太平溝水利樞紐泥沙淤積計(jì)算及治理對(duì)策

劉心玲，于得萬(wàn)

(1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130021；2.吉林省水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 工程概況

太平溝水利樞紐工程位于圖們江左岸的支流琿春河上游，壩址坐落在琿春河上距離琿春市春化鎮(zhèn)里化村太平溝屯南4km處，其壩址地理坐標(biāo)為東經(jīng)131°2′43″，北緯43°13′20″，控制琿春河流域面積為902km2。

琿春河發(fā)源于汪清縣復(fù)興鎮(zhèn)杜荒子以西的禿禿嶺。河流由西向東，流至太平溝附近逐漸折向南，在馬滴達(dá)處折向西流，有蘭家趟子河匯入，并先后有頭、二、三、四道溝等較大支流匯入，最后在琿春市板石鄉(xiāng)河口屯西北匯入圖們江，琿春河是圖們江左岸的一級(jí)支流。本流域除河谷有部分耕地外，其余全部為山地，山坡生長(zhǎng)樹(shù)木均為次生林木，林木茂盛。壩址以上河段順直，斷面尚規(guī)整，水流通暢，無(wú)回流和死水現(xiàn)象，河床為礫石和卵石組成，床面較平整。太平溝水利樞紐竣工蓄水后，河流會(huì)有一部分泥沙淤積在樞紐的壩前和庫(kù)尾。本文通過(guò)對(duì)太平溝水庫(kù)泥沙淤積分析計(jì)算，對(duì)樞紐內(nèi)的泥沙提出處理措施，增加樞紐的使用壽命，更好地發(fā)揮樞紐工程的防洪和興利效益。

2 來(lái)沙量計(jì)算

太平溝水利樞紐工程壩址處無(wú)水文觀測(cè)資料，多年平均輸沙量計(jì)算根據(jù)太平溝水利樞紐工程壩址下游桃源洞水文站1958～1987年實(shí)測(cè)逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表計(jì)算。樞紐工程壩址以上多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)為87.9t/km2，多年平均推移質(zhì)輸沙量按多年平均懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)算，成果見(jiàn)表1。

表1 太平溝水利樞紐工程泥沙計(jì)算表

琿春河流域上設(shè)有桃源洞水文站，該站有1958～1987年30年泥沙觀測(cè)資料，太平溝水利樞紐工程與桃源洞水文站為同一流域上、下游，地形地貌流域特征基本一致，因此，本次太平溝水利樞紐工程各月泥沙計(jì)算，依據(jù)桃源洞水文站多年平均泥沙年內(nèi)分配比計(jì)算太平溝水利樞紐工程泥沙的各月計(jì)算成果。桃源洞站歷年各月平均懸移質(zhì)輸沙量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

通過(guò)表2可以看出，歷年各月平均輸沙量較少，而且泥沙主要來(lái)自于6～9月，6～9月占多年平均各月輸沙量的85.1%，桃源洞站1958～1987年共計(jì)30年輸沙量資料，3月份來(lái)沙量最小，8月份來(lái)沙量最大。6～9月最大來(lái)沙為1.875萬(wàn)t，月最小來(lái)沙為0.269萬(wàn)t，6～9月最大來(lái)沙為最小來(lái)沙的7倍。桃源洞站歷年各月最大輸沙量和歷年各月最大平均流量關(guān)系見(jiàn)表3。

表2 桃源洞站多年平均各月泥沙年內(nèi)分配表

表3 桃源洞站歷年各月最大輸沙量和歷年各月最大平均流量關(guān)系表

從表3中可以看出歷年各月最大來(lái)沙量基本上來(lái)自6～9月大洪水月份，流量大輸沙量也大，說(shuō)明桃源洞水文站水沙關(guān)系基本是一一對(duì)應(yīng)的。

3 正常高水位下泥沙淤積計(jì)算

太平溝水利樞紐工程為大型水庫(kù)，正常蓄水位為265.0m，相應(yīng)庫(kù)容為15070×104m3，死水位為236m，相應(yīng)庫(kù)容為629×104m3，興利庫(kù)容為14441×104m3。樞紐庫(kù)區(qū)正常高水位下泥沙分析計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 樞紐庫(kù)區(qū)正常高水位下泥沙計(jì)算表

3.1 泥沙分布形態(tài)及范圍分析依據(jù)

根據(jù)《泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)》中庫(kù)容和泥沙量之比來(lái)判斷泥沙分布的形態(tài)和范圍。公式如下：

(1)

式中，Kt—庫(kù)容與泥沙比值；V—正常高蓄水位對(duì)應(yīng)的樞紐工程容積，m3；WS—樞紐每年來(lái)沙量，m3。

經(jīng)計(jì)算，太平溝水利樞紐的庫(kù)沙比Kt為2476。當(dāng)Kt>100時(shí)，泥沙對(duì)樞紐的正常運(yùn)行影響很小。根據(jù)太平溝水利樞紐工程針對(duì)6～9月編制的調(diào)度方案，6～9月來(lái)水比樞紐的泄洪能力小的時(shí)候，將來(lái)水全部泄出，6～9月來(lái)水比泄流能力大時(shí)，全部開(kāi)啟樞紐的泄洪設(shè)備泄洪。所以，雖然樞紐在6～9月的輸沙量最大，但是隨著樞紐的全部泄洪，樞紐庫(kù)區(qū)沙量絕大部分都會(huì)排除到壩址下游，很少一部分泥沙滯留淤積在樞紐工程庫(kù)區(qū)，因此，來(lái)沙淤積對(duì)樞紐運(yùn)行基本無(wú)影響。

3.2 泥沙分布形態(tài)分析

(1)琿春河上游流域生長(zhǎng)茂密的次生林，下墊面較好，屬少沙河流。采用《泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的公式(用于少沙河流)進(jìn)行分析計(jì)算，成果見(jiàn)表5。

公式如下：

(2)

當(dāng)φ>0.04為三角洲淤積；當(dāng)φ<0.04為帶狀淤積。

表5 庫(kù)區(qū)正常高水位泥沙計(jì)算表

通過(guò)計(jì)算得出φ值為0.027，小于0.04，判定為帶狀淤積。所以，根據(jù)羅敏遜公式計(jì)算分析α值。

(2)采用羅敏遜公式計(jì)算：

(3)

式中，WS—水庫(kù)多年平均入庫(kù)沙量，t；Δh—水庫(kù)歷年平均壩前水位變幅，m；γ0—淤積物干容重，t/m3；V—正常高水位以下庫(kù)容，m3。

當(dāng)43.8≥α>5.3為錐體淤積；3.94≥α>1.1為帶狀淤積；1.75≥α>0.777為三角洲淤積。

表6 太平溝水利樞紐工程淤積分析α系數(shù)判別表

通過(guò)計(jì)算，α=1.85，手冊(cè)中3.94≥α>1.1為帶狀淤積，所以結(jié)果屬于帶狀淤積。根據(jù)兩種方法分析，太平溝水利樞紐工程竣工蓄水后，水庫(kù)的泥沙分布呈帶狀，成果見(jiàn)表6。

3.3 淤積量計(jì)算

根據(jù)2014年9月吉林省水文水資源局主編刊印出版的《吉林省水文計(jì)算手冊(cè)》成果中輸沙模數(shù)分區(qū)圖查算。太平溝水利樞紐工程位置流域重心處年平均懸移質(zhì)侵蝕模數(shù)80t/(km2·a)，多年平均推移質(zhì)輸沙量按多年平均懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)算，多年平均侵蝕模數(shù)為96t/(km2·a)。太平溝水利樞紐工程多年平均入庫(kù)沙量為8.659萬(wàn)t，其中懸移質(zhì)為7.216萬(wàn)t，推移質(zhì)為1.443萬(wàn)t。

本次樞紐泥沙量計(jì)算采用多年平均庫(kù)容淤損率方法計(jì)算[2]，成果見(jiàn)表7。公式如下：

(4)

其中K、m值按下列要求選取：

(5)

式中，av—年平均庫(kù)容淤損率，%；R—年平均入庫(kù)沙量，m3；V正—正常高水位以下庫(kù)容，m3；V總—總庫(kù)容，m3；ΔWS—年平均淤積量，m3；W入—年平均來(lái)水量，m3。

經(jīng)計(jì)算，太平溝水利樞紐50年的淤積量為304.9×104m3。

4 泥沙淤積治理對(duì)策

太平溝水利樞紐工程是山區(qū)河道型蓄水工程，必須對(duì)庫(kù)區(qū)兩岸進(jìn)行修復(fù)改造，防止水土流失，因此，采取以下方法和對(duì)策減少樞紐的淤積。

(1)在樞紐壩址處下游建立泥沙觀測(cè)站，為樞紐工程分析庫(kù)區(qū)泥沙淤積提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

(2)加強(qiáng)樞紐壩址上游水土保持。水土保持是防治和治理太平溝水利樞紐工程流域泥沙淤積的根本途徑，在太平溝水利樞紐工程上游周?chē)狡轮矘?shù)造林做好水保措施，防止水土流失。

(3)做好汛期洪水調(diào)度，在泄洪閘旁修建排沙閘滿足樞紐汛期排沙要求。

(4)異重流排沙。太平溝水利樞紐工程屬于山區(qū)性河道蓄水工程，河道陡比降大，有利于進(jìn)行異重流排沙。

在樞紐蓄水期間，當(dāng)汛期入庫(kù)大洪水形成潛入庫(kù)底的異重流時(shí)，迅速打開(kāi)排沙閘門(mén)泄洪，將一部分泥沙排走，減少樞紐庫(kù)區(qū)的泥沙淤積。

5 結(jié)語(yǔ)

太平溝水利樞紐工程竣工蓄水后，天然河道變成了大型水庫(kù)的庫(kù)區(qū)，必然改變了天然河道的水沙特性，但是通過(guò)以上泥沙淤積分析計(jì)算，在正常高水位為265.0m時(shí)，每年的淤積量只占正常高水位下樞紐庫(kù)容的0.97%，如果樞紐工程運(yùn)行50年后的泥沙淤積體積僅占正常高水位以下庫(kù)容的2.02%，因此，說(shuō)明太平溝水利樞紐工程的建設(shè)庫(kù)區(qū)泥沙淤積不大。

采用《泥沙設(shè)計(jì)手冊(cè)》中泥沙淤積公式進(jìn)行分析計(jì)算，方法簡(jiǎn)單易行，此公式更適合于山丘區(qū)河道型蓄水樞紐工程。

通過(guò)泥沙淤積治理對(duì)策，可使本樞紐的運(yùn)行壽命延長(zhǎng)50年，進(jìn)一步提高本樞紐的防洪和興利能力，使其能長(zhǎng)期發(fā)揮效益。

表7 正常高水位下泥沙淤積計(jì)算表 單位：104m3