水庫(kù)泥沙淤積測(cè)量及斷面流速特性分析

杜亞平

(山西省水文水資源勘測(cè)總站運(yùn)城站，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

水庫(kù)的泥沙淤積關(guān)系著水庫(kù)的安全和壽命，淤積測(cè)量是研究水庫(kù)水文變化規(guī)律，保證水庫(kù)安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)性工作[1]。水庫(kù)運(yùn)行過(guò)程受庫(kù)區(qū)水勢(shì)和尾水影響，泥沙在水庫(kù)淤積是必然趨勢(shì)[2]。淤積不僅減少有效庫(kù)容，降低防洪能力，甚至嚴(yán)重影響水庫(kù)效益的發(fā)揮。本文通過(guò)開(kāi)展龍渠水庫(kù)泥沙淤泥性形態(tài)和庫(kù)區(qū)典型斷面流速分布測(cè)量分析工作，進(jìn)而掌握水庫(kù)淤泥特性。

1 工程概況及測(cè)量?jī)x器

1.1 水庫(kù)現(xiàn)狀

龍渠水庫(kù)位于山西省晉城市沁水縣沁河干流上，是以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。水庫(kù)樞紐包括：攔河大壩、導(dǎo)流泄洪洞、供水發(fā)電洞和溢洪道等。龍渠水庫(kù)采用100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核。正常蓄水位759.0 m，防洪高水位759.78 m，設(shè)計(jì)洪水位760.80 m，校核洪水位762.63 m，死水位728.2 m。

1.2 ADCP儀器

ADCP工作原理是采用收發(fā)兼容的聲學(xué)換能器，同一個(gè)換能器在發(fā)出一組超聲波后，等待接收從不同距離的水中懸浮顆粒發(fā)射回來(lái)的超聲波信號(hào)；然后分段接收不同距離水流的速度和方向。對(duì)于安裝在水面或海底的垂直方向發(fā)射的測(cè)量，通常會(huì)采用一種稱為底跟蹤的技術(shù)，在發(fā)射的途中遇到河底，會(huì)有一個(gè)很強(qiáng)信號(hào)的反射，用這種方法可以判斷是否測(cè)到了河底或水面。使用ADCP獲得斷面流速數(shù)據(jù)及水深等數(shù)據(jù)，完成淤積測(cè)量工作。

2 水庫(kù)淤積分析

通過(guò)測(cè)量斷面水深數(shù)據(jù)的采集工作，利用ArcGIS軟件生成水庫(kù)庫(kù)區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，按照DEM庫(kù)容分析理論結(jié)合水庫(kù)淤積形態(tài)判別公式得到現(xiàn)狀、歷史庫(kù)容對(duì)比圖，見(jiàn)圖1。

圖1 歷史—現(xiàn)狀庫(kù)容變化對(duì)比圖

2.1 水庫(kù)淤積形態(tài)

水庫(kù)淤積形態(tài)判別指數(shù)計(jì)算采用式(1)：

a=V/(W·J)

(1)

式中：J為河道縱比降；W為總?cè)霂?kù)沙量，m3；V為總庫(kù)容，m3。

歷史多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為264.9萬(wàn)t，多年平均含沙量為5.54 kg/m3，多年平均推移質(zhì)年輸沙量為39.7萬(wàn)t。本此測(cè)量總庫(kù)容為37410.10萬(wàn)m3(校核洪水位762.63 m)。帶入公式計(jì)算，計(jì)算值a為2.82，大于2.2，表示淤積形態(tài)為典型的三角洲淤積。

2.2 庫(kù)容數(shù)據(jù)對(duì)比分析

從圖1和庫(kù)容變化情況(表1)可以看出，水庫(kù)運(yùn)行13年間，總庫(kù)容共減少了1989.90萬(wàn)m3，相對(duì)原始庫(kù)容損失率達(dá)5.05%。圖表中還顯示有局部水位有庫(kù)容增加，具體為庫(kù)底高程由699.75 m降低至696.06 m，水位為715 m及720 m時(shí)，說(shuō)明主河槽內(nèi)存在局部沖刷現(xiàn)象，但總體表現(xiàn)為淤積狀態(tài)。

表1 庫(kù)容變化情況表

2.3 縱橫斷面分析

由表2可知，龍渠水庫(kù)淤積體形態(tài)為三角洲淤積。但在壩前0+000即斷面001處，主河槽淤積較為明顯，河底高差為1.213 m，這是由于龍渠水庫(kù)在距離大壩2.5 km處進(jìn)入主庫(kù)區(qū)，主庫(kù)區(qū)淹沒(méi)范圍較大，有部分水下高坮被淹沒(méi)，高坮被主流沖刷至壩前所致，河道縱比降由0.242%變緩至0.241%。

表2 縱斷面數(shù)據(jù)對(duì)比表

龍渠水庫(kù)庫(kù)區(qū)屬于河道型水庫(kù)，干流河道屬于彎曲型河道，彎道較多，猶如一條蜿蜒盤旋的飛龍。在河道轉(zhuǎn)彎位置，彎道表層水流向凹岸一側(cè)運(yùn)動(dòng)，隨后潛入河底向凸岸運(yùn)動(dòng)，底層的水流運(yùn)動(dòng)相反，先向凸岸運(yùn)動(dòng)，隨后翻至水面向凹岸運(yùn)動(dòng)，因此河流彎道上呈現(xiàn)不同的淤積現(xiàn)象。凹岸，附近無(wú)泥沙淤積，甚至有略微沖刷現(xiàn)象，凸岸，淤積則較為明顯。

002斷面位于龍渠河支流出口處，主河槽稍有沖刷，兩岸有淤積，左岸淤積大于右岸。003、004、龍3斷面，有均勻沖淤變化。005和008斷面，左岸沖刷，右岸淤積。3斷面因位于沁河主流沖頂面，兩岸及河槽均有沖刷。分析表明，水庫(kù)有淤積又有沖刷，但淤積大于沖刷，總體為淤積趨勢(shì)。

2.4 典型斷面流場(chǎng)分布

選取典型斷面利用ADCP對(duì)原流場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量。數(shù)據(jù)采集過(guò)程包括開(kāi)始河岸數(shù)據(jù)采集、河道斷面走航數(shù)據(jù)采集以及結(jié)束河岸數(shù)據(jù)采集，其中為了滿足數(shù)據(jù)分析要求，開(kāi)始河岸和結(jié)束河岸需至少采集十組及以上數(shù)據(jù)，且在開(kāi)始河岸和結(jié)束河岸采集時(shí)船只需盡量靜止在水面。利用測(cè)量數(shù)據(jù)繪制斷面流速等值線圖，繪圖結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 斷面001流速分布圖

圖3 斷面004流速分布圖

圖4 斷面006流速分布圖

圖5 斷面008流速分布圖

由典型斷面流速等值線圖可知，典型庫(kù)區(qū)斷面流速分布整體偏小，主要流速大小分布在0.00 m/s～0.04 m/s，在斷面中只有部分區(qū)域出現(xiàn)流速大于此范圍，但整體數(shù)量較少，庫(kù)區(qū)流速較小原因主要是庫(kù)區(qū)內(nèi)無(wú)流動(dòng)水流產(chǎn)生，雖有發(fā)電供水存在，但對(duì)整體庫(kù)區(qū)流場(chǎng)大小影響較小。庫(kù)區(qū)河道斷面流速整體較壩前斷面流速大，流場(chǎng)變化較復(fù)雜，但河道斷面截面面積卻比壩前斷面截面面積小得多，這也是河道斷面流速偏大的原因之一。

3 結(jié)論

水庫(kù)蓄水是提高水資源利用率的有效方法，但泥沙淤積問(wèn)題嚴(yán)重威脅水庫(kù)的使用壽命和功能的充分發(fā)揮。使用ADCP儀器測(cè)量對(duì)斷面淤積形態(tài)和庫(kù)容變化進(jìn)行測(cè)量分析，繪制典型斷面流場(chǎng)分布圖，以期為龍渠水庫(kù)的合理運(yùn)行及管理提供理論依據(jù)。龍渠水庫(kù)運(yùn)行至今，經(jīng)過(guò)13年時(shí)間，河床變形，河道比降變緩，總庫(kù)容共淤積1989.90萬(wàn)m3，相對(duì)原始庫(kù)容損失率達(dá)5.05%，年均淤積量為153.07萬(wàn)m3。同時(shí)，庫(kù)區(qū)河道流場(chǎng)變化較復(fù)雜，常年來(lái)沙使庫(kù)容減少，對(duì)水庫(kù)影響較大。為充分發(fā)揮水庫(kù)的綜合效益，應(yīng)注重流域內(nèi)的水土保持，減少上游水土流失，加強(qiáng)水庫(kù)泥沙淤積測(cè)驗(yàn)工作，及時(shí)了解水庫(kù)庫(kù)容的損失及泥沙淤積分布規(guī)律，以制定水庫(kù)合理調(diào)水、調(diào)沙及庫(kù)區(qū)整治方案，保證水庫(kù)功能的正常運(yùn)用，進(jìn)而合理高效利用水資源。