西山水庫工程來沙量的計算分析

張芳齊

（太原理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司 山西太原 030024）

0 引言

山西省地處華北地區(qū)西部，黃土高原東翼，總面積15.67 萬km2，其中山區(qū)面積約占總面積的80%。受地理環(huán)境和氣候條件的影響，省內(nèi)河流形態(tài)和河道特征表現(xiàn)為：溝壑密度大，水系發(fā)育；河流坡陡流急，侵蝕切割嚴(yán)重；洪水暴漲暴跌，含沙量大；年徑流集中于汛期，枯水徑流小而不穩(wěn)。

山西省內(nèi)中小河流、山洪溝流域內(nèi)大多未設(shè)立水文站，屬于無資料地區(qū)，而流域內(nèi)又多修建有水庫、淤地壩等工程，同時，隨著近幾年河道治導(dǎo)線及管理范圍劃界工作的完成，河道防洪能力提升工程的開展，以及農(nóng)村飲水安全工程的實(shí)施等，工程在設(shè)計、運(yùn)行、除險加固中均需要考慮來沙量的多少。無資料地區(qū)泥沙如何計算就顯得尤為重要。

西山水庫工程位于下村川河上，屬于無資料地區(qū)。水庫現(xiàn)狀庫區(qū)淤積嚴(yán)重，10年后水庫的淤積庫容是否會達(dá)到汛限水位，是否會影響水庫的防洪能力和大壩安全，這就需要對水庫的來沙量進(jìn)行計算分析，以便在除險加固中提出相應(yīng)的措施和對策。本文利用《山西省水文計算手冊》（后文中簡稱“手冊”）中無資料地區(qū)工程來沙量計算方法進(jìn)行計算，并根據(jù)西山水庫建庫以來的實(shí)際來沙量對計算結(jié)果的合理性進(jìn)行分析，為水庫除險加固提供依據(jù)，同時為無資料地區(qū)工程來沙量計算提供參考。

1 工程概況

西山水庫位于呂梁市交口縣西山村腳下的下村川河上，距離縣城7.5 km。水庫控制流域面積190 km2，是一座以防洪、灌溉為主，兼顧綜合利用的?。?）型水庫，總庫容728 萬m3。水庫樞紐由大壩、溢洪道和臥管式涵洞組成，大壩為均質(zhì)碾壓式土壩，壩長234 m，壩頂高程1 253 m，壩頂寬4.4 m，最大壩高33 m。

水庫于1973年7月開工建設(shè)，1977年10月竣工，2010年11月完成除險加固工程，2020年12月完成了大壩安全評價，2022年再次對水庫進(jìn)行除險加固。

下村川河是段純河的一級支流，位于交口縣東南部，發(fā)源于交口縣城關(guān)鎮(zhèn)的化圪垛，由北向南經(jīng)過交口縣縣城到交口村折向東南，在雙池鎮(zhèn)的官桑園村附近與大麥郊河匯合成為段純河，河流長度為60 km，流域面積為273.75 km2，河道平均比降為12‰，河床糙率0.03，流域平均寬度為4.56 km。

流域西北高東南低，海拔高程在950～2 100 m 之間，西北部屬于土石山區(qū)，東南部屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，河谷多為石灰?guī)r和河卵石。西山水庫工程斷面以上流域水系圖見圖1。

圖1 西山水庫工程斷面以上流域水系圖

2 工程來沙量分析計算

2.1 計算方法

河流泥沙的多少受氣候因素、下墊面因素影響，同時也受到人類活動的影響。工程來沙量一般按照懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩種類型進(jìn)行計算。

無資料地區(qū)懸移質(zhì)泥沙多年平均值一般可采用三種方法：懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法[1]、水文比擬法、雨沙模型法[2]。

推移質(zhì)一般采用系數(shù)法進(jìn)行估算，即根據(jù)相似流域已有短期實(shí)測資料或水庫淤積資料估算推移質(zhì)與懸移質(zhì)輸沙量比例關(guān)系。

2.2 多年平均懸移質(zhì)年輸沙量

2.2.1 懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法

輸沙模數(shù)是一個判斷流域侵蝕程度的重要指標(biāo)，指的是流域內(nèi)單位面積的輸沙量?！妒謨浴分械膽乙瀑|(zhì)泥沙輸沙模數(shù)是在各水文分區(qū)產(chǎn)沙地類的基礎(chǔ)上，結(jié)合地類模型參數(shù)和1956-2008年產(chǎn)沙降水指標(biāo)計算而得，并根據(jù)計算結(jié)果繪制了懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖。

《手冊》中懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖給出了不同水文分區(qū)、不同產(chǎn)沙地類懸移質(zhì)泥沙輸沙模數(shù)的取值范圍。根據(jù)懸移質(zhì)泥沙輸沙模數(shù)圖，西山水庫所在水文分區(qū)為中1 區(qū)，流域產(chǎn)沙地類為石山森林和石山灌叢，對應(yīng)的多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)取值范圍見表1。從懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖中查到的多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)是一個范圍，在這個取值范圍內(nèi)如何選取合適的懸移質(zhì)輸沙模數(shù)就顯得非常重要，《手冊》中給出了兩條選取的參考依據(jù)：一是結(jié)合產(chǎn)沙降水指標(biāo)，同一產(chǎn)沙地類，輸沙模數(shù)隨產(chǎn)沙降水指標(biāo)增大而增大；二是對流域進(jìn)行全面調(diào)查和分析。但是輸沙模數(shù)與產(chǎn)沙降水指標(biāo)之間的量化關(guān)系是怎樣的，如何根據(jù)產(chǎn)沙降水指標(biāo)來選擇輸沙模數(shù)是模糊的，其次要對流域做哪些調(diào)查和分析，如何根據(jù)調(diào)查資料選擇合適的值也不清楚?？傮w來說，采用懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法就需要依據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)來選值，無法量化，從而導(dǎo)致來沙量的計算結(jié)果會比較粗略。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，西山水庫流域內(nèi)植被較好，黃土覆蓋率較低，本次計算多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)采用中下值，計算結(jié)果見表1。

表1 懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法（適宜值）計算結(jié)果表

2.2.2 水文比擬法

水文比擬法即選擇一個與設(shè)計流域自然地理、氣候、產(chǎn)沙地類都比較接近或相似的水文站作為參證站，根據(jù)參證站的輸沙模數(shù)推求設(shè)計流域多年平均懸移質(zhì)輸沙量。

由于西山水庫流域及附近無水文站，因此，本次計算無法采用水文比擬法進(jìn)行計算。

2.2.3 雨沙模型法

雨沙模型法計算公式為：

參數(shù)取值：

Xs值反映了年內(nèi)不同時段最大降雨量對產(chǎn)沙的綜合貢獻(xiàn)，此值作為產(chǎn)沙降雨指標(biāo)比單用年降雨或汛期降雨更為合理。西山水庫竣工于1977年10月，為了更符合水庫的實(shí)際情況，本次計算根據(jù)《手冊》附圖13“山西省懸移質(zhì)產(chǎn)沙降水指標(biāo)（1970-2008年）等值線圖”查得交口縣多年平均產(chǎn)沙降水指標(biāo)為1.08。

（2）水文分區(qū)參數(shù)B、m

B、m為水文分區(qū)參數(shù)，西山水庫位于中1 區(qū)，查得B值為1.26，m值為1.94。

（3）產(chǎn)沙參數(shù)Ci

產(chǎn)沙參數(shù)Ci的選取要根據(jù)水文分區(qū)、產(chǎn)沙地類、流域坡度、溝壑密度、植被覆蓋程度、侵蝕程度等綜合考慮[2]。西山水庫所在水文分區(qū)為中1 區(qū)，流域產(chǎn)沙地類為石山森林和石山灌叢，流域內(nèi)植被較好，黃土覆蓋率較低，溝壑密度不大，侵蝕程度較低，計算取值選擇中下值，計算結(jié)果見表2。

表2 雨沙模型法（適宜值）計算結(jié)果表

2.2.4 計算方法及結(jié)果的比較分析

1）計算方法的比較分析

懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法：適用于對計算結(jié)果要求不高時的粗略估算。計算中涉及到的參數(shù)只有一個，即懸移質(zhì)輸沙模數(shù)。從圖中查到的懸移質(zhì)輸沙模數(shù)是一個取值范圍，在輸沙模數(shù)的具體取值上受人為取值的影響比較大，計算結(jié)果會存在一定的偏差，計算成果比較粗略。

雨沙模型法：具有概念明確、操作性強(qiáng)的特點(diǎn)。計算中涉及到的參數(shù)有產(chǎn)沙地類參數(shù)Ci、多年平均產(chǎn)沙降水指標(biāo)、水文分區(qū)參數(shù)B、m，在綜合考慮流域水文分區(qū)、產(chǎn)沙地類、流域坡度、溝壑密度、植被覆蓋程度、侵蝕程度等條件，計算結(jié)果相對來講可靠性更高。

2）計算結(jié)果的比較分析

由表1 和表2 可知，懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法和雨沙模型法這兩種計算方法的計算結(jié)果見表3。

表3 多年平均懸移質(zhì)年輸沙量計算結(jié)果表

由表3 可以看出，兩種方法計算結(jié)果相差不大，但由于輸沙模數(shù)圖計算所得成果比較粗略，所以本次計算選擇雨沙模型法計算結(jié)果。

2.2.5 人類活動影響下的工程懸移質(zhì)來沙量計算

上述計算所得多年平均懸移質(zhì)年輸沙量可視為設(shè)計流域天然狀況下的來沙量，但實(shí)際情況下，人類活動會對河流來沙量產(chǎn)生較大的影響。人類活動主要包括興建水利工程、水保工程、土地開發(fā)建設(shè)等。比如，梯田、造林、種草等水土保持措施可以減輕流域侵蝕，從而減少來沙量；相反，土地開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，比如開礦、修路、城鎮(zhèn)建設(shè)等向溝道內(nèi)棄土棄渣等，會增加來沙量。因此，在計算工程來沙量時，需要考慮人類活動的影響，對前述計算結(jié)果進(jìn)行修正，使之更加切合實(shí)際。

受人類活動影響懸移質(zhì)工程來沙量計算公式：

根據(jù)《手冊》，受人類活動影響的懸移質(zhì)輸沙量的修正系數(shù)取0.73。

表4 受人類活動影響的多年平均懸移質(zhì)輸沙量計算結(jié)果表

2.3 多年平均推移質(zhì)年輸沙量

多年平均推移質(zhì)年輸沙量可采用公式（5）計算：

多年平均推移質(zhì)年輸沙量與多年平均懸移質(zhì)年輸沙量之和即為工程設(shè)計斷面多年平均年來沙總量，可用公式（6）計算：

表5 多年平均推移質(zhì)年輸沙量和來沙總量計算結(jié)果

2.4 工程來沙總量

經(jīng)計算，西山水庫斷面多年平均年來沙總量為10.56 萬t，其中懸移質(zhì)輸沙量9.43 萬t，推移質(zhì)輸沙量1.13 萬t。泥沙比重按1.3 t/m3計算[3]，則多年平均年來沙總量為8.12 萬m3。

2.5 實(shí)際來沙情況

根據(jù)實(shí)測資料，西山水庫庫區(qū)現(xiàn)狀淤積庫容為345 萬m3。西山水庫自1977年10月竣工至今45年間，未進(jìn)行過清淤，而且輸水涵洞泄量較小，排沙能力有限，可忽略不計，因此西山水庫斷面處45年來沙總量為345 萬m3，平均每年淤積量為7.67 萬m3。

2.6 合理性分析

通過對西山水庫工程斷面來沙量的計算，結(jié)果表明：利用《手冊》中無資料地區(qū)工程來沙量的計算方法計算所得來沙量為8.12 萬m3，較實(shí)際來沙量7.67 萬m3偏大5.87%，兩者相差不大，計算結(jié)果合理。說明西山水庫工程來沙量選用雨沙模型法，并考慮人類活動影響后的計算結(jié)果與實(shí)際來沙量基本一致，計算方法合理。

3 結(jié)語

1）通過對西山水庫工程來沙量的計算和實(shí)際來沙量的分析，預(yù)計水庫未來十年新增淤積量76.7 萬m3。在此基礎(chǔ)上結(jié)合庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)，分析計算得到十年后的水庫水位-庫容-面積曲線。據(jù)此計算水庫的興利庫容，并通過徑流調(diào)節(jié)計算，得到水庫除險加固后的可供水量和可灌溉面積；根據(jù)淤積情況，選取合適的汛限水位，并通過洪水調(diào)節(jié)計算，得到設(shè)計洪水位和校核洪水位，據(jù)此判斷現(xiàn)狀大壩壩高是否滿足規(guī)范要求，從而選擇安全又經(jīng)濟(jì)的除險加固方案。

2）關(guān)于無資料地區(qū)懸移質(zhì)泥沙多年平均值的計算，在粗略估算時可以選擇懸移質(zhì)輸沙模數(shù)圖法，操作簡單；流域內(nèi)有參證站時，可采用水文比擬法進(jìn)行計算；流域內(nèi)無參證站，對計算結(jié)果的可靠性要求又比較高時，可選擇雨沙模型法。

3）采用雨沙模型法計算時需要注意的事項(xiàng)：（1）考慮人類活動對來沙量的影響。（2）一定要注重流域內(nèi)產(chǎn)沙地類、流域坡度、溝壑密度、植被覆蓋程度、侵蝕程度等條件的實(shí)地調(diào)查，選擇合適的產(chǎn)沙地類參數(shù)Ci以及推移質(zhì)輸沙量與懸移質(zhì)輸沙量的比值β。