丹江口水庫(kù)漢江干流庫(kù)區(qū)淤積分析

章厚玉,林云發(fā),楊德安,高玉杰,畢 勇,魏 瓊

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局漢江水文水資源勘測(cè)局,湖北丹江口 442700)

1 丹江口水庫(kù)基本概況

1.1 庫(kù)形特征

丹江口水庫(kù) 1968年蓄水運(yùn)用后,改變了原來(lái)天然河道的水沙輸移特性,入庫(kù)水、沙輸移受人工控制,形成丹江、漢江 2大庫(kù)區(qū)。2個(gè)庫(kù)區(qū)沿程寬、窄相間,湖泊型庫(kù)段與河道型庫(kù)段相間的庫(kù)形特征(見圖1)。其中漢江庫(kù)區(qū)內(nèi)鄖縣、老均縣 2庫(kù)段最寬分別達(dá)3.6～6.0km,最窄僅為370 m(鄖縣小西天);丹江庫(kù)區(qū)淅川、李官橋 2庫(kù)段最寬分別達(dá)3.5～10.0km,最窄僅為248 m。蓄水運(yùn)行后,正常蓄水位 157 m(吳淞)時(shí),總庫(kù)容為174.5×108m3,總庫(kù)面積為745km2,其中漢江庫(kù)區(qū)回水長(zhǎng)177.4km,庫(kù)容 94×108m3,庫(kù)面積為380km2;丹江庫(kù)區(qū)回水長(zhǎng) 85km,庫(kù)容80.5×108m3,庫(kù)面積為365km2。

1.2 調(diào)度運(yùn)行特點(diǎn)

丹江口水庫(kù)正常蓄水位為吳淞 157 m,秋汛防洪限制水位為152.5 m(8月21日至 9月30日)、夏汛為149 m(6月21日至 8月20日),設(shè)計(jì)低水位為139 m。自 1968--2003年蓄水運(yùn)用 36 a,其壩前歷年最高平均水位152.6 m;歷年最低平均水位138.8 m。不同水位級(jí)對(duì)應(yīng)的庫(kù)容與面積見表1。

圖1 丹江口水庫(kù)平面示意圖Fig.1 The map of Danjiangkou Reservoir

表1 丹江口水庫(kù)初始水位與面積、庫(kù)容數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical data on water level,area and storage capacity of Danjiangkou Reservoir

2 漢江干流庫(kù)區(qū)縱向淤積分布特點(diǎn)

2.1 縱向累計(jì)淤積量分析

江漢干流庫(kù)區(qū) 1968-2003年蓄水運(yùn)用 36 a,沿程累計(jì)沖淤量列于表2。從表2中沿程沖淤量分布可歸納如下特點(diǎn)。

表2 漢江干流庫(kù)區(qū)沿程累計(jì)淤積量統(tǒng)計(jì)表(1968--2003)Table 2 Statistics of accumulative sediment deposition in Han River reservoir area from 1968 to 2003

2.1.1 淤積分布呈兩頭少、中間多的分布特點(diǎn)

從表2中知,距壩 159.5～177.4km庫(kù)長(zhǎng)17.9km的庫(kù)尾段,蓄水運(yùn)用 36 a來(lái),其歷年累計(jì)淤積量還沖刷0.01×108m3;距壩 0～37.3km的壩前段,蓄水運(yùn)用 36 a來(lái)也只淤0.59×108m3;而距壩37.3～159.5km庫(kù)長(zhǎng) 122km的中間庫(kù)段內(nèi),同期共淤10.28×108m3,占漢江干流庫(kù)區(qū)同期總淤積量的94.7%,可見漢江干流呈兩頭少、中間多的縱向淤積分布特點(diǎn)。

2.1.2 淤積分布受壩前防洪限制水位 152.5 m控制

從表2中知,距壩 159.5～177.4km庫(kù)長(zhǎng)17.9km的庫(kù)尾段,自 1968年蓄水運(yùn)用至今,該庫(kù)段的歷年累計(jì)淤積量都是沖刷;而距壩159.5km以下庫(kù)段,歷年累計(jì)淤積量都呈淤積,可見距壩159.5km處為縱向累計(jì)淤積量分布的沖淤臨界部位,而距壩159.5km處正是壩前防洪限制水位152.5 m漢江干流庫(kù)區(qū)對(duì)應(yīng)的回水末端,這個(gè)蓄水運(yùn)用 36 a來(lái)的縱向淤積分布的特點(diǎn)表達(dá)出,漢江干流庫(kù)區(qū)的縱向淤積分布,受壩前防洪限制水位152.5 m所控制,152.5 m庫(kù)水位以上庫(kù)段累計(jì)淤積是負(fù)值,即沖刷;152.5 m水位以下庫(kù)段沿程是累計(jì)性淤積。

2.2 漢江干流庫(kù)區(qū)縱向淤積形態(tài)分析

漢江干流沿程縱向淤積形態(tài)大致分成 3段:懸移質(zhì)輸沙動(dòng)平衡庫(kù)段、懸移質(zhì)重點(diǎn)淤積庫(kù)段、沖瀉質(zhì)異重流淤積庫(kù)段。具體分析如下。

2.2.1 懸移質(zhì)輸沙平衡庫(kù)段

現(xiàn)將漢江干流庫(kù)區(qū) 1960--2003年,沿程深泓點(diǎn)淤積高程縱剖面點(diǎn)繪于圖2。

圖2 漢庫(kù)干流庫(kù)區(qū)沿程深泓點(diǎn)淤積縱剖面圖Fig.2 Profile of deposition elevation along the talweg in Han River reservoir area

距壩91.95～159.5km,庫(kù)長(zhǎng)67.55km,目前已屬懸移質(zhì)輸沙動(dòng)平衡庫(kù)段。圖2顯示出一個(gè)鋸齒狀的縱向淤積分布形態(tài),圖中峰尖(凸部)為順直、寬淺段深泓點(diǎn)高程,累計(jì)淤積較多;峰谷(凹部)為彎道段及深潭部位深泓點(diǎn)高程,累計(jì)淤積較少。由于本庫(kù)段已進(jìn)入懸移質(zhì)輸沙動(dòng)平衡階段,且其庫(kù)形條件中順直段與彎道段部位不變,縱向淤積形態(tài)也將不會(huì)改變。隨著庫(kù)水位運(yùn)用高低、入庫(kù)來(lái)沙的多少,2大造床期內(nèi),其峰尖、峰谷沖淤高程仍有變化,但已是周期性的沖淤變化。由于平衡庫(kù)段的2大造床期內(nèi)沖淤基本相近,也不會(huì)再產(chǎn)生明顯的累計(jì)性淤積。

2.2.2 懸移質(zhì)重點(diǎn)淤積區(qū)庫(kù)段

距壩91.95～37.3km庫(kù)長(zhǎng)54.65km,本庫(kù)段為懸移質(zhì)重點(diǎn)淤積庫(kù)段。庫(kù)段內(nèi),距壩78.95～84.67km為安陽(yáng)小湖泊區(qū),湖面最寬 2km;距壩56.7～78.95km為狹谷段;距壩56.7～37.3km為老均縣大湖泊區(qū),湖面最寬 6km。從圖2中可看出,本庫(kù)段內(nèi) 1960--2003年的深泓點(diǎn)沿程淤積縱剖面形態(tài)示,呈似駝峰形,中間狹谷段淤積相對(duì)少,淤積高程較低;上首安陽(yáng)小湖區(qū)深泓點(diǎn)淤積較高;下首老均縣大湖區(qū)的深泓點(diǎn)淤積更高。由于上首庫(kù)段1988年后已進(jìn)入懸移質(zhì)動(dòng)平衡庫(kù)段,所以,本庫(kù)段從上世紀(jì) 90年代至今淤積發(fā)展較快,河槽內(nèi)現(xiàn)在已處中細(xì)沙淤積區(qū)。本庫(kù)段內(nèi)距壩74.7km為石灰窯強(qiáng)制性彎道段,蓄水后至上世紀(jì) 80年代與蓄水前夕相比都處沖刷狀態(tài),成為漢江庫(kù)區(qū)縱沖剖面淤積形態(tài)不連續(xù)的間斷點(diǎn)。從90年代至今,隨著淤積的向下發(fā)展在各級(jí)庫(kù)水位條件下都現(xiàn)已回淤,見圖3中石灰窯狹谷彎道處深泓點(diǎn)示意圖。

圖3 漢江干流庫(kù)區(qū)強(qiáng)制性狹谷彎道段深泓點(diǎn)高縱剖面變化圖Fig.3 Longitudinal profile of talweg elevations with canyons and curved channels in Han River mainstream reservoir area

2.2.3 沖瀉質(zhì)重點(diǎn)淤積區(qū)庫(kù)段

距壩37.3km至壩前為狹谷段,該庫(kù)段為沖瀉質(zhì)異重流淤積庫(kù)段,屬水庫(kù)淤積的早期淤積階段,庫(kù)段內(nèi),不論建庫(kù)前是順直、彎道、分汊或?qū)捳?其橫斷面都呈平淤形式,縱向深泓點(diǎn)淤積縱剖面都較規(guī)則,縱向呈線性坡降形態(tài)(見圖2)。

3 橫剖面淤積塑造特點(diǎn)

3.1 橫斷面的形態(tài)塑造的4個(gè)階段

橫斷面淤積塑造過(guò)程大致可分成先后 4個(gè)階段。

第1階段為無(wú)槽平淤或相似形淤積階段,今以距壩95.1km的漢庫(kù) 26斷面為例,并點(diǎn)繪于圖4。漢庫(kù) 26斷面建庫(kù)前是個(gè)分汊型寬淺斷面,建庫(kù)后逐年淤積塑造成單一河槽的順直過(guò)渡斷面,如圖4中1967--1976年線示,此時(shí)段內(nèi),屬蓄水早期的空庫(kù)淤積階段,挾沙能力較小,淤積物以懸移質(zhì)中的細(xì)泥沙為主,入庫(kù)小水小沙時(shí),渾水充不滿斷面,呈擴(kuò)散狀淤積。淤積形式都是先淤老河槽。此階段內(nèi)不論是什么河型,都呈平淤或相似形淤積形態(tài),不顯新河槽的槽形。

圖4 漢庫(kù) 26分汊斷面淤積圖Fig.4 Sedimentation at Hanku cross-section No.26

第2階段為塑槽淤灘階段,如圖4中 1982年線示。隨著淤積的發(fā)展,斷面挾沙能力逐漸增大,新的動(dòng)力軸線也隨之形成,河床顯示出了新的槽位,從而使斷面淤積灘、槽分明,橫斷面的淤積總是先槽后灘的塑造過(guò)程。由于新槽位挾沙能力增大,兩岸挾沙能力相應(yīng)減小,兩岸邊灘的淤積速度也隨之加快。

第3階段為槽平衡階段,呈穩(wěn)槽固灘階段。如圖4中 1988年線示,此階段后期,河槽的挾沙能力已基本恢復(fù),河槽已進(jìn)入懸移質(zhì)輸沙動(dòng)平衡階段,河槽攪動(dòng)已出現(xiàn)沖淤平衡現(xiàn)象,河槽內(nèi)粗化交換明顯,兩岸邊灘仍顯累積性淤積,灘頂?shù)挠俜e高程,受壩前防洪限制水位152.5 m所控制。經(jīng)塑槽淤灘及新槽平衡二階段后,灘、槽部位在正常水位運(yùn)用下已基本穩(wěn)定。目前,漢江干流庫(kù)區(qū)距壩 75～91.95km庫(kù)段內(nèi)的橫斷面淤積塑造屬第3階段,見圖5(圖5為漢庫(kù) 20斷面,距壩 80km)。

第4階段為灘平衡階段,即灘、槽全斷面動(dòng)平衡階段,見圖4中 1988 2001年線示,此階段中,灘、槽淤積都處?kù)稇乙瀑|(zhì)輸沙動(dòng)平衡階段,當(dāng)橫斷面進(jìn)入動(dòng)平衡階段后,斷面上仍會(huì)出現(xiàn)灘、槽沖淤現(xiàn)象,但其淤灘與沖槽的沖淤量大致相當(dāng)。

圖5 漢庫(kù) 20多汊斷面淤積圖Fig.5 Sedimentation at Hanku cross-section No.20

3.2 橫斷面的形態(tài)塑造特點(diǎn)

3.2.1 單一河槽的塑造特性

不論建庫(kù)前是順直、彎曲、分汊、寬窄等等河型,建庫(kù)后,經(jīng)水庫(kù)淤積重新造床后,都呈單一河槽河型。單一河槽的形成有兩個(gè)因素。首先,水庫(kù)蓄水后形成的單一河槽,也是汛期壩前防洪限制水位152.5 m所對(duì)應(yīng)的動(dòng)力軸線,經(jīng)第3階段槽平衡的穩(wěn)槽固灘后,橫斷面的單槽部位在正常運(yùn)用水位條件下穩(wěn)定。其次,汛、枯期 2大造床期都在同一河槽內(nèi)進(jìn)行,因?yàn)榭菁鞠淦谑撬鳉w槽現(xiàn)象,即歸在汛期河槽內(nèi)。與天然河道水流規(guī)律不同,水庫(kù)中,水流在彎道段,無(wú)論是大水還是小水都同走一個(gè)河槽,見圖4、圖6示,斷面形態(tài)都由分汊河型淤積塑造成單一河槽河型。即使如距壩80km的漢庫(kù) 20斷面,見圖5示,建庫(kù)前屬多汊河段,建庫(kù)后也都塑造成單一河槽。

圖6 漢庫(kù) 14寬闊斷面淤積圖Fig.6 Sedimentation diagram at broad cross section of Hanku No.14

3.2.2 淤積重新塑造的斷面形態(tài)都很典型、規(guī)則

建庫(kù)后,丹江口水庫(kù)漢江干流庫(kù)區(qū)橫斷面,不論是彎道段或開闊段,最終沿程都淤積塑造成 2種單一河槽的河型,即彎道型與順直過(guò)渡型沿程相間的河型 ,且新淤積塑造的2種河型斷面都較典型、規(guī)則。現(xiàn)舉例說(shuō)明。

如圖4漢庫(kù) 26斷面,建庫(kù)前是分汊河段,且是著名的簍子灘斷面,圖5漢庫(kù) 20斷面,建庫(kù)前是多汊的鵝頭形彎道斷面,也是安陽(yáng)淺灘河段。建庫(kù)后,經(jīng)水庫(kù)淤積都重新塑造成單一河槽的順直過(guò)渡段斷面。又如圖7是距壩121.4km的漢庫(kù) 36斷面,建庫(kù)前雖為彎道頂斷面,卻不是彎道型斷面形態(tài),主槽在中間,無(wú)凸岸邊灘,建庫(kù)后,逐年淤積塑造成典型的彎道型斷面 。又如圖8,距壩92.85km的漢庫(kù) 25斷面 ,同樣為彎道頂斷面,但建庫(kù)前凸岸邊灘不顯,灘、槽差小,建庫(kù)后,都重新淤積塑造成典型規(guī)則的彎道頂斷面,凸岸邊灘發(fā)育,彎道頂點(diǎn)旁岸,灘、槽差明顯增大。

圖7 漢庫(kù) 36彎道斷面淤積圖Fig.7 Sedimentation diagram at cross-section of Hanku No.36

圖8 漢庫(kù) 25彎道斷面淤積圖Fig.8 Sedimentation diagram at cross-section of Hanku No.25

3.3 橫斷面的淤積主要分布在兩岸邊灘

變動(dòng)回水區(qū)沿程橫斷面淤積分布統(tǒng)計(jì)于表3。

表3 變動(dòng)回水區(qū)沿程橫斷面淤積量分布統(tǒng)計(jì)表Table 3 Deposition statistics at cross-sections along the distance in the fluctuation backwater area

從表3中可以看出,1968 1997年共 30 a的蓄水運(yùn)用以來(lái),變動(dòng)回水區(qū)沿程橫斷面的淤積分布,不論是順直段或彎道段,也不論斷面的寬窄,其橫斷面的淤積分布,都主要淤積在兩岸(順直段)或一岸(彎道段)邊灘。表3中例舉的6個(gè)斷面的總淤積面積 51 926 m2,其中淤灘面積為45 771 m2,占88.1%;淤槽面積 6 155 m2,占11.9%。同一種河型,沿程隨著回水影響程度的增大,其灘槽淤積量也增加,這種灘、槽淤積分布特點(diǎn)從圖4至圖8中各斷面中可直觀看出。

4 垂向淤積分布特點(diǎn)

丹江口水庫(kù)1960 2003年沿程地形法電算高程與淤積量分布見表4。其主要分布特點(diǎn)分述如下。

表4 丹江口水庫(kù) 1960--2003年高程與淤積量分布統(tǒng)計(jì)表Table 4 Deposition and elevation of Danjiangkou Reservior from 1960 to 2003

4.1 主要特征水位下的垂向淤積分布特點(diǎn)

從表4中可知,設(shè)計(jì)低水位 139 m下,全庫(kù)共淤12.30×108m3,占全庫(kù)總淤積量的76%,說(shuō)明丹江口水庫(kù)的垂向淤積分布中,其淤積量主要淤積在139 m下的死庫(kù)容內(nèi)。其中,漢江庫(kù)區(qū)死庫(kù)容內(nèi)共淤11.02×108m3,占全庫(kù)死庫(kù)容總淤積量的89.6%,由此說(shuō)明,139 m下死庫(kù)容的淤積也主要分布在漢江庫(kù)區(qū)內(nèi)。

4.2 垂向淤積分布特點(diǎn)

表4中漢江庫(kù)區(qū)內(nèi)152.5 m水位下共淤13.80×108m3,而 157 m水位下共淤 13.89×108m3,則152.5～157m水位間略淤0.09×108m3,但152.5 m水位下的淤積量,仍占 157 m下總淤積量的99.4%,說(shuō)明漢江庫(kù)區(qū)的垂向淤積分布也主要分布在152.5 m水位以下。由此可見,丹江口水庫(kù)漢江庫(kù)區(qū)垂向淤積分布,受壩前防洪限制水位152.5 m所控制。

5 小結(jié)

綜上所述,丹江口水庫(kù)蓄水運(yùn)用后,改變了原來(lái)的開然河道特性,其縱、橫、垂三向淤積分布,都受壩前防洪限制水位152.5 m所控制,其因主要是:在正常水位運(yùn)用年份內(nèi),汛期充水期,大水大沙的大造床期,都受壩前防洪限制水位152.5 m所控制,特大洪水超高水位運(yùn)用時(shí)間極少。因此,汛期的防洪限制水位152.5 m,就成為歷年水庫(kù)運(yùn)用中大造床期內(nèi)固定的造床水位,也必然成為歷年縱、橫、垂泥沙三向淤積分布中的控制水位。

[1]章厚玉,楊德安,楊 建.丹江口水庫(kù)變動(dòng)回水區(qū)的泥沙沖淤規(guī)律研究[R].丹江口:長(zhǎng)江水利委員會(huì)漢江局,2006.(ZANG Hou-yu,YANG De-an,YANG Jian.Sediment transport within varying backwater region of Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,2006.(in Chinese))

[2]張洪霞,林云發(fā),周曉英,等.丹江口水利樞紐河床演變的研究[R].丹江口:長(zhǎng)江水利委員會(huì)漢江局,2005.(ZHANG Hong-xia,LIN Yun-fa,ZHOU Xiaoying,et al.Channel evolution of Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,(in Chinese))

[3]楊克誠(chéng).丹江口水庫(kù)漢江庫(kù)區(qū)充水淤積的初步分析[R].丹江口:長(zhǎng)江水利委員會(huì)漢江局,2005.(YANG Ke-cheng.Preliminary analysis on sediment deposition in Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,2005.(in Chinese))