某新建中型水庫泥沙淤積及回水分析計算

吳澤華，朱 健

（上海千年城市規(guī)劃工程設(shè)計股份有限公司淮海設(shè)計院,江蘇 宿遷 223800）

1 工程概況

本次規(guī)劃新建中型水庫與現(xiàn)有中型水庫聯(lián)合調(diào)度,灌區(qū)優(yōu)先利用原中型水庫供水后,不足水量由新建水庫調(diào)蓄供給,新建中型水庫后,水庫可供水量為991.4 萬m3,全是灌溉供水,設(shè)計灌溉面積為2.48萬畝。根據(jù)規(guī)劃區(qū)內(nèi)的用水要求和水庫的開發(fā)條件,新建中型水庫的開發(fā)任務(wù)是與現(xiàn)有中型水庫聯(lián)合調(diào)度供水,解決灌區(qū)新開發(fā)耕地和現(xiàn)有耕地農(nóng)灌缺水問題。水庫地理位置示意圖見圖1。

水庫壩址以上控制徑流面積55.1 km3,主河道長13.2 km,河道平均坡降47.7‰。水庫壩址以上流域平均高程為2547 m。水庫正常蓄水位為2147.0 m,相對應(yīng)的庫容為總庫容1102.5萬m3。該水庫一旦建成,與現(xiàn)有水庫聯(lián)合供水調(diào)度,將成為灌區(qū)的控制性水源工程,加上其他水利工程,將使灌區(qū)形成“引、蓄、灌”工程體系,形成多水源聯(lián)合調(diào)度、綜合利用的灌區(qū)系統(tǒng)格局。因受水庫地形地貌及地質(zhì)條件的影響,水庫來沙量大,經(jīng)水文成果分析,水庫建成后運行中泥沙淤積問題嚴(yán)重,并影響水庫回水距離,本文通過現(xiàn)有水文成果及計算,對擬建中型水庫進(jìn)行泥沙淤積及回水計算分析,為水庫設(shè)計施工及后期運行提供技術(shù)依據(jù)。

2 泥沙淤積分析

2.1 基本資料

由于該新建水庫流域無泥沙觀測資料,水庫各斷面泥沙量主要采用《土壤侵蝕現(xiàn)狀圖》來估算。根據(jù)現(xiàn)狀圖,新建水庫壩址以上徑流區(qū)內(nèi)土壤侵蝕類型均有3種,水庫徑流區(qū)內(nèi)侵蝕情況及綜合年侵蝕模數(shù)見表1。

表1 研究方案

多年推移質(zhì)輸沙量占多年平均懸移質(zhì)輸沙量的比例,山區(qū)性河流取0.15～0.3,本流域取0.2。泥沙容重懸移質(zhì)取1.3 t/m3,推移質(zhì)取1.7 t/m3。故新建水庫入庫泥沙量=3.66/1.3+0.73/1.7=3.24 萬m3/年,擬建中型水庫入庫泥沙量計算成果見表2。

表2 擬建中型水庫各斷面泥沙量計算成果表

2.2 淤積分析

（1）計算方法

擬建水庫泥沙分析采用丹麥水利研究所（DHI）開發(fā)的水面線計算程序MIKE 11中所帶泥沙輸移模塊（Sediment transport）進(jìn)行分析計算,其計算方法及步驟為：

①確定庫區(qū)泥沙淤積方式；②由水庫來沙量推求水庫淤積量；③由水庫庫容與壩前水深的關(guān)系推求水庫所屬類型,如湖泊型、山麓型、丘陵型、峽谷型水庫,以此分析淤積分布采用的計算類型；④根據(jù)庫區(qū)淤積方式、水庫所屬類型以及多年平均入庫泥沙量,選擇模型中的經(jīng)驗公式推算建庫后不同頻率水面線。

（2）計算結(jié)果

①累計淤積量

根據(jù)《土壤侵蝕現(xiàn)狀圖》推求擬建中型水庫土壤侵蝕情況及綜合年侵蝕模數(shù),經(jīng)計算,該水庫年入庫泥沙量為3.24萬m3/a；逐時段計算得水庫運行不同年份庫區(qū)泥沙累積淤積量,見表3。從表中可以看出,水庫運行10年庫區(qū)泥沙總淤積量為32.4萬 m3,運行20年庫區(qū)泥沙總淤積量為64.8萬m3,運行30年庫區(qū)泥沙總淤積量為97.2萬m3,運行50年庫區(qū)泥沙淤積量為162.0萬m3。

表3 擬建中型水庫歷年累計淤積預(yù)測表

圖2 水庫泥沙年累計淤積量曲線圖

②壩前淤積高程

水庫未來運行不同年份壩前淤積高程見表4。由表可見,隨著水庫運行年限的增加,壩前淤高不斷增加,運行10 年后,水庫壩前泥沙淤高了5.5 m,淤積高程為2093.5 m；運行20年后,水庫壩前泥沙淤高了11.0 m,淤積高程為2099.0 m；運行30 年后,水庫壩前泥沙淤高了16.6 m,淤積高程為2104.6 m；運行50 年后,水庫壩前泥沙淤高了27.6 m,淤積高程為2115.6 m。

表4 擬建中型歷年壩前淤高預(yù)測表

3 水庫回水分析計算

3.1 淹沒影響對象洪水標(biāo)準(zhǔn)

由根據(jù)項目建設(shè)征地和移民安置專業(yè)的要求,擬建中型水庫淹沒設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為：

①耕地、園地淹沒范圍采用的設(shè)計洪水頻率為P=20%（5年一遇洪水）；

②居民搬遷線采用的設(shè)計洪水為P=10%（10年一遇洪水）；

③林地、未利用地及其他地類淹沒范圍采用正常蓄水位；

④水庫庫區(qū)內(nèi)的四級路采用的設(shè)計洪水頻率為P=5%（20年一遇洪水）；

因此,回水分析計算洪水標(biāo)準(zhǔn)選用P=5%、P=10%、P=20%。

3.2 計算方法及邊界條件

擬建中型水庫回水分析采用丹麥水利研究所（DHI）開發(fā)的水面線計算程序MIKE 11水動力模塊和泥沙模塊進(jìn)行分析計算,該軟件是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程,即一維非恒定流圣維南（Saint-Venant）方程組來模擬河流或河口的水流運動狀態(tài)。回水計算水庫天然情況下和淤積20 年后不同頻率的回水曲線,以壩址斷面為起調(diào)斷面對建庫后的回水進(jìn)行計算。

①控制斷面布置

擬建中型水庫各個控制橫斷面由2017 年實測數(shù)據(jù)通過ArcGIS 生成的 DEM地形圖自動提取。處理中對于軟件處理后局部不合理處進(jìn)行修正。斷面布置時遵循以下原則：為充分反映水庫庫區(qū)實際情況,在水庫庫區(qū)內(nèi)布置不同距離的斷面,并垂直于主河槽；盡量避開沖溝發(fā)育地段；對回水及淹沒分析有關(guān)鍵控制因素的地段或工程建筑處加密布測橫斷面；回水影響不顯著的壩前斷面間距稍大些（保證能充分反映水庫庫區(qū)實際情況）,回水影響較大的庫尾斷面進(jìn)行加密。

庫區(qū)共布設(shè)156 個斷面,其中水庫左支流布設(shè)84 個斷面,斷面平均間距30 m,其中最大間距50 m,最小間距10 m；水庫右支流總共布設(shè)72 個斷面,斷面平均間距30 m,其中最大間距50 m,最小間距10 m。水面線計算時,天然河道水面線直接采用所剖的橫斷面資料。建庫后水庫回水則考慮泥沙淤積的影響。綜合水庫應(yīng)充分發(fā)揮效益,考慮淹沒設(shè)計要求,建庫后回水考慮淤積20 年后的回水,相應(yīng)橫斷面根據(jù)水庫泥沙淤積分析計算得到。

②洪峰流量及起調(diào)水位

本次回水分析的邊界條件采用5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇的洪水過程。建庫前的起調(diào)水位由壩址斷面的水位～流量關(guān)系插值而得,建庫后的壩前起調(diào)水位根據(jù)調(diào)洪計算成果而得。并考慮建庫后回水的兩種最不利情況,流量最大和水位最高兩種組合。水庫不同頻率洪峰流量及不同頻率起調(diào)水位見表5。

表5 擬建中型水庫不同頻率起調(diào)水位表

③糙率率定

模型計算中天然河道糙率根據(jù)河床組成及岸邊情況選擇,與水文計算所選主槽糙率相同,建庫后則采用0.030～0.040。

④回水末端處理

回水水面尖滅點以同頻率下回水水面線不高于天然洪水水面線 0.3 m 范圍內(nèi)的斷面確定,尖滅點水位水平延伸至天然河道多年平均流量的相應(yīng)水面線相交處為淹沒處理終點位置。

3.3 計算結(jié)果

根據(jù)上述邊界條件,依據(jù)恒定非均勻流方程式,擴散波（Diffusive Wave）方程計算水庫的回水,擬建中型水庫回水成果見表6（只列出左支）淤積回水縱剖面成果見圖3～圖4。

圖3 新建中型水庫回水縱剖面成果圖（左支）

圖4 新建中型水庫回水縱剖面成果圖（右支）

表6 志黑水庫回水成果表（左支）

取水庫運行20年、10年和5年的河道斷面,根據(jù)表6和圖3～圖4的水位成果值以及回水曲線、天然水面線趨勢可知,同一流量對應(yīng)的庫區(qū)回水水位高于天然情況下的水位；水庫建成后的洪水回水水面線距離壩址較近時趨勢平緩,相反距離壩址越遠(yuǎn)越急陡；不同頻率回水曲線相比,小頻率較高頻率回水水面曲線坡降陡,回水末端離庫尾近[6],很顯然隨著泥沙高程和泥沙量的不斷增加,對水庫回水的影響越大。

4 結(jié)論

通過泥沙量計算和水庫回水水面線計算可知,隨著泥沙高程增加,泥沙淤積量增大,回水水面線相應(yīng)抬高,水庫淹沒范圍增大,會直接影響庫區(qū)下游耕地、園地以及四級公路等,造成基礎(chǔ)設(shè)施和農(nóng)作物損害,進(jìn)而造成經(jīng)濟損失,同時當(dāng)泥沙高程增大時,清淤量增加,清淤難度和投資增大。因此水庫在設(shè)計施工中要采取相應(yīng)的攔沙措施,后期運行要定期或不定期進(jìn)行清淤。