水庫調(diào)度運行方式對水庫泥沙淤積的影響

葉輝輝，高學(xué)平，贠振星，趙自越

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

水庫調(diào)度運行方式對水庫泥沙淤積的影響

葉輝輝，高學(xué)平，贠振星，趙自越

（天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

水庫泥沙淤積相關(guān)問題的研究是大型水庫建設(shè)非常重要且必要的研究課題。通過庫區(qū)55 km范圍的泥沙物理模型試驗，研究2種泥沙調(diào)度運行方式下（方式1為前50 a汛期高水位運行，后50 a汛期低水位運行；方式2為100 a保持汛期低水位運行）水庫泥沙淤積演變過程、庫尾淤積、淤積量等情況。研究表明，不同運行方式下，汛期壩前水位對水庫泥沙淤積的沿程發(fā)展、庫尾淤積高程等影響較大。通過比較分析，水庫運行前50 a，2種運行方式下泥沙淤積差別較大，運行方式2，汛期保持低水位運行更有利于水庫排沙減淤；水庫運行后50 a，2種運行方式相同。隨著運行年限的增加，2種運行方式下泥沙淤積趨于相同。

水庫調(diào)度運行方式；泥沙淤積形態(tài)；庫尾淤積；淤積量；模型試驗

2015，32（01）：1－5，10

1 研究背景

水庫泥沙淤積不僅會造成水庫自身的安全問題，嚴(yán)重影響水庫發(fā)揮效益，縮短水庫壽命，而且還會造成下游河床沖刷。因此，水庫泥沙淤積相關(guān)問題的研究是大型水庫建設(shè)非常重要且必要的研究課題。

水庫減淤的方式有很多，通過水庫泥沙調(diào)度，控制泥沙淤積部位與高程是目前控制泥沙淤積的主要手段。水庫淤積形態(tài)與水庫調(diào)度運行方式密切相關(guān)，不同運行方式下水庫回水上延情況、淤積部位和庫容損失等明顯不同［1］。決定水庫淤積形態(tài)的主要因素是淤積百分?jǐn)?shù)的大小與壩前水位變幅［2］。20世紀(jì)60年代，林一山［3］初步論證了“水庫長期使用”的問題；韓其為［4］通過對水庫淤積發(fā)展過程、平衡時縱橫剖面的形態(tài)及平衡后的沖淤特性等問題的研究，了解長期使用水庫沖淤過程的內(nèi)在規(guī)律；黃河上的一些大型水庫如三門峽、青銅峽、三盛公等，通過改進(jìn)水庫的運行方式來控制水庫泥沙。因此，現(xiàn)階段，我國修建的水庫都吸取了以往水庫運用的經(jīng)驗教訓(xùn)，從水庫的長期使用出發(fā)，綜合防洪、發(fā)電、航運、泥沙淤積等各方面，采用蓄清排渾運用方式。

本文利用物理模型試驗，針對2種水庫調(diào)度運行方式，研究水庫泥沙淤積部位、淤積高程、庫尾淤積上延等情況。通過比較分析，研究水庫調(diào)度運行方式對水庫泥沙淤積的影響。

2 工程簡介及運行方式

某水庫正常蓄水位1 820.00 m，相應(yīng)庫容21.29億m3，死水位1 770.00m，死庫容8.69億m3。天然情況下庫區(qū)河床比降為4.04‰。圖1給出了庫區(qū)地形，圖中標(biāo)出各典型斷面的位置。

圖1 庫區(qū)地形及典型斷面位置Fig.1 Topography of reservoir area and locations of typical sections

該水庫多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為2 993萬t，多年平均入庫推移質(zhì)輸沙量為385萬t，庫沙比（V/WS）為86.06，屬于泥沙問題比較嚴(yán)重的水庫。水庫徑流年內(nèi)分配不均，6—8月份3個月水量占到年水量的68.47%；泥沙年內(nèi)分配極度不均，汛期6—8月份3個月的懸移質(zhì)沙量占全年的89.85%。汛期4—5月份場次洪水輸沙量相對較少，一般在100萬t以下；夏汛期6—8月份是場次洪水輸沙量最大的季節(jié)，豐沙年場次洪水輸沙量在1 000萬t以上，最大年可達(dá)6 746萬t；秋季9月份場次洪水輸沙量較少。

懸移質(zhì)泥沙主要由粉土和細(xì)沙組成，其中0.007～0.05 mm的粗粉土占51.3%，0.05～0.5 mm的中、細(xì)沙占48.4%，0.5～1 mm粗沙僅占0.3%，泥沙顆粒較細(xì)，為水流挾帶泥沙及排沙創(chuàng)造了有利條件。懸移質(zhì)泥沙干密度為1.30 t/m3。泥沙級配曲線見圖2（a）。

推移質(zhì)泥沙主要由粗沙、礫石和卵石組成，其中粗沙占4.0%，礫石占6.5%，卵石占72.2%，其干密度為2.24 t/m3。泥沙級配曲線見圖2（b）。

該水庫布設(shè)2條深孔排沙洞，1＃和2＃深孔排沙洞。1＃深孔排沙洞布置在右岸，進(jìn)口布置在2條發(fā)電洞進(jìn)口中間（發(fā)電洞進(jìn)口底板高程為1 750 m），進(jìn)口底板高程為1 715 m。2＃深孔排沙洞位于左岸中孔泄洪洞右側(cè)，引渠段底板高程為1 715 m。樞紐布置如圖3。

圖2 原型懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙級配曲線Fig.2 Grading curves of prototype suspended load and bed load

圖3 樞紐布置Fig.3 General layout of the hydropower junction

兼顧水庫興利與排沙的矛盾，擬定2種水庫調(diào)度運行方式。運行方式1：前50 a，汛期6—9月中旬保持汛限水位1 813 m，非汛期保持正常蓄水位1 820 m，后50 a，汛期6—7月份保持排沙水位1 770 m，非汛期保持正常蓄水位1 820 m；運行方式2：運行100 a，汛期6—7月份保持排沙水位1 770 m，非汛期保持正常蓄水位1 820 m。

3 模型設(shè)計與建立

3.1 模型比尺

根據(jù)模擬庫區(qū)的范圍和試驗場地情況，通過不同比尺的比較，確定模型水平比尺λL，垂向比尺λH，變率為5。應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)研究工程設(shè)施對河道泥沙運行和河床演變影響為主要對象時，模型變率宜為2～5，本文模型變率較大，會造成垂直方向的動力和動態(tài)的不相似，對試驗結(jié)果有著一定的影響，但是從模型驗證的結(jié)果以及前人的試驗情況來看，試驗結(jié)果還是能夠反映水庫泥沙淤積的實際情況的。

3.2 水流要素比尺

水流需滿足重力和阻力相似，按照重力相似準(zhǔn)則設(shè)計，則：

式中：λH為垂向比尺；λL為水平比尺；λQ為流量比尺；λP為原型流速；λm為模型流速。

3.3 懸移質(zhì)泥沙設(shè)計

選用密度為ρ＝1.45×103kg/m3的電木粉做模型沙，則重度比尺，浮重度比尺。式中：γ為水的重度；γsp，γsm分別為原型沙、模型沙重度，下標(biāo)s表示泥沙，下標(biāo)p表示原型，下標(biāo)m表示模型。

懸沙設(shè)計應(yīng)滿足沉降相似、揚(yáng)動相似、挾沙能力相似和沖淤時間相似。沉降相似保證淤積部位相似，揚(yáng)動相似保證泥沙懸浮相似，以沉降相似條件設(shè)計泥沙，以揚(yáng)動相似條件校核；挾沙能力相似保證泥沙量的相似，用其條件控制模型進(jìn)口加沙量；沖淤時間相似保證泥沙運動時間相似，用其條件控制模型試驗時間［5］。

3.3.1 沉降相似

由竇國仁［6］懸沙輸移方程得出沉降相似比尺為

為使泥沙級配沿垂線分布相似，要求模型沙和原型沙的級配相似，為此，需由原型沙級配求沉降速度ωP。建議采用如下沉降速度公式。

對于粒徑≤0.062 mm的沙，選用斯托克斯沉速公式［7］推算泥沙顆粒的沉降速度，即

式中：ω為沉降速度（cm/s）；D為沉降粒徑（mm）；ρs為泥沙密度（g/m3）；ρw為清水密度（g/cm3）；g為重力加速度（cm/s2）；ν為水的運動黏滯系數(shù)（cm2/s）。

對于粒徑在0.062～2 mm范圍內(nèi)的沙，應(yīng)采用沙玉清［7］的過渡區(qū)沉速公式推算泥沙顆粒的沉降速度，即

式中：Sa為沉速判數(shù)；φ為粒徑判數(shù)。

根據(jù)沉降相似比尺、模型沙沉速與粒徑關(guān)系，可求得泥沙級配，粒徑比尺為＝ 0.722。模型沙級配曲線見圖4。

圖4 懸移質(zhì)泥沙粒徑級配曲線Fig.4 Grading curves of suspended load

3.3.2 揚(yáng)動流速相似

揚(yáng)動流速比尺應(yīng)滿足λVf＝λV。為此，需要分別計算原型沙與模型沙的揚(yáng)動流速，求出揚(yáng)動流速比尺，檢驗是否滿足揚(yáng)動流速相似準(zhǔn)則。建議采用竇國仁［6］揚(yáng)動流速計算公式，即

取式中較大值作為揚(yáng)動流速。式中：H為水深；Δ為糙率，對于平整床面當(dāng)D≤0.5 mm時，Δ＝0.5 mm，當(dāng)D＞0.5 mm時，Δ＝D，D為粒徑，不均勻沙采用D50；當(dāng)泥沙顆粒處于將動未動的臨界狀態(tài)時，m＝0.265，當(dāng)泥沙顆粒處于少量動的起動狀態(tài)時，m＝0.320，當(dāng)泥沙顆粒處于普遍動的起動狀態(tài)時，m＝0.408；對于天然沙，εk＝2.56 cm3/s2；對于電木粉，當(dāng)未露出水面固結(jié)時，基本無黏性，取εk＝0；δ為薄膜水厚度，取2.1×10－5cm。

3.3.3 挾沙能力相似

由竇國仁［6］懸移質(zhì)挾沙能力公式得

式中：λS為含沙量比尺；λS*為挾沙能力比尺，即含沙量比尺等于挾沙能力比尺。

3.3.4 沖淤時間相似

沖淤時間比尺，由河床變形微分方程導(dǎo)出，即

式中λγ0為干重度比尺。具體模型沙各比尺見表1。

表1 模型懸沙比尺匯總Table 1 Scales ofmodel suspended load

3.4 推移質(zhì)泥沙設(shè)計

同樣選用電木粉做模型推移質(zhì)沙。推移質(zhì)泥沙較粗，因滿足起動流速相似。

3.4.1 起動流速相似

起動流速比尺滿足λVK＝λV。采用竇國仁［6］起動流速公式計算原型沙起動流速，根據(jù)水深與起動流速關(guān)系、起動流速與粒徑關(guān)系、起動流速相似比尺，反復(fù)試算求出模型推移質(zhì)沙級配，粒徑比尺為λD＝15.47。模型沙級配曲線見圖5。

圖5 推移質(zhì)泥沙粒徑級配曲線Fig.5 Grading curves of bed load

3.4.2 輸沙量相似［5］

根據(jù)王世夏建議的以密實體積計的單寬底沙輸沙率公式（D＞0.24 mm），得輸沙量比尺為

3.4.3 沖淤時間相似

根據(jù)河床變形方程式導(dǎo)出底沙沖淤時間比尺為

具體模型推移質(zhì)各比尺見表2。

表2 模型推移質(zhì)比尺匯總Table 2 Scales ofmodel bed load

3.5 模型建立

本模型模擬由壩址至壩上游55 km的庫區(qū)范圍。模型庫區(qū)河道長度約110 m，模型占地長75 m、寬40 m，模型高3 m，見圖6。模型上游設(shè)渾水池和清水池。模型下游設(shè)沉沙池。模型采用上游量水，采用電磁流量計和電動閥自動控制模擬流量歷時過程。

圖6 模型布置Fig.6 M odel layout

3.6 模型驗證

首先，試驗依據(jù)5，20，50 a一遇洪水流量下典型水文站實測的水位資料，進(jìn)行模型糙率的驗證。各典型水文站的實測值與試驗值基本一致，例如，50 a一遇洪水下，斷面31（距壩38 km）實測水位值為1 815.09 m，試驗值為1 815.16 m。

其次，進(jìn)行流態(tài)及最小水深的驗證。用回水末端斷面39和水沙系列概化后的最小流量300 m3/s計算，淤積前考慮回水區(qū)綜合糙率為0.035，計算模型雷諾數(shù)為4 299，大于1 000。原型與模型的水流均位于水力平方區(qū)。此外，試驗?zāi)Ｐ妥钚∷?.1 cm，大于1.5 cm，滿足河工試驗規(guī)程。

4 試驗成果及分析

針對2種水庫調(diào)度運行方式，分別進(jìn)行模擬水庫運行100 a的泥沙淤積試驗。

4.1 淤積演變過程及淤積形態(tài)

圖7給出了2種運行方式下水庫泥沙淤積的縱剖面圖。

從水庫淤積縱剖面分析，在2種運行方式下，水庫淤積均呈三角洲形態(tài)向壩前推進(jìn)；淤積三角洲頂端的淤積高程與汛期壩前水位基本相同。水庫運行前50 a，運行方式1與運行方式2泥沙淤積演變過程及淤積形態(tài)差別較大。水庫運行第50年，運行方式1淤積三角洲頂端位于距壩16.0 km處，淤積高程約1 813 m；運行方式2淤積三角洲頂端距壩6.0 km處，淤積高程約1 770 m。水庫運行后50 a，2種運行方式下，水庫的調(diào)度運行方式相同，隨著運行年限的增加，水庫的淤積演變過程趨于相同，運行至第100年，三角洲頂端均推至壩前，淤積高程約1 770 m。以淤積三角洲推進(jìn)至壩前的時間作為平衡標(biāo)準(zhǔn)，水庫的初步淤積平衡年限均在水庫運行90 a。

從水庫典型斷面淤積橫剖面看，2種運行方式下，隨著水庫運行年限的增加，斷面泥沙淤積逐漸抬高，但泥沙淤積抬高幅度逐漸減小，斷面淤積趨于穩(wěn)定。運行方式1，水庫上游上段地形狹窄，水庫運行后50 a，隨著水庫汛期變?yōu)榈退贿\行，大量泥沙沿著主槽被水流帶至壩前死庫容，形成明顯的陡槽現(xiàn)象，如圖8所示。

圖7 2種運行方式下淤積縱剖面Fig.7 Longitudinal profile of sedimentation in the presence of two schedulingmodes

圖8 典型斷面CS27的淤積橫剖面Fig.8 Transverse section of sedimentation at typical section CS27

4.2 庫尾淤積情況

2種運行方式的庫尾泥沙淤積狀況有所不同。運行方式1前50 a，庫尾斷面淤積較為嚴(yán)重，后50 a，庫尾基本無淤積；運行方式2運行100 a，庫尾斷面則基本無淤積。

運行方式1，前50 a，斷面CS33（距壩里程41.9 km）最低淤積高程1 838.3 m；斷面CS32（距壩里程40.7 km）最低淤積高程1 833.7 m；斷面CS31（距壩里程39.7 km）最低淤積高程1 830.7 m。后50 a，隨著水庫汛期保持在排沙水位1 770 m運行，庫尾大量的泥沙被帶至壩前死庫容，庫尾斷面淤積高程降低。水庫運行第60 a，斷面CS33（距壩41.9 km）最低淤積高程1 830.8 m；斷面CS32（距壩40.7km）最低淤積高程1823.1m；斷面CS31（距壩3 9.7km）最低淤積高程1819.5m。隨著低水位運行年限的增加，庫尾的泥沙淤積較少，水庫運行第100年，斷面CS33（距壩41.9 km）、斷面CS32（距壩40.7 km）基本無淤積，斷面CS31（距壩39.7 km）最低淤積高程則降低至1 820.2 m，僅在斷面CS33和斷面CS32處的拐彎處有較少的淤積，淤積厚度約3 m。運行方式2運行100 a，庫尾斷面基本無淤積，僅在斷面CS33與斷面CS31間的彎道處有部分少量的泥沙淤積，淤積厚度約2 m。

表3 2種運行方式的庫容及淤積量Table 3 Reservoir capacity and sedimentation amount in the presence of two schedulingmodes 104m3

可見，汛期壩前水位對水庫庫尾泥沙淤積有著重要的影響。

4.3 庫容及淤積量

表3給出了2種運行方式各特征水位下庫容及淤積量的比較。水庫運行50 a，運行方式1比運行方式2多淤3 233萬m3，運行方式1庫尾淤積較為嚴(yán)重，故淤積部位有所不同，正常蓄水位以下淤積量少2 308萬m3，死水位以下淤積量少14 565萬m3，調(diào)節(jié)庫容淤積量多12 284萬m3，說明運行方式2對減少調(diào)節(jié)庫容淤積量的效果是顯著的；隨著水庫運行年限的增加，運行方式1庫尾泥沙被大量帶至壩前死庫容，水庫運行100a，運行方式1比運行方式2多淤4 158萬m3，正常蓄水位以下淤積量多4 158萬m3，不同部位淤積差異明顯減小，死水位以下淤積量少109萬m3，調(diào)節(jié)庫容淤積量多4 266萬m3。

綜上所述，水庫運行100 a，2種運行方式下水庫庫容及淤積量相差不大，運行方式2淤積量較小，調(diào)節(jié)庫容淤積量較小。相對于運行方式1，運行方式2運行100 a，汛期保持排沙水位1 770 m運行更有利于水庫排沙減淤。

5 結(jié)論與建議

利用模擬壩前55 km的庫區(qū)泥沙物理模型試驗，分別依照2種水庫運行方式模擬水庫運行100 a，研究水庫的泥沙淤積情況。

（1）比較2種運行方式下的水庫泥沙淤積形態(tài)，汛期壩前水位直接影響水庫泥沙淤積縱向分布，淤積三角洲頂端高程基本與汛期水位保持一致。運行方式2汛期保持低水位運行，有利于泥沙更多更快地向壩前推進(jìn)，更好地起到排沙效果。隨著水庫運行年限的增加，庫區(qū)各斷面泥沙淤積逐漸抬高，但泥沙淤積抬高幅度逐漸減小，斷面淤積趨于穩(wěn)定。

（2）2種運行水位下，運行方式2汛期低水位運行，泥沙隨著水流被帶至壩前死庫容，庫尾泥沙基本無淤積。運行方式1汛期較高水位運行，庫尾回水上延較為嚴(yán)重。

（3）水庫運行前50 a，與運行方式1相比，運行方式2總淤積量較少，淤積部位有所不同，死庫容淤積較多，但調(diào)節(jié)庫容淤積較少，更有利于水庫興利。水庫運行后50 a，水庫調(diào)度方式一致，運行至100 a，2種運行方式死庫容均基本淤死，各特征水位下淤積量相差不大。

（4）水庫運行前50 a，2種運行方式泥沙淤積相差較大，運行方式2，汛期保持低水位運行，更有利于水庫排沙減淤；水庫運行后50 a，運行方式相同，隨著運行年限的增加，2種運行方式下泥沙淤積趨于相同。

（5）綜上所述，建議該水庫依據(jù)運行方式2低水位運行，庫尾基本無淤積，更有利于水庫排沙減淤。

［1］韓其為，楊小慶.我國水庫泥沙淤積研究綜述［J］.中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2003，1（3）：169－177.（HAN Qi-wei，YANG Xiao-qing.A Review of the Research Work of Reservoir Sedimentation in China［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2003，1（3）：169－177.（in Chinese））

［2］韓其為.水庫淤積［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.（HAN Qi-wei.Reservoir Sedimentation［M］.Beijing：Science Press，2003.（in Chinese））

［3］林一山.水庫長期使用問題［J］.人民長江，1978，（2）：1－8.（LIN Yi-shan.The Problem of Reservoir’s Longterm Use［J］.Yangtze River，1978，（2）：1－8.（in Chinese））

［4］韓其為.長期使用水庫的平衡形態(tài)及淤積變形研究［J］.人民長江，1978，（2）：18－35.（HAN Qi-wei.Study on the Equilibrium Shape and Deformation of Reservoir Sedimentation［J］.Yangtze River，1978，（2）：18－35.（in Chinese））［5］高學(xué)平，洪柔嘉，趙耀南.全沙模型試驗的一種設(shè)計方法［J］.水利學(xué)報，1996，（6）：57－62.（GAO Xue-ping，HONG Rou-jia，ZHAO Yao-nan.A Method Concerning the Design of Total Sediment Transport Model Test［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1996，（6）：57－62.（in Chinese））

［6］竇國仁.全沙模型相似律及設(shè)計實例［J］.水利水運科技情報，1997，（3）：1－20.（DOU Guo-ren.A Similarity Theory Concerning the Design of Total Sediment Transport Models with Reference to a Particular Project［J］.Water Transportation Science and Technology Information，1997，（3）：1－20.（in Chinese））

［7］沙玉清.泥沙運動學(xué)引論［M］.北京：中國工業(yè)出版社，1965.（SHA Yu-qing.Introduction of Silt Kinematics［M］.Beijing：China Industry Press，1965.（in Chinese） ）

（編輯：姜小蘭）

Impact of Reservoir Scheduling M ode on Sedimentation

YE Hui-hui，GAO Xue-ping，YUN Zhen-xing，ZHAO Zi-yue
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

We established physicalmodel of sedimentation in 55km range in the reservoir area to study the sediment characteristics including sedimentation evolution and sedimentation amount.Two different scheduling modes of a reservoir was taken as case study.Research suggests that the controlwater level in flood period is very pivotal to the vertical distribution of reservoir sedimentation and the sedimentation at the reservoir tail.In the first50 years of operation，the difference of sedimentation between the two schedulingmodes is quite large：for the second mode，low water level in flood season ismore conducive to sediment sluicing and deposition reduction.After50 years of operation，the sedimentation in the two schedulingmodes tends to be similar.

reservoir scheduling；sedimentationmorphology；sedimentation at reservoir tail；amount of sedimentation；model test

TV145

A

1001－5485（2015）01－0001－05

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.001

2013－09－11；

2013－11－01

葉輝輝（1989－），男，浙江臺州人，碩士研究生，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)方面的研究，（電話）18401557079（電子信箱）tjuyhh＠163.com。