吉林省中部城市引松供水工程豐滿取水口泥沙分析

肖敬光 劉心玲

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 吉林長(zhǎng)春 130021）

1 引松供水工程概況

吉林省中部城市引松供水工程位于吉林省中東部，由第二松花江干流及其支流飲馬河、伊通河以及東遼河和招蘇臺(tái)河組成，總面積約8.41萬(wàn)km2，占吉林省總面積的45%。

工程主要建筑物由取水構(gòu)筑物（豐滿水庫(kù)取水口）和輸水線路組成，輸水線路包括輸水隧洞、支洞（永久交通支洞、中間輔助支洞、臨時(shí)施工支洞）、輸水管道、交叉建筑物、附屬建筑物和加壓泵站等組成。

輸水線路總長(zhǎng) 630.04km，包括輸水干線和輸水支線。輸水干線包括總干線、長(zhǎng)春干線、四平干線和遼源干線。輸水支線為從干線或調(diào)節(jié)水庫(kù)至各水庫(kù)或供水城市的線路。

引松供水工程由豐滿水庫(kù)壩上取水，取水口位于豐滿水庫(kù)左岸壩上1.2km處，隧洞閘門井進(jìn)水口底板高程為 231.60m，豐滿水庫(kù)死水位為242.00m，引水隧洞洞徑為7m。取水口位置如圖1所示。

圖1 引松供水工程豐滿取水口位置平面示意圖

2 豐滿水庫(kù)沙量分析計(jì)算

2.1 豐滿水庫(kù)簡(jiǎn)介

豐滿水庫(kù)位于第二松花江干流吉林市豐滿區(qū)，水庫(kù)控制流域面積為42500km2，占第二松花江流域面積的58%，占哈爾濱以上松花江流域面積的11%，幾乎控制了第二松花江上游的全部山區(qū)面積，地理位置適中，控制條件較好，是一座以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、供水、航運(yùn)、養(yǎng)魚等綜合利用的大型水庫(kù)，水庫(kù)按千年一遇洪水設(shè)計(jì)，萬(wàn)年一遇洪水校核。庫(kù)區(qū)為狹長(zhǎng)型河谷，回水長(zhǎng)度為 180km，最大水面寬度為 10km，庫(kù)面面積598km2，水庫(kù)總庫(kù)容109.8億m3，其中調(diào)洪庫(kù)容22.02 億 m3。

2.2 豐滿水庫(kù)入庫(kù)泥沙分析

第二松花江流域是吉林省泥沙較少的一條河流。泥沙觀測(cè)最早的水文站為吉林站，始建于1935年。流域內(nèi)現(xiàn)有26個(gè)測(cè)站進(jìn)行河道懸移質(zhì)泥沙觀測(cè)，干流測(cè)站4個(gè)，支流22個(gè)。

由于豐滿水庫(kù)是大（1）型水庫(kù)，其入庫(kù)水量組成較復(fù)雜，因此入庫(kù)泥沙的組成同樣比較復(fù)雜。豐滿水庫(kù)入庫(kù)泥沙組成包括以下幾個(gè)部分：紅石電站下泄沙量、輝發(fā)河干流來(lái)沙量、金沙河來(lái)沙量、蛟河來(lái)沙量以及松花江沿岸區(qū)間來(lái)沙量。本次豐滿水庫(kù)入庫(kù)泥沙分析共涉及水文參證站六處，其中紅石電站以上為漢陽(yáng)屯和高麗城子，兩站控制紅石電站面積的 65.4%；紅～豐區(qū)間采用水文參證站三處，分別為五道溝、民立、蛟河，控制白～豐區(qū)間面積的 71.4%。豐滿水庫(kù)出庫(kù)沙量以電站下游的吉林站控制，吉林～豐滿區(qū)間面積占豐滿水庫(kù)面積的3.7%。

紅石電站位于豐滿水庫(kù)上游、白山電站下游，上距白山電站壩址39km。電站壩址以上控制流域面積為 20300km2，電站最大泄量 14700m3/s，水庫(kù)總庫(kù)容 2.29億 m3，其中防洪庫(kù)容 1.34億 m3，由于防洪庫(kù)容不大，在第二松花江的防洪體系中不參與調(diào)洪。

2.2.1 白山水庫(kù)入出庫(kù)沙量計(jì)算

白山電站壩址以上控制流域面積為19000km2，水庫(kù)總庫(kù)容 59.1億 m3，其中調(diào)節(jié)庫(kù)容 29.43億 m3。

由于紅石電站庫(kù)容較小，對(duì)洪水無(wú)調(diào)節(jié)作用，本次計(jì)算只考慮白山水庫(kù)對(duì)懸移質(zhì)泥沙的攔蓄作用。首先根據(jù)白山水庫(kù)上游漢陽(yáng)屯水文站和高麗城子水文站實(shí)測(cè)資料計(jì)算水庫(kù)的多年平均入庫(kù)沙量，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算水庫(kù)下泄沙量，懸移質(zhì)攔沙率計(jì)算采用多年平均庫(kù)容淤損率方法計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：vα—多年平均庫(kù)容淤損率（%）；R—多年平均入庫(kù)沙量（m3）；V—總庫(kù)容（m3）；V正—正常蓄水位以下庫(kù)容（m3）；SRΔ—多年平均淤積量（m3）；W入—多年平均入庫(kù)徑流量（m3）。當(dāng)＞0.5或無(wú)底孔情況時(shí)，K=m=1。白山水庫(kù)攔沙率計(jì)算成果見表1。

表1 白山水庫(kù)攔沙率計(jì)算成果表

經(jīng)計(jì)算白山水庫(kù)攔沙率為83.5%。

豐滿水庫(kù)為特大型水庫(kù)，其總庫(kù)容大于白山水庫(kù)總庫(kù)容，從定性上分析其攔沙率應(yīng)該大于白山水庫(kù)攔沙率。由于豐滿水庫(kù)出庫(kù)資料基本為實(shí)測(cè)資料，當(dāng)已知白山水庫(kù)的攔沙率成果后，可以反推出豐滿水庫(kù)的攔沙率值，經(jīng)過(guò)試算，白山水庫(kù)攔沙率取比計(jì)算值少15個(gè)百分點(diǎn)，即攔沙率取68.5%時(shí)，符合大型水庫(kù)淤積規(guī)律，因此本次計(jì)算白山水庫(kù)攔沙率采用68.5%。

白山水庫(kù)以上的推移質(zhì)全部淤積在庫(kù)內(nèi)，懸移質(zhì)根據(jù)計(jì)算的排沙比泄入紅石水庫(kù)庫(kù)區(qū)，白山～紅石區(qū)間推移質(zhì)全部淤積在水庫(kù)內(nèi)，只計(jì)算懸移質(zhì)沙量，兩者相加即為紅石電站泄入豐滿水庫(kù)的泥沙總量。紅石電站泄入豐滿水庫(kù)的泥沙總量成果見表2。

2.2.2 白山～豐滿區(qū)間泥沙計(jì)算

（1）五道溝站泥沙計(jì)算

五道溝站位于輝發(fā)河干流下游，該站實(shí)測(cè)泥沙換算為多年平均侵蝕模數(shù)為123t/km2，推移質(zhì)輸沙量采用占懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)算。

（2）民立站泥沙計(jì)算

民立站位于金沙河下游，該站實(shí)測(cè)泥沙換算為多年平均侵蝕模數(shù)為175t/km2，推移質(zhì)輸沙量采用占懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)算。

（3）蛟河站泥沙計(jì)算

蛟河站位于蛟河下游，該站實(shí)測(cè)泥沙換算為多年平均侵蝕模數(shù)為135t/km2，推移質(zhì)輸沙量采用占懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)算。

五道溝水文站、民立水文站、蛟河水文站多年平均輸沙總量見表3。

（4）松花湖沿湖區(qū)間泥沙計(jì)算

松花湖沿湖區(qū)間多年平均懸移質(zhì)年輸沙模數(shù)在 100～200t/km2之間。根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析，本次計(jì)算沿湖區(qū)間輸沙模數(shù)采用150t/km2，推移質(zhì)輸沙量采用占懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)算，沿松花湖河岸侵蝕及沖刷等入庫(kù)沙量采用占懸移質(zhì)輸沙量的50%計(jì)算。松花湖沿岸多年平均輸沙總量見表4。

表2 紅石電站下泄泥沙總量成果表

表3 豐滿區(qū)間水文站多年平均輸沙總量成果表

表4 松花湖沿岸多年平均輸沙總量成果表

2.2.3 豐滿水庫(kù)入出庫(kù)泥沙計(jì)算

通過(guò)計(jì)算可以得出，豐滿水庫(kù)多年平均入庫(kù)總沙量為446.8萬(wàn)t。水庫(kù)下游吉林站實(shí)測(cè)多年平均懸移質(zhì)輸沙量為148.3萬(wàn)t。由于豐滿～吉林站之間只有溫德河匯入且集水面積較小，并且溫德河上口前水文站有實(shí)測(cè)泥沙成果，因此可以算出豐滿水庫(kù)多年平均懸移質(zhì)出庫(kù)沙量為128.2萬(wàn)t。

根據(jù)豐滿水庫(kù)多年平均出庫(kù)泥沙成果（128.2萬(wàn)噸）、多年平均入庫(kù)泥沙成果（446.8萬(wàn)噸），反推出豐滿水庫(kù)攔沙率為 71.3%，略大于白山水庫(kù)攔沙率 68.5%。從定性上分析，豐滿水庫(kù)攔沙率大于白山水庫(kù)的攔沙率是較合理的，從定量上分析攔沙率計(jì)算結(jié)果也基本滿足輸沙量上下游的平衡關(guān)系。

3 取水口泥沙淤積分析

3.1 淤積形態(tài)類型

水庫(kù)淤積形態(tài)包括縱向淤積和橫向淤積形態(tài)，縱向淤積形態(tài)由淤積縱剖面形態(tài)表示，橫向淤積形態(tài)由淤積橫斷面形態(tài)表示。水庫(kù)淤積縱剖面形態(tài)一般有五種類型，即：三角洲淤積、帶狀淤積、椎體淤積、楔形體淤積（倒錐體淤積）、鋸齒狀淤積等。實(shí)際水庫(kù)的縱向淤積形態(tài)既有單一形式，又有復(fù)合形式，并在一定條件下淤積形態(tài)會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)型。

3.2 豐滿水庫(kù)縱向淤積形態(tài)分析

為了分析引松供水工程建成后，豐滿水庫(kù)的泥沙淤積對(duì)取水口的影響，本次對(duì)豐滿水庫(kù)取水口的泥沙淤積進(jìn)行了分析研究。水庫(kù)淤積形態(tài)依據(jù)清華大學(xué)提出的淤積形態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式判別，判別公式為：

式中：V—校核洪水位以下庫(kù)容（m3）；Ws—多年平均入庫(kù)沙量（m3）；0J—庫(kù)區(qū)原河道比降，以萬(wàn)分率計(jì)。淤積形態(tài)判別系數(shù)為α，當(dāng)α≤2.2時(shí)為錐體淤積，當(dāng)α＞2.2時(shí)為帶狀淤積。豐滿水庫(kù)總庫(kù)容為108.9×108m3，多年平均入庫(kù)沙446.8×104t，淤積物的干容重取1.3t/m3，庫(kù)區(qū)原河道比降為1.5‰。豐滿水庫(kù)淤積形態(tài)計(jì)算成果見表5。

經(jīng)計(jì)算，淤積形態(tài)判別系數(shù)α為 209，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2.2，因此判斷為帶狀淤積。

帶狀淤積形態(tài)多出現(xiàn)在河道型水庫(kù)中，豐滿水庫(kù)屬于河道型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)較長(zhǎng)，大約有180km，河道的來(lái)沙大部分都淤積到庫(kù)尾，根據(jù)豐滿水庫(kù)建庫(kù)后1943～1958年觀測(cè)資料，經(jīng)過(guò)16年的運(yùn)行，水庫(kù)壩前20km范圍內(nèi)最高只淤積0.2m厚，大部分泥沙都淤積到庫(kù)尾（見圖 2），分析資料及觀測(cè)資料均說(shuō)明豐滿水庫(kù)是典型的帶狀淤積。該水庫(kù)的庫(kù)區(qū)形態(tài)、水沙特點(diǎn)及運(yùn)用方式?jīng)Q定了水庫(kù)淤積的特點(diǎn)：淤積物自壩前一直分布到正常高水位的回水末端，呈均勻的帶狀淤積形態(tài)。第二松花江流域?qū)儆谏偕澈恿?，豐滿水庫(kù)已經(jīng)運(yùn)行六十七年，未出現(xiàn)比較嚴(yán)重的泥沙淤積問題。

3.3 取水口斷面橫向淤積形態(tài)分析

為分析豐滿水庫(kù)庫(kù)區(qū)的泥沙淤積情況，豐滿水庫(kù)曾于1995年和2005年在庫(kù)區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)斷面圖。本次根據(jù)豐滿水庫(kù)實(shí)測(cè)大斷面位置布置圖，收集了引松供水工程取水口位置從下游至上游Cs1～Cs5斷面的1995年和2005年的實(shí)測(cè)大斷面。豐滿水庫(kù)壩前（取水口斷面）實(shí)測(cè)大斷面比較情況見圖3，Cs1～Cs5斷面262m下淤積成果見表6。挾沙水流進(jìn)入庫(kù)區(qū)后，含沙量及級(jí)配沿?cái)嗝娣植际遣痪鶆虻?，主槽含沙量大，所以一般?lái)說(shuō)是以主槽淤積為主。從豐滿水庫(kù)1995年和2005年實(shí)測(cè)的大斷面圖及成果表所作的對(duì)比分析可以看出，水庫(kù)泥沙在壩前基本是處于沖淤平衡的狀態(tài)，Cs3～Cs5斷面主槽泥沙略有淤積，Cs1～Cs2斷面主槽基本處于沖淤平衡狀態(tài)。

表5 豐滿水庫(kù)淤積形態(tài)計(jì)算成果表

表6 1995年與2005年水庫(kù)淤積測(cè)量262m下斷面淤積成果表

圖2 豐滿水庫(kù)平均淤積厚度(1943～1958)

圖3 豐滿水庫(kù)取水口斷面2005與1995年成果比較圖

4 小結(jié)

對(duì)豐滿水庫(kù)入庫(kù)泥沙進(jìn)行計(jì)算，得出了豐滿水庫(kù)的多年平均入庫(kù)沙量和攔沙率及淤積形態(tài)判別系數(shù)，通過(guò)分析可以得出豐滿水庫(kù)淤積形態(tài)為帶狀淤積，水庫(kù)來(lái)沙量大部分淤積在庫(kù)尾。

對(duì)水庫(kù)泥沙淤積觀測(cè)資料的分析，以及不同年代實(shí)測(cè)大斷面圖可以看出，豐滿水庫(kù)在壩前由于水流的沖擊作用，水庫(kù)泥沙在壩前處于沖淤平衡狀態(tài)，在取水口位置未發(fā)生淤積現(xiàn)象，引松供水工程取水口的運(yùn)行受水庫(kù)泥沙沖淤的影響較小。

1 焦恩東, 于德萬(wàn). 水庫(kù)泥沙淤積分析計(jì)算及防治措施[J]. 吉林水利, 2009,( 1): 64-67.

2 任紅卓, 安新強(qiáng). 中塬溝水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)分析與計(jì)算[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào), 2010, 8(3): 166-169.