沙量平衡法與斷面法對比分析水庫沖淤變化

葉建新

(遼寧省鬧德海水庫管理局，遼寧阜新 123000)

鬧德海水庫是遼寧省柳河上的一座重要控制工程，是一座防洪滯沙、農(nóng)田灌溉、工業(yè)供水等綜合利用的大(Ⅱ)型水庫，是阜新市重要的水源地之一。1942年鬧德海水庫修建后，大壩壅水作用強(qiáng)烈，但有利的庫區(qū)地形和全年敞泄的運(yùn)用方式，使得庫區(qū)具有大水年淤積、中小水年沖刷的規(guī)律。雖經(jīng)歷了幾場大洪水淤積，仍能長期保持77%左右?guī)烊?。但隨著鬧德海水庫調(diào)度運(yùn)用方式的改變，庫區(qū)內(nèi)的沖淤情況也發(fā)生了重大的變化。

沖淤量計(jì)算主要有兩種方法，一是根據(jù)不同時期地形測量資料計(jì)算庫區(qū)的沖淤變化。二是根據(jù)進(jìn)出庫水文測驗(yàn)資料通過沙量平衡法計(jì)算。通過兩種方法計(jì)算結(jié)果對比分析庫區(qū)的沖淤變化以及兩種方法在鬧德海水庫的適用情況，為鬧德海水庫的合理調(diào)度、柳河流域水土流失治理以及生態(tài)建設(shè)、防洪規(guī)劃、水資源管理等提供可靠的科學(xué)資料。

1 流域及工程概況

鬧德海水庫是遼河支流柳河干流上唯一已建的大型控制性工程?？刂屏饔蛎娣e4051km2。水庫上游分南、北兩支，南支為扣河子，發(fā)源于內(nèi)蒙古奈曼旗境內(nèi)，流經(jīng)內(nèi)蒙古庫倫旗、遼寧省阜新市阜蒙縣;北支為養(yǎng)畜牧河，發(fā)源于庫倫旗境內(nèi)，流經(jīng)后旗至烏蘭火燒與扣河子河匯流后稱柳河。整個流域大致可劃分為5個區(qū)，既石質(zhì)低山丘陵區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、沙化曼崗區(qū)、沙坨甸區(qū)及沿河平原區(qū)。流域內(nèi)地形復(fù)雜多變，洪水暴漲暴落。植被覆蓋率僅為20% ～30%，柳河泥沙含量較大，年平均輸沙量達(dá)1047萬t。

水庫主體工程為直線式混凝土重力壩，主要由擋水壩段、溢流壩段、排沙中孔、底孔和引水隧洞等建筑物組成。大壩總長167m，壩頂高程194m，壩頂寬5m，最大壩高44.5m。中間為開敞式溢流壩段，壩頂高程181.5m，最大壩高32m，總長75m，溢流壩段設(shè)有6個溢流墩，溢流凈寬53m。壩體151m高程處設(shè)有5個排沙底孔，斷面尺寸1.7m×2.35m，孔長34.2m。163m高程處設(shè)有2個泄洪中孔，斷面尺寸1.7m×1.85m，長22m。各孔均設(shè)有工作閘門及檢修閘門(平板鋼閘門)。大壩上游右岸距壩頭50m處設(shè)有直徑3m的灌溉引水隧洞(1976年為發(fā)展彰武縣當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉而開鑿)，進(jìn)口高程164.5m，洞長450m，設(shè)計(jì)最大引水流量30m3/s。水庫調(diào)節(jié)性能為不完全年調(diào)節(jié)。

2 水庫運(yùn)用方式

水庫的調(diào)度運(yùn)用方式可以分為4個階段。

第一階段:1942年～1970年11月為“滯洪排沙”運(yùn)用階段，底孔、中孔均不設(shè)閘門，全年敞泄，僅在遭遇大洪水時滯洪壅水。

第二階段:1970年11月～1995年7月，由于1970年工程改建時底孔和中孔都安裝了閘門，為了興利，采用“冬蓄春放，汛期敞排”運(yùn)用方式。該階段，每年春天5月份開閘向遼河下游供水5000～7000萬m3，汛期敞泄，10月初落閘蓄水。

第三階段:1995年7月～2000年，在“冬蓄春放”基礎(chǔ)上再延長蓄水期，即“6、9月份蓄水”階段。因1991年～1994年水庫工程又加固改建一次，提高了防洪標(biāo)準(zhǔn)，同時改造閘門啟閉設(shè)備。為了保證向阜新市每日供水10萬t(引水工程和水庫改建同時開工)，汛期的6、9月份采取174m蓄水運(yùn)用，7、8月份開閘敞泄洪水。

第四階段:2001年以后在來水來沙偏枯的前提下，為了充分利用水資源，7、8月份也蓄水，達(dá)到全年蓄水。其中2008年3月11日～8月22日之間由于水庫大壩加固，閘門拆除，水庫自然敞泄。

3 對比分析水庫沖淤變化

3.1 沙量平衡法

運(yùn)用沙量平衡法計(jì)算庫區(qū)沖淤量ΔWS，計(jì)算方法如下:

ΔWS=WS入+WS末－ WS出

式中:WS入為入庫水文站的輸沙量，WS出為出庫站的輸沙量，WS末為入庫水文站到大壩間未控區(qū)來沙量。沙量平衡法歷年庫區(qū)沖淤變化過程詳見圖1。

鬧德海水庫以石門子、三家子、白廟子水文站為入庫控制站，3站到大壩之間未控區(qū)來沙量按面積加權(quán)法，即未控區(qū)流域面積占石門子、三家子、白廟子控制流域面積的13.44%，未控區(qū)來沙量也按3站來沙量的13.44%計(jì)算，根據(jù)進(jìn)出庫沙量平衡求得庫區(qū)沖淤量，1970年控制運(yùn)用以來歷年(沖淤量采用運(yùn)用年，即上年度10月1日到本年度9月30日)庫區(qū)沖淤變化過程。可見，1970～2000年除個別年份外多為沖刷過程，累計(jì)沖刷量達(dá)2855萬t，2001～2007年發(fā)生累積淤積，淤積量為758萬t，2008年發(fā)生沖刷，2009年又有回淤，但量值均比較小。從年內(nèi)分配來看，1970～2000年汛期(6～9月)沖刷量為4309萬t，年平均沖刷139萬t，大于全年平均沖刷量(92萬t)，說明鬧德海庫區(qū)具有非汛期淤積、汛期沖刷的特點(diǎn)。2001～2009年汛期變化和全年變化一致，多表現(xiàn)為淤積，其中汛期淤積量614.8萬t，占全年淤積量725.1萬t的84.8%。

圖1 歷年庫區(qū)沖淤變化過程(沙量平衡法)

3.2 斷面法

根據(jù)1974年以來庫區(qū)斷面資料計(jì)算結(jié)果，從1974年10月～2009年10月累計(jì)沖刷量為703.22萬m3，其中1974年10月～2000年10月累計(jì)沖刷量為1054萬m3，到1998年10月達(dá)最大值1179.4萬m3;2000年10月到2009年10月為累計(jì)淤積過程，淤積量為350.6萬m3。歷年變化過程見圖2。根據(jù)2000年以前汛前和汛后斷面資料分析，1975～2000年汛期沖刷量為1557.7萬m3，年平均為59.9萬m3，大于相應(yīng)的全年平均沖刷量40.5萬m3，說明該時段庫區(qū)具有汛期沖刷、非汛期淤積的特點(diǎn)。

3.3 沙量平衡法與斷面法成果對比分析

圖3為鬧德海水庫斷面法和沙量平衡法計(jì)算的歷年沖淤量結(jié)果對比圖。由圖可以看出，對于沖淤量較大的情況，絕大多數(shù)年份兩種方法的計(jì)算結(jié)果定性一致，有的年份沖淤量值非常接近，有的量值差異較大;沖淤量值較小的情況，兩種方法的計(jì)算結(jié)果定性存在差異的年份較多，如1987、1996、2002、2007年沙量平衡法為淤積、而斷面法為沖刷，1991和1993年則沙量平衡法為沖刷、斷面法為淤積，其他年份兩種方法計(jì)算沖淤性質(zhì)一致。

圖2 斷面法歷年庫區(qū)沖淤變化過程

圖3 鬧德海庫區(qū)歷年沖淤量對比

圖4為斷面法和沙量平衡法計(jì)算的累計(jì)沖淤量結(jié)果對比，可以看出，兩種方法計(jì)算結(jié)果總體變化趨勢一致，從1974年10月～1998年10月總體上表現(xiàn)為持續(xù)性沖刷;從1998年10月～2009年10月總體上表現(xiàn)為持續(xù)性淤積。兩種計(jì)算方法結(jié)果都表明，在1983年10月～1985年10月～1986年10月，有明顯的大淤大沖現(xiàn)象，在1993年～1994年運(yùn)用年，均呈明顯的沖刷過程。從1974年10月～2009年10月累計(jì)沖刷量看，斷面法和沙量平衡法計(jì)算結(jié)果分別為984.5萬t和1301.1萬t，沖刷總量比較接近。從不同時段統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，1974年10月～2000年10月，無論是運(yùn)用年還是汛期和非汛期，兩種方法計(jì)算結(jié)果沖淤特征完全一致，只是總量上存在差異，無論沖刷量或淤積量，沙量法均大于斷面法;2000年10月～2009年10月兩種方法計(jì)算結(jié)果均為淤積，但斷面法淤積量小。

表1 不同方法計(jì)算累計(jì)沖(－)淤量對比 單位:萬t

不同方法計(jì)算累計(jì)沖淤量對比見表1，對比水庫運(yùn)用和入庫沙量，個別年份斷面法和輸沙率法計(jì)算結(jié)果差異較大。如，2002和2007年水庫并沒有敞泄運(yùn)用，庫區(qū)不會發(fā)生沖刷，但斷面法計(jì)算結(jié)果為沖刷，2007年沖刷量還非常之大;1993年入庫沙量為304.9萬t，斷面法卻淤積泥沙289.9萬m3(合405.9萬t)，1999年入庫沙量僅75.3萬t，斷面法庫區(qū)淤積322.3萬m3(合451.2萬t)，2009年入庫沙量僅24.8萬t，斷面法庫區(qū)淤積182.4萬m3(合255.4萬t)。

圖4 鬧德海庫區(qū)歷年累計(jì)沖淤量變化

4 結(jié)論

經(jīng)過對比分析可以得出，不同的運(yùn)用方式對水庫的沖淤變化有著很大的影響，1970～2000年間水庫多為非汛期淤積，汛期沖刷的特點(diǎn)，除各別年份外多為沖刷的過程。而2000年以后調(diào)度運(yùn)用方式的改變，除2008年屬于沖刷過程外其他年份兩種方法的計(jì)算結(jié)果均為淤積狀態(tài)。

經(jīng)過對兩種方法沖淤量計(jì)算結(jié)果對比，沙量平衡法和斷面法本身均可能存在一定誤差。

(1)對于沙量平衡法:①測驗(yàn)方法本身會存在系統(tǒng)偏差;②進(jìn)入庫區(qū)懸沙較粗，中值粒徑在0.05mm左右，以推移質(zhì)形式輸移的比例會較大，影響輸沙量計(jì)算;③未控區(qū)來沙的計(jì)算，本文均采用按未控區(qū)面積比例計(jì)算，實(shí)際上由于各年的降雨分布、降雨強(qiáng)度等不同，產(chǎn)沙模數(shù)存在差異，對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2)對于斷面法:①斷面布置的稀疏和測點(diǎn)的多少直接影響測驗(yàn)精度;②當(dāng)淤積量較小時斷面測驗(yàn)的相對誤差會偏大;③庫區(qū)低水位時的塌岸現(xiàn)象也是造成斷面法和輸沙率法淤積量差異的原因之一。從沖淤量計(jì)算成果看，除個別年份差異較大外，多數(shù)年份在沖淤總量、汛期和非汛期沖淤量分配等方面，斷面法與沙量平衡法也基本接近，兩種方法各有其優(yōu)勢。因此，在計(jì)算分析年內(nèi)的汛期、非汛期、洪水期等沖淤變化時采用沙量平衡法，在分析庫區(qū)沖淤的沿程變化時以斷面法為主。

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