工基地供水提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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