近壩支流入?yún)R對錦凌水庫泥沙淤積的影響研究

計鴻博

(桓仁縣水務(wù)局，遼寧 桓仁 117200)

近壩支流入?yún)R對錦凌水庫泥沙淤積的影響研究

計鴻博

(桓仁縣水務(wù)局，遼寧 桓仁 117200)

泥沙淤積對水利樞紐工程的正常運行和功能發(fā)揮有顯著影響。文章利用泥沙運動規(guī)律構(gòu)建出二維泥沙數(shù)學(xué)模型，對小凌河干流上的錦凌水庫泥沙淤積問題進(jìn)行了研究，探索了近壩支流小湯河入?yún)R河段庫區(qū)的泥沙淤積規(guī)律，結(jié)論對發(fā)揮錦凌水庫的功能具有重要意義。

錦凌水庫；近壩支流；泥沙淤積

1 錦凌水庫的基本情況

1.1 工程概況

錦凌水庫位于遼寧省西部重要河流小凌河的干流上，壩址位于錦州市近郊區(qū)的后山河營子村，下游距離錦州市區(qū)約9 km[1]。錦凌水庫是小凌河干流上規(guī)劃中的唯一一座控制性水利樞紐工程，水庫正常蓄水位60 m，總庫容約8.5億m3。工程建成后可大幅度提升沈山鐵路橋的防洪標(biāo)準(zhǔn)，抵御洪水的能力將由原來的50 a一遇提高到百年一遇。下游錦州市防洪標(biāo)準(zhǔn)可由原來的50 a遇提高到200 a一遇。同時，水庫還可以對小凌河的季節(jié)性徑流進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，每年可向下游的錦州市供水0.98億m3，以替代地下水源，使錦州市的地下水恢復(fù)采補(bǔ)平衡。

1.2 水文泥沙情況

錦凌水庫是以防洪和供水為主要任務(wù)的大型綜合水利工程，控制流域面積3029 km2，占小凌河流域面積的58.8%[2]。小凌河流域?qū)儆诘湫偷闹袦貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均降雨量為556 mm，年內(nèi)分配極不均勻，主要降雨集中于夏季的7、8月份，占全年降水量的一半左右。受降雨季節(jié)變化的影響，小凌河徑流的年內(nèi)分布極不均勻，其中7-9月的徑流占全年的76.5%，而1-2月的徑流量僅占全年的3%左右。小凌河處于水土流失嚴(yán)重的遼西地區(qū)，因此，河流的輸沙情況比較嚴(yán)重，多年平均輸沙量約222.46萬t。受汛期暴雨影響，小凌河6-9月的輸沙量占全年的98.8%，與徑流的年內(nèi)變化基本一致[3]。

2 二維泥沙數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建與驗證

2.1 基本方程

二維泥沙數(shù)學(xué)模型主要包括兩大模塊：一是水動力模塊，主要由水流連續(xù)方程以及動量方程組成；二是泥沙輸送模塊，主要由泥沙連續(xù)方程以及河床變形方程組成[4]。組成二維泥沙數(shù)學(xué)模型的各基本方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下。

(1)水流連續(xù)方程：

(1)

(2)動量方程：

fq-fwWWx=0

(2)

fq-fwWWy=0

(3)

(3)泥沙連續(xù)方程：

(4)

(4)河床變形方程：

(5)

2.2 邊界條件

數(shù)學(xué)模型的初始條件為當(dāng)t為0時的水流平均流速、水深以及平均含沙量。具體而言，初始條件可以分為以下三種情況：一是t為0時的水流平均流速、水深以及平均含沙量設(shè)為某一定值；二是在所有的模擬區(qū)域范圍內(nèi)的不同特征區(qū)域設(shè)定不同的水流平均流速、水深以及平均含沙量；三是將事先計算獲得的固定結(jié)果導(dǎo)入為初始條件，進(jìn)行“熱啟動”[5]。在本次研究中的初始條件采用第一種方式。

2.3 計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

本次研究的計算區(qū)域包括小凌河及其支流小湯河交匯處上下游的部分區(qū)域，具體可分為兩部分。一是小湯河河口到該河上游的XTH34斷面部分，其中XTH34斷面下游距離水庫大壩6.1 km，距離小湯河河口約2.5 km；二是小凌河干流的模擬范圍，起自小湯河河口上游1.5 km處，終自水庫大壩上游的TH27斷面，長約3.5 km的河段，模型的總長為6.9 km。模型中的地形采用的是2013年實測工程河段的地形圖。研究中利用Delaunay計算法對模型區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到9878個節(jié)點，14 654個網(wǎng)格。

2.4 模型驗證

目前，錦凌水庫尚處于后期建設(shè)之中，庫區(qū)泥沙淤積的實測資料十分匱乏，不足以對構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行驗證。因此，本次研究中首先利用上述模型計算了庫區(qū)在不同水文年后的淤積情況，也就是按照小凌河和小湯河在豐水年、中水年和枯水年三種系列年概化資料進(jìn)行淤積計算，并與水庫建設(shè)勘察設(shè)計階段形成的引水防沙模型試驗研究報告中的結(jié)果進(jìn)行對比[8]。計算結(jié)果顯示，利用上述數(shù)學(xué)模型計算的不同水文年后庫區(qū)的泥沙淤積量與試驗報告的結(jié)果基本一致。因此，本數(shù)學(xué)模型可以達(dá)到模擬精度的實際要求，可以用于錦凌水庫庫區(qū)泥沙淤積計算。

3 結(jié)果分析

3.1 庫區(qū)的淤積量的計算

為了對錦凌水庫庫區(qū)的運行過程中的泥沙淤積情況進(jìn)行分析，研究過程中利用上節(jié)的數(shù)學(xué)模型對錦凌水庫的泥沙淤積量進(jìn)行了分析計算，計算以3 a、5 a、10 a、15 a以及20 a為時間節(jié)點進(jìn)行，結(jié)果如表1所示。由表格中的數(shù)據(jù)可以看出，小凌河的泥沙淤積量由3 a末的48.46萬t增加到20 a末的75.87萬t；小湯河的泥沙淤積量由3 a末的13.57萬t增加到20 a末的16.54萬t；整個計算區(qū)域之內(nèi)泥沙沉積量隨著水庫運行時間的增加而不斷增大，呈現(xiàn)出累積增長的態(tài)勢，但是增長速率隨水庫運行時間的增加而顯著降低，甚至小湯河區(qū)域在15～20 a計算時段內(nèi)的淤積量還略有下降。

3.2 庫區(qū)的淤積速率

為了進(jìn)一步研究錦凌水庫運行后庫區(qū)泥沙淤積的變化規(guī)律，在上節(jié)計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算出不同河段、不同計算年份的泥沙淤積速率，計算結(jié)果如表2所示。從計算結(jié)果可以看出，小凌河河段的淤積速率由前三年的4.62萬t減小到15～20 a的0.23萬t；小湯河前三年的淤積速率為1.81萬t，15～20 a時段為-0.12萬t；計算區(qū)域總體淤積速率也由6.42萬t減小到0.11萬t。由此可見，在水庫的運行之初，計算河段每年的泥沙淤積量相對較大，但是隨著水庫的持續(xù)運行，淤積速率也不斷衰減，在錦凌水庫運行20 a之后，庫區(qū)淤積就會變得相對輕微，基本達(dá)到一個平衡狀態(tài)，此時的總淤積量為27.85萬t，不會對水庫的安全運行和興利功能發(fā)揮產(chǎn)生較大影響。

表1 錦凌水庫庫區(qū)泥沙淤積情況計算結(jié)果

表2 庫區(qū)淤積速率計算結(jié)果

4 結(jié) 語

文章對遼西地區(qū)重要河流小凌河干流上的新建水庫——錦凌水庫的工程概況與水文泥沙條件進(jìn)行了簡要分析，根據(jù)庫區(qū)實測地形和開水來沙資料，構(gòu)建了錦凌水庫泥沙淤積二維數(shù)學(xué)模型。利用模型對錦凌水庫不同運行年限下的泥沙淤積情況進(jìn)行計算，結(jié)果顯示庫區(qū)泥沙呈累積性淤積形態(tài)，但是隨著運行時間的增長，淤積速率會不斷減小，在錦凌水庫運行20 a之后，計算區(qū)域的泥沙淤積將達(dá)到一個新的平衡，不會對水庫的安全運行和興利功能發(fā)揮產(chǎn)生較大影響。

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計鴻博(1981-)，女，遼寧建平人，工程師，主要從事水利工程設(shè)計與管理工作。E-mail:CZ100A@163.com。

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