清河水庫泥沙淤積與回水計算

叢梅

清河水庫泥沙淤積與回水計算

叢梅

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新123000）

水庫泥沙淤積與回水計算是確定水庫運(yùn)行狀態(tài)的重要工作。以清河水庫為例，對水庫泥沙淤積與回水進(jìn)行計算分析，確定出水庫泥沙淤積形態(tài)為椎體淤積，計算結(jié)果表明：建庫后的洪水回水水面線離壩址越近越平緩，越遠(yuǎn)越急陡；對比不同頻率回水曲線，小頻率較高頻率回水坡降陡、回水末端近，基本符合回水的一般規(guī)律，且與可研階段基本一致。

水庫樞紐；泥沙淤積；有效庫容；回水分析；結(jié)構(gòu)復(fù)核

水庫建設(shè)會導(dǎo)致水流輸水能力顯著降低，破壞了天然河流形態(tài)，造成庫區(qū)上游泥沙淤積，同時大量泥沙沿途淤積河床，嚴(yán)重影響了行洪安全和降低了水庫的利用效果，甚至縮短水庫的使用壽命[1-2]。本文以清河水庫為例，計算水庫淤積量，分析了淤積形態(tài)與類型，計算確定了水庫有效庫容。并結(jié)合工程實(shí)際情況進(jìn)行了水庫回水分析。

1 工程概況

清河水庫位于遼寧省鐵嶺市清河區(qū)、遼河中游左岸一級支流清河干流下游，是遼寧省著名七大水庫之一。清河水庫建1958～1962年。水庫水面廣闊，東西長30 km，南北寬2.5 km，控制面積2376 km2，最大庫容9.71億m3，大壩長1622 m，高39.6 m。清河水庫為大（II）型水庫，按千年一遇洪水設(shè)計，萬年一遇洪水校核。清河水庫水系見圖1。

圖1 清河水庫水系圖

2 水庫泥沙淤積分析

2.1 淤積量計算

根據(jù)現(xiàn)場查看侵蝕程度，水庫多年平均懸移質(zhì)輸沙量取100 t/km2·a，推移質(zhì)按懸移質(zhì)的20%計，泥沙容重為1.3 t/m3。則多年平均輸沙量為2.25萬t，其中懸移質(zhì)輸沙量1.80萬t，推移質(zhì)輸沙量為0.45萬t。

本階段，采用PC1500水文分析計算集成應(yīng)用軟件計算泥沙淤積量。經(jīng)計算，懸移質(zhì)攔沙率查圖取值81.98%，推移質(zhì)全部淤積庫底，則年淤積量為1.77萬m3。用多年平均排沙比法計算水庫運(yùn)行期不同年份累計淤積沙量見表1。

表1 水庫庫區(qū)運(yùn)行不同年份泥沙淤積量

表2 水庫運(yùn)行不同年份泥沙淤積高程

2.2 淤積類型判別

根據(jù)遼寧省水利科研所等單位統(tǒng)計了30個多沙河流水庫的實(shí)測資料，提出縱向淤積形態(tài)的經(jīng)驗判別式：

當(dāng)K＞2.2為三角洲或帶狀淤積，K＜2.2為錐體淤積。式中：V為時段平均庫容，m3，對長期而言，用正常蓄水位對應(yīng)庫容；W為計算時段入庫沙量，m3；J0為原河道比降。

清河水庫正常蓄水位470 m以下庫容為923.23萬m3，多年平均輸沙量為2.08萬m3，原始河道比降為6.7‰。代人上式得K=0.13，小于2.2，判斷水庫泥沙淤積形態(tài)為椎體淤積[3-4]。

2.3 淤積形態(tài)設(shè)計

2.3.1 壩前淤積高程

本階段，采用PC1500水文分析計算集成應(yīng)用軟件計算壩前淤沙高程。用多年平均排沙比法推出水庫運(yùn)行20年后壩前淤沙高程分別為436.01 m，運(yùn)行50年后高程為439.25 m，與可研壩前淤沙高程成果一致。水庫運(yùn)行不同年份泥沙淤積高程見表2。

2.3.2 水庫淤積縱剖面

根據(jù)水庫的地形計算，水庫地形特征指數(shù)m(平均)=2.525，水庫屬于Ⅱ泛濫平原、山前型，其中曲線計算公式為α=2.487× P0.57×(1-P)0.41。根據(jù)計算分析，清河水庫運(yùn)行50年后干、支流淤積縱剖面見圖2。

2.4 水庫有效庫容計算

圖2 清河水庫運(yùn)行20、50年后干流淤積縱剖面圖

根據(jù)水庫運(yùn)行50年后設(shè)計淤積量及設(shè)計淤積形態(tài)進(jìn)行斷面鋪沙，計算水庫運(yùn)行50年后有效庫容。經(jīng)計算，水庫運(yùn)行20年和50年后，累計損失庫容分別為28.3和70.7萬m3，與可研計算成果一致。原始庫容和有效庫容統(tǒng)計見表3和圖3。

圖3 清河水庫庫容曲線

表3 清河水庫原始庫容及有效庫容

3 水庫回水分析計算

3.1 計算條件及方法

3.1.1 河道條件

清河屬山區(qū)型河道，回水范圍內(nèi)平均坡降為7.3‰。本次規(guī)劃在回水范圍內(nèi)，斷面資料采用1∶2000地形圖剖得，干、支流共布置了38個斷面，間距中下有間距相對較大，尾部較小，為100 m～400 m。為擬定河道的糙率，在庫區(qū)河段進(jìn)行了洪水調(diào)查。并參考《水工設(shè)計手冊》中糙率表進(jìn)行經(jīng)驗選取，天然河道糙率取值0.04～0.045之間。

3.1.2 設(shè)計洪峰流量

庫區(qū)內(nèi)有香棚溝支流加入，其流域面積為11.25 km2，支流匯入口以上干流流域面積為213.75 km2，主河長35.0 km，平均比降15.9‰。

根據(jù)清河水庫壩址的洪峰流量均值，利用水文比擬法計算干流匯入口洪峰流量均值，面積影響指數(shù)取0.67，則干流匯入口洪峰流量均值為368 m3/s。Cs、Cv值參考清河水庫壩址取值，Cv=0.75，Cs/Cv=4.0。洪峰流量計算成果見表4。

表4 干流匯入口以上設(shè)計洪水計算成果表

香棚溝支流設(shè)計洪峰流量采用雨洪法計算。采用《貴州省暴雨洪水計算手冊》中的計算公式及產(chǎn)匯流參數(shù)，暴雨參數(shù)采用“水文”章節(jié)設(shè)計暴雨計算成果，H24=110 mm，Cv=0.55，Cs=3.5 Cv。平江河流域為山區(qū)間山丘，少量巖溶，植被較好，因此產(chǎn)匯流分區(qū)定為Ⅱ2，當(dāng)10 km2≤F≤25 km2，計算公式見下：

式中：Qp為設(shè)計洪峰流量，m3/s；r1為匯流系數(shù)，取均值0.32；f為流域形狀系數(shù)，f=F/L2；J、L為主河道比降，J=20‰；河長，L=7.43km；F為流域面積，km2；C3為洪峰徑流系數(shù)（C=0.764～0.864）；Kp為P-Ⅲ型曲線的模比系數(shù)；H24為最大24 h降水量均值，110 mm。

表6 清河水庫干流回水計算成果表（單位：m）

表7 香棚溝支流回水計算成果表（單位：m）

洪峰流量計算成果見表5。

表5 香棚溝支流洪峰流量成果表

3.1.3 計算方法

天然水面線計算時采用天然河道斷面，起調(diào)水位及流量由壩址水位～流量關(guān)系曲線查取；回水計算采用建庫20年淤積后的河道斷面；斷面位置示意圖見圖4；起調(diào)水位及流量采用水庫調(diào)洪計算得到的相應(yīng)壩前水位及流量。在支流加入前后考慮流量變化，支流匯入口至壩址積水面積較小，洪水不考慮沿程變化[5]。

計算方法采用伯努利方程進(jìn)行逐段試算，計算公式如下：

式中，Z1、Z2為下、上斷面水位；Q為斷面流量；A為斷面面積；R為水力半徑；if為摩阻比率；△l為上下斷面間距；ζ為斷面擴(kuò)散系數(shù)；n為糙率。

3.2 計算成果

根據(jù)淹沒設(shè)計要求，計算天然河道及水庫泥沙淤積20年后的P=20%、P=5%、P=3.33%頻率洪水庫區(qū)回水曲線，以及下天然河道多年平均流量水面線?？紤]以下三種情況進(jìn)行計算：

（1）天然情況下，P=5%、P=20%、P=3.33%的水面線；

（2）經(jīng)調(diào)洪計算，建壩后汛期和非汛期P=5%、P=20%、P= 3.33%的最高水位相應(yīng)的回水水面線；

（3）經(jīng)調(diào)洪計算，建壩后汛期和非汛期P=5%、P=20%、P= 3.33%的最大流量相應(yīng)的回水水面線。

回水前取以上三種情況水面線的外包線，成果見表6、7、8。

回水末端的設(shè)計終點(diǎn)位置，在庫尾不同頻率洪水回水線不高于天然水面線0.3 m的范圍內(nèi)，采用水平延伸至與多年平均流量水面線相交，得到末端位置高程及回水長度，復(fù)核后，回水計算成果與可研成果一致，見表8。

從回水曲線與天然水面線趨勢來看，庫區(qū)回水位高于天然情況下同一流量的水位，水面比降也較平緩；建庫后的洪水回水水面線離壩址越近越平緩，越遠(yuǎn)越急陡；對比不同頻率回水曲線，小頻率較高頻率回水坡降陡，回水末端近，基本符合回水的一般規(guī)律[6]。

表8 清河水庫庫區(qū)回水末端成果（單位：m）

圖4 回水?dāng)嗝娌贾檬疽鈭D

4 結(jié)論

通過計算，清河水庫水庫泥沙淤積形態(tài)為椎體淤積，水庫運(yùn)行20年后壩前淤沙高程分別為436.01 m，運(yùn)行50年后高程為439.25 m，水庫運(yùn)行20年和50年后，累計損失庫容分別為28.3萬m3和70.7萬m3，與可研計算成果一致。回水計算采用建庫20年淤積后的河道斷面，計算結(jié)果表明建庫后的洪水回水水面線離壩址越近越平緩，越遠(yuǎn)越急陡；對比不同頻率回水曲線，小頻率較高頻率回水坡降陡，回水末端近，基本符合回水的一般規(guī)律。由于水文站網(wǎng)缺陷，清河水庫泥沙量缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，本文計算結(jié)果難以得到測量數(shù)據(jù)驗證，在后續(xù)研究中，應(yīng)對計算區(qū)域泥沙量就行補(bǔ)測，修正計算結(jié)果。本文對相似工程泥沙淤積與回水分析具有借鑒意義。

[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,2003,03:5-14.

[2]袁晶,許全喜,童輝.三峽水庫蓄水運(yùn)用以來庫區(qū)泥沙淤積特性研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2013,02:139-145+174.

[3]陳建,李義天,鄧金運(yùn).汛限水位優(yōu)化調(diào)度對三峽水庫泥沙淤積的影響[J].水力發(fā)電學(xué)報,2012,01:183-188.

[4]郭榮.水庫泥沙淤積與回水耦合關(guān)系初步研究[D].重慶交通大學(xué), 2013.

[5]張瑋,吳蘇舒,張明進(jìn).山區(qū)河流小型水電站回水末端計算[J].水利水電科技進(jìn)展,2006,03:38-40.

[6]肖翹云,馬生健,韋錫堅.水庫回水計算的幾點(diǎn)體會[J].水力發(fā)電, 1994,08:28-32.

Sediment Deposition and Backwater Calculation of Qinghe Reservoir

Cong Mei
（Buxin Water Resources Bureau in LiaoningProvince,Buxin 123000,Liaoning）

Reservoir sediment deposition and backwater calculation is an important work to determine reservoir operation state.Qinghe Reservoir as an example,the article calculates and analyzes of reservoir sedimentation and backwater,determines the reservoir sedimentation patterns to be the vertebral deposition.The calculation results showthat the reservoir's flood backwater surface profile from the dam is more closer more gentle and more farther more steep.For comparison of different frequency’s backwater curve,small frequencymore higher more steeper and the backwater end is closer.It basically complied with the general rules and the same with the studied stage.

Reservoir junction；Sediment deposition；effective capacity of the reservoir；the backwater analysis and structure check

X820.3

A

1673-9000（2017）02-0093-04

2017-1-25

叢梅（1988-），女，遼寧阜新人，助理工程師，主要從事水質(zhì)化驗。