水庫(kù)泥沙淤積及其對(duì)工程運(yùn)用的影響

□馬翠麗□張建□萬(wàn)占偉

（1河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司；2黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

水庫(kù)泥沙淤積及其對(duì)工程運(yùn)用的影響

□馬翠麗1□張建2□萬(wàn)占偉2

（1河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司；2黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

為分析泥沙淤積對(duì)白水水庫(kù)庫(kù)容及死水位選擇的影響，對(duì)水庫(kù)來(lái)水來(lái)沙和淤積形態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)計(jì)水庫(kù)淤積形態(tài)，從而確定壩前淤積高程、死水位和水庫(kù)淤積后有效庫(kù)容。為了工程更安全的興利運(yùn)用，采用錐體淤積形態(tài)設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)成果，白水水庫(kù)運(yùn)用50a后，庫(kù)區(qū)淤積泥沙187.78萬(wàn)m3，壩前淤積高程為1 218 m，正常蓄水位下有效庫(kù)容約1 094萬(wàn)m3。綜合考慮泥沙淤積、灌溉效益、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)影響及工程投資等主要因素，確定水庫(kù)死水位為1 226 m，為工程規(guī)模論證提供依據(jù)。

水庫(kù)泥沙淤積；水庫(kù)庫(kù)容；死水位

0 引言

由于近年來(lái)氣候變化異常，我國(guó)西南地區(qū)遭遇歷史罕見(jiàn)的特大旱災(zāi)，城鄉(xiāng)居民生活、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)用水均無(wú)法保障，急需推進(jìn)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，新建一批大中小型水庫(kù)工程。而水庫(kù)要保證一定的使用年限、更好地發(fā)揮效益，工程設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮泥沙淤積引起的一系列問(wèn)題如庫(kù)容損失、淤堵取水口、水質(zhì)惡化、加重維護(hù)成本等。田海濤等對(duì)中國(guó)內(nèi)地115座水庫(kù)淤積情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，截止到2003年水庫(kù)庫(kù)容年均淤積率為0.76%，相當(dāng)于每年損失一座庫(kù)容42.30億m3的超大型水庫(kù)，其中，中小型水庫(kù)比大型水庫(kù)淤積嚴(yán)重［3］。龔朝蜀和劉家應(yīng)先后對(duì)烏江渡水電站實(shí)測(cè)泥沙淤積特點(diǎn)與成因進(jìn)行研究，并與原設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)運(yùn)行初期壩前出現(xiàn)嚴(yán)重泥沙淤積的原因主要為上游來(lái)沙增多、泥沙較細(xì)且河道比降較大易產(chǎn)生異重流、壩前施工圍堰攔淤、水庫(kù)初期低水位運(yùn)行、排沙洞底高程較高實(shí)際排沙率很小等，水庫(kù)實(shí)際為帶狀淤積形態(tài)，提出原設(shè)計(jì)的失誤和不足，為水庫(kù)工程泥沙設(shè)計(jì)總結(jié)了經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。水庫(kù)泥沙淤積量和淤積形態(tài)對(duì)水庫(kù)有效庫(kù)容、特征水位、水庫(kù)回水長(zhǎng)度及取水口位置影響很大。因此，工程規(guī)模論證時(shí)必須考慮入庫(kù)泥沙及泥沙淤積問(wèn)題，以保障水庫(kù)使用年限，更好發(fā)揮工程效益。

1 白水水庫(kù)淤積設(shè)計(jì)

1.1 白水水庫(kù)基本情況

白水水庫(kù)位于北盤江右岸一級(jí)支流西泌河上游支流白水河上，壩址位于普安縣江西坡鎮(zhèn)黃泥田村附近，壩址以上集雨面積42.66 km2。工程區(qū)距離普安縣城約11 km，距離江西坡鎮(zhèn)約5 km。

水庫(kù)的建設(shè)任務(wù)主要是為解決普安縣城鄉(xiāng)生活、工業(yè)用水以及農(nóng)田和茶園的灌溉用水。設(shè)計(jì)最大壩高50.00 m，總庫(kù)容1 343萬(wàn)m3，正常蓄水位1 246.40 m，對(duì)應(yīng)庫(kù)容1 276萬(wàn)m3。白水水庫(kù)屬Ⅲ等、中型水庫(kù)。

1.2 水庫(kù)泥沙設(shè)計(jì)條件

1.2.1 庫(kù)區(qū)河道特征

白水水庫(kù)壩址以上集水面積42.66 km2，蓄水區(qū)河道平均比降為10.50‰。正常蓄水位1 246.40 m下，庫(kù)區(qū)平均河寬約300 m，壩址上游約1.30 km處河道束窄，河寬不足100 m，從束窄處向上游左右岸均有支溝匯入，河道又展寬，最大河寬達(dá)500 m，平均河寬約300 m。

1.2.2 入庫(kù)水沙特征

白水河流域?qū)俚湫偷纳絽^(qū)雨源型河流，徑流由降水產(chǎn)生，徑流特性與降水特性基本一致，徑流年內(nèi)分配不均，洪、枯變化較大。根據(jù)鄰近烏都河流域草坪頭水文站資料分析，5-10月徑流量占全年的85%左右，其中6-9月占全年的70%左右，11月至次年4月占全年的15%左右。年最小流量多出現(xiàn)在每年的3月和4月。

白水河流域?qū)贌o(wú)資料地區(qū)，無(wú)水文站、雨量站和氣象站。根據(jù)集水面積、下墊面因素及地理位置與設(shè)計(jì)流域的關(guān)系，本次設(shè)計(jì)選用鄰近流域拖長(zhǎng)江草坪頭水文站作為水文計(jì)算參證站。水庫(kù)壩址徑流采用水文比擬法計(jì)算。壩址以上流域多年平均降雨量1 500 mm，多年平均徑流系數(shù)0.51。草坪頭水文站集水面積1 085 km2，控制流域多年平均降水量1 304.4 mm，多年平均徑流量6.94億m3，多年平均徑流系數(shù)0.49。經(jīng)計(jì)算，白水水庫(kù)多年平均徑流量為3 266萬(wàn)m3，多年平均流量為1.04 m3/s。

白水河流域無(wú)實(shí)測(cè)泥沙資料。流域內(nèi)開(kāi)墾度一般，植被較好，但由于流域內(nèi)地勢(shì)陡峭，水土流失較為嚴(yán)重。泥沙主要來(lái)源于暴雨對(duì)坡面的侵蝕以及洪水對(duì)河床的沖刷。根據(jù)貴州省懸移質(zhì)輸沙模數(shù)分區(qū)圖，白水水庫(kù)所在流域懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為500～1 000 t/km2區(qū)域邊緣，輸沙模數(shù)比較大。根據(jù)鄰近流域?yàn)醵己硬萜侯^水文站實(shí)測(cè)泥沙資料統(tǒng)計(jì)，草坪頭水文站多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為945 t/km2，結(jié)合白水河流域地形地貌、下墊面條件，確定白水河流域懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為1 000 t/km2，年均懸移質(zhì)輸沙量為4.27萬(wàn)t；為安全考慮，推移質(zhì)輸沙模數(shù)按懸移質(zhì)輸沙模數(shù)的20%計(jì)算，則年均推移質(zhì)輸沙量為0.85萬(wàn)t。因此，水庫(kù)壩址處多年平均年輸沙總量為5.12萬(wàn)t。

1.3 水庫(kù)淤積形態(tài)設(shè)計(jì)

1.3.1 泥沙淤積量

白水水庫(kù)為蓄水運(yùn)用，以滿足附近城鎮(zhèn)生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水等，未設(shè)置排沙洞，難以排泄入庫(kù)泥沙，根據(jù)Brune的水庫(kù)多年平均攔沙率經(jīng)驗(yàn)曲線，計(jì)算水庫(kù)懸移質(zhì)攔沙率為93%，按最大不利設(shè)計(jì)，入庫(kù)泥沙全部攔淤庫(kù)區(qū)。水庫(kù)淤積計(jì)算年限分別按20a和50a進(jìn)行水庫(kù)淤積設(shè)計(jì)。懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙干容重分別按1.30 t/m3、1.80 t/m3，水庫(kù)運(yùn)行20 a、50 a累計(jì)攔沙體積分別為75.11萬(wàn)m3、187.78萬(wàn)m3。

1.3.2 水庫(kù)淤積形態(tài)及壩前淤積高程

1.3.2.1 縱向淤積形態(tài)

白水水庫(kù)無(wú)防洪任務(wù)，水庫(kù)汛期限制水位為正常蓄水位。水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)主要受上游徑流變化和水庫(kù)運(yùn)用方式影響。在汛期5-10月，當(dāng)水庫(kù)來(lái)水大于生活、灌溉和河道生態(tài)用水要求時(shí)，水庫(kù)蓄水運(yùn)用，控制水庫(kù)水位不超過(guò)正常蓄水位；當(dāng)水庫(kù)蓄水達(dá)到正常蓄水位且入庫(kù)流量大于用水需求時(shí)，水庫(kù)按來(lái)水量下泄，發(fā)生大洪水時(shí)水庫(kù)敞泄運(yùn)用；當(dāng)水庫(kù)來(lái)水小于生活、灌溉和河道生態(tài)用水要求時(shí)，水庫(kù)按綜合要求下泄水量。在非汛期11-4月份，水庫(kù)蓄水興利運(yùn)用，利用正常蓄水位和死水位之間的調(diào)節(jié)庫(kù)容對(duì)入庫(kù)徑流過(guò)程進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足供水目標(biāo)要求。根據(jù)水庫(kù)蓄水運(yùn)用方式可知，白水水庫(kù)高水位維持在正常蓄水位運(yùn)用，除了上游來(lái)水較少為了維持下游灌溉和河道生態(tài)等的用水需求才會(huì)降低水位下泄水量。

水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)分別采用清華大學(xué)和陳文彪、謝葆玲經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算判斷。

清華大學(xué)水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：a——水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)判別指數(shù)；V——總庫(kù)容，m3；WS——年均懸移質(zhì)入庫(kù)沙量，m3；J0——河道比降，?。經(jīng)計(jì)算a=3.8，大于2.2，白水水庫(kù)為三角洲淤積形態(tài)。

另陳文彪、謝葆玲公式：

當(dāng)φ＞0.04，為三角洲淤積；當(dāng)φ＜0.04，為帶狀淤積。式中為庫(kù)水位變化程度，Δh為水庫(kù)歷年平均壩前水位變幅，m；h為水庫(kù)歷年平均壩前水深，m；根據(jù)水庫(kù)正常運(yùn)行期運(yùn)用方式表征入庫(kù)水沙條件，WS是多年平均年入庫(kù)懸移質(zhì)沙量，m3；W為多年平均年入庫(kù)水量，m3。經(jīng)計(jì)算φ＞0.05，判斷白水水庫(kù)為三角洲淤積形態(tài)。

但是，據(jù)調(diào)研貴州省已建和規(guī)劃設(shè)計(jì)的水庫(kù)縱剖面多為帶狀沿程均勻淤積，最終形成錐體淤積形態(tài)。因此，下面分別按三角洲和錐體淤積設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行比較。

根據(jù)入庫(kù)淤積量和庫(kù)區(qū)地形、橫斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算庫(kù)區(qū)泥沙淤積體各段的淤積厚度和淤積面比降，進(jìn)行鋪沙試算。隨著水庫(kù)運(yùn)行年限增加，錐體形態(tài)與三角洲形態(tài)設(shè)計(jì)的壩前淤積高程變化幅度增加，錐體形態(tài)壩前淤積高程較大，對(duì)水庫(kù)興利運(yùn)用來(lái)說(shuō)是一種不利的淤積形態(tài)，而且白水河徑流年內(nèi)分配不均，洪枯季變化較大，會(huì)影響水庫(kù)初期的運(yùn)行水位。為保證水庫(kù)能按規(guī)劃的興利任務(wù)運(yùn)用，提供更多的興利庫(kù)容，并汲取烏江渡水庫(kù)淤積設(shè)計(jì)教訓(xùn)，白水水庫(kù)淤積形態(tài)設(shè)計(jì)成果采用錐體淤積形態(tài)。

1.3.2.2 橫向及支流淤積形態(tài)

庫(kù)區(qū)泥沙橫向淤積主要集中在天然河道主槽內(nèi)，為水平淤積形態(tài)。庫(kù)區(qū)最大支流位于庫(kù)區(qū)左岸，距壩1.41 km，河長(zhǎng)約2.76 km，比降大于干流，支流自身來(lái)沙量很小，泥沙淤積主要來(lái)源于干流倒灌，按水平淤積形態(tài)設(shè)計(jì)，淤積高程與庫(kù)區(qū)入?yún)R口處一致。白水水庫(kù)淤積形態(tài)設(shè)計(jì)成果如圖1所示。

圖1 水庫(kù)運(yùn)行后泥沙淤積形態(tài)設(shè)計(jì)示意圖

1.3.2.3 壩前淤積高程

白水水庫(kù)運(yùn)用20 a后，淤積泥沙75.11萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)壩前淤積高程為1 212 m；運(yùn)用50 a后，淤積泥沙187.78萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)壩前淤積高程為1 218 m。

2 泥沙淤積對(duì)工程興利運(yùn)用的影響

2.1 水庫(kù)有效庫(kù)容

根據(jù)庫(kù)區(qū)1：5 000地形圖，量算得到水庫(kù)原始庫(kù)容曲線。水庫(kù)運(yùn)用后隨著泥沙的累計(jì)淤積，有效庫(kù)容在不斷減少。根據(jù)水庫(kù)運(yùn)用20 a、50 a后設(shè)計(jì)淤積量及設(shè)計(jì)淤積形態(tài)進(jìn)行斷面鋪沙，算得水庫(kù)運(yùn)用20 a、50 a后有效庫(kù)容。水庫(kù)運(yùn)用20 a和50 a后正常蓄水位對(duì)應(yīng)下的水庫(kù)有效庫(kù)容分別為1 205萬(wàn)m3和1 094萬(wàn)m3，庫(kù)容損失主要發(fā)生在壩前區(qū)域。

2.2 死水位選擇

白水水庫(kù)為供水水庫(kù)，不承擔(dān)其他任務(wù)。因此，死水位的選擇應(yīng)考慮水庫(kù)淤積、水工建筑物布置，取水要求、淹沒(méi)范圍、工程投資等因素綜合確定。在滿足各種要求的前提下，盡量選取較低的水位，以減少淹沒(méi)和工程規(guī)模、節(jié)省投資。

根據(jù)水庫(kù)淤積形態(tài)分析，水庫(kù)運(yùn)用50 a后壩前淤積面高程為1 218.00 m，根據(jù)建筑物布置，引水鋼管的進(jìn)口底高程為1 222.50 m，應(yīng)低于死水位3.50 m，高于淤積面1.50 m。故初步確定死水位為1 226.00 m。

水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)死水位的選擇還需考慮其他影響因素：如死水位對(duì)自流灌溉面積的影響、庫(kù)區(qū)泵站及庫(kù)尾橋梁、庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍和工程總投資等，確定水庫(kù)死水位為1 226.00 m，根據(jù)原始庫(kù)容曲線確定對(duì)應(yīng)的死庫(kù)容為214.40萬(wàn)m3。

2.3 合理性分析

為分析淤積設(shè)計(jì)成果和死水位的合理性及工程安全運(yùn)行，水庫(kù)泥沙按最大不利情況即全部水平淤積到壩前設(shè)計(jì)，根據(jù)水庫(kù)原始庫(kù)容曲線和泥沙淤積量，推算水庫(kù)運(yùn)行50 a壩前水平淤積高程為1 224.00 m。因此，工程選取的死水位是安全合理的。

3 結(jié)論

泥沙淤積是水庫(kù)工程設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題，特別是沒(méi)有排沙設(shè)施的水庫(kù)工程。水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)與天然河道比降、上游來(lái)沙量、泥沙顆粒級(jí)配、水庫(kù)運(yùn)用方式及泄洪排沙設(shè)施進(jìn)水口高程等諸多因素密切相關(guān)，難以做出精確計(jì)算。白水河屬于少沙河流，本次設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行的鋪沙試算進(jìn)行淤積設(shè)計(jì)。對(duì)于多沙河流，應(yīng)采用物理和數(shù)學(xué)模型模擬庫(kù)區(qū)泥沙輸移和沉積，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃同F(xiàn)狀工程實(shí)際調(diào)查成果，為工程設(shè)計(jì)提供更可靠的研究成果。雖然白水水庫(kù)所在流域不屬于多沙區(qū)，但水庫(kù)屬于中小型水庫(kù)，庫(kù)容有限。為了保障水庫(kù)的使用壽命，發(fā)揮最大的社會(huì)效益，建議水庫(kù)上游及庫(kù)區(qū)周圍加強(qiáng)水土保持工作，減少水土流失。此外，水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)濟(jì)投資允許時(shí)，增加排沙設(shè)施、攔沙堰等工程措施減少水庫(kù)泥沙淤積，從而延長(zhǎng)水庫(kù)庫(kù)容使用年限。此外，我國(guó)西南地區(qū)現(xiàn)有水庫(kù)測(cè)淤資料較少，建議多開(kāi)展現(xiàn)有水庫(kù)泥沙淤積測(cè)驗(yàn)工作，為新建水庫(kù)工程提供更可靠的參考數(shù)據(jù)。

［1］劉孝盈，吳保生，于琪洋.水庫(kù)淤積影響及對(duì)策研究［J］.泥沙研究，2011(6)：37-40.

［2］郜國(guó)明，談廣鳴，李濤.多沙河流水庫(kù)泥沙研究展望［J］.浙江水利科技，2014(5)：42-46.

［3］謝金明，吳保生，劉孝盈.水庫(kù)泥沙淤積管理綜述［J］.泥沙研究，2013(6)：71-80.

TV145

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1673-8853（2017）04-0077-03

2017-01-05

編輯：劉長(zhǎng)垠 邢博輝

馬翠麗，（1979-），女，中級(jí)工程師，碩士，從事水文泥沙研究與河流規(guī)劃治理。