2008年以來(lái)紫坪鋪水庫(kù)淤積過(guò)程及庫(kù)容變化特性分析

郭秀吉，陳 立，顏小飛，李新杰

（1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072）

0 引 言

紫坪鋪水利樞紐位于岷江上游映秀至都江堰河段（見(jiàn)圖1），是一座以灌溉和供水為主，兼具有防洪、發(fā)電、環(huán)境保護(hù)和旅游等綜合效益的大（Ⅰ）型水利工程，同時(shí)也是都江堰灌區(qū)和成都市的水源調(diào)節(jié)工程，成都地區(qū)的主要電源，被列為我國(guó)實(shí)施西部大開(kāi)發(fā)的標(biāo)志性工程之一［1］。工程最大壩高156 m，控制流域面積2.26 萬(wàn)km2，控制上游暴雨區(qū)的90%以及徑流泥沙的98%，水庫(kù)校核洪水位883.1 m、設(shè)計(jì)洪水位871.2 m、正常蓄水位877.0 m、防洪高水位861.6 m、汛期限制水位850.0 m、死水位817 m，總庫(kù)容11.12 億m3，具有不完全年調(diào)節(jié)功能。工程于2001年3月開(kāi)工建設(shè)，2005年10月下閘蓄水運(yùn)行［2］。

圖1 紫坪鋪庫(kù)區(qū)示意圖Fig.1 The schematic diagram of Zipingpu Reservoir area

2008年“5.12”汶川特大地震期間，紫坪鋪控制流域位于地震震中區(qū)域，尤其是汶川至近壩區(qū)受地震影響最為嚴(yán)重，原始地形地貌及生態(tài)環(huán)境遭到巨大破壞，原有的氣候及下墊面特性蕩然無(wú)存，水文地質(zhì)條件的劇烈變化，導(dǎo)致近年來(lái)庫(kù)區(qū)泥石流、山體滑坡等次生災(zāi)害頻發(fā)，產(chǎn)匯流過(guò)程與震前大不相同，庫(kù)岸形態(tài)及河槽水流條件也發(fā)生了根本性的變化［3］。由于紫坪鋪壩址距離震中僅17.17 km，震中傳導(dǎo)至壩址的烈度達(dá)IX～X 度，就目前國(guó)內(nèi)外同類已建工程而言，如此近距離遭遇強(qiáng)震的百米以上高面板壩尚屬首次［4］，因此其案例具有極高的研究?jī)r(jià)值。

目前關(guān)于紫坪鋪的研究多集中在論證水庫(kù)蓄水與汶川地震內(nèi)在關(guān)系［5-7］、地震后庫(kù)岸邊界穩(wěn)定性［8-10］以及水文特性變化［11-13］等方面，而針對(duì)強(qiáng)地震及次生災(zāi)害延續(xù)作用下，水庫(kù)淤積特征及庫(kù)容變化的響應(yīng)過(guò)程和演變趨勢(shì)的研究相對(duì)較少，比較典型的如李洪［14］、薛晨［15］、由麗華［16］等對(duì)地震以來(lái)紫坪鋪水庫(kù)淤積隨時(shí)間的變化過(guò)程以及對(duì)水庫(kù)調(diào)度的影響進(jìn)行了詳細(xì)闡述；Yan［17］采用多波束回聲測(cè)深系統(tǒng)結(jié)合arcgis建立了紫坪鋪庫(kù)區(qū)2012年12月底部數(shù)字高程模型，分析了水庫(kù)淤積縱剖面形態(tài)與橫斷面過(guò)流能力損失情況；Song［18］、Xu［19］等以紫坪鋪為例，利用水槽試驗(yàn)和三維數(shù)值模型復(fù)原地震期間庫(kù)區(qū)地形快速演變過(guò)程，并分析了地形變化對(duì)異重流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響；但上述研究并未闡明地震與庫(kù)區(qū)泥沙淤積及粒徑組成空間分布特征的變化關(guān)系。鑒于此，本文將基于紫坪鋪庫(kù)區(qū)2008年4月至2020年11月七次實(shí)測(cè)地形資料，重點(diǎn)分析汶川地震以來(lái)，水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)、空間位置分布、粒徑組成、庫(kù)容變化特性等演化過(guò)程和發(fā)展趨勢(shì)，為水庫(kù)調(diào)度、淤積形態(tài)優(yōu)化及未來(lái)清淤規(guī)劃設(shè)計(jì)提供參考。

1 庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)

1.1 干流淤積形態(tài)

汶川地震時(shí)，M13（距壩6.98 km）斷面左岸巨大的山體滑坡，造成M11～M14庫(kù)段泥沙大量堆積形成堰塞體，至2011年堰塞體高達(dá)33.84 m，其上游M13～M23（距壩12.58 km）庫(kù)段形成長(zhǎng)約5.6 km 的堰塞湖，堰塞體將庫(kù)區(qū)分割為上庫(kù)（M13～M43）和下庫(kù)（壩前～M13）兩部分（見(jiàn)圖2）。由于堰塞體的阻擋，入庫(kù)泥沙絕大部分被攔截在上庫(kù)，造成上庫(kù)死庫(kù)容大量淤積，隨著淤積的發(fā)展，河床整體抬升，上庫(kù)的堰塞湖逐漸被淤平，至2014年和2015年上庫(kù)河床逐漸達(dá)到淤積平衡，庫(kù)區(qū)形成了以M13斷面為固定頂點(diǎn)的淤積三角洲，三角洲前坡段比降37.46‰，頂坡段比降0.49‰，頂坡段河底高程已接近死水位817 m，此后入庫(kù)泥沙進(jìn)入下庫(kù)逐漸增加，下庫(kù)死庫(kù)容淤積加快；到2019年和2020年時(shí)，堰塞體以上進(jìn)一步淤積抬高，上庫(kù)河床全部高于死水位817 m，已開(kāi)始侵占上庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容。由于堰塞體阻礙了泥沙向壩前推進(jìn)，加劇了三角洲洲面淤積速度，再加上三角洲頂坡段水深大，比降小，可以預(yù)見(jiàn)，今后三角洲洲面將會(huì)繼續(xù)淤積抬升，上庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容和下庫(kù)死庫(kù)容淤積也將進(jìn)一步加劇，對(duì)水庫(kù)興利和防洪的不利影響加重。

圖2 紫坪鋪庫(kù)區(qū)干流縱剖面（深泓點(diǎn)）Fig.2 The longitudinal profile（thalweg）of main stream in Zipingpu Reservoir area

1.2 支流淤積形態(tài)

受汶川地震影響，2011年龍溪河河床高程在2008年基礎(chǔ)上平行淤積抬升（見(jiàn)圖3），深泓高程平均抬升9.62 m，床面平均淤高約3.93 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)震損地質(zhì)調(diào)查情況［20］，大地震時(shí)龍溪河溝口L02～L03 斷面右岸發(fā)生山體滑坡，形成堰塞體，回水約1～2 km，造成上游來(lái)沙幾乎全部攔截在堰塞體以上，堰塞體上游河床持續(xù)淤積抬升，河道比降逐漸變緩。至2013年時(shí)，L03斷面形成較為明顯的淤積體，河床縱剖面呈椎體淤積形態(tài)，至2014年淤積體進(jìn)一步抬高，此后淤積體頂點(diǎn)位置保持不變，頂點(diǎn)附近河床基本達(dá)到淤積平衡，淤積逐漸向上游發(fā)展。2008-2014年壽溪河溝口附近河床呈逐年淤積狀態(tài)（見(jiàn)圖4），并且隨著時(shí)間的推移，淤積有逐漸上延的趨勢(shì)，2015年時(shí)溝口河床略有沖刷，此后又持續(xù)淤積抬升。由此可見(jiàn)，汶川地震極大地加快了紫坪鋪庫(kù)區(qū)支流溝口附近河床淤積速度，使得溝口附近河床形態(tài)逐漸向不利方向發(fā)展，支流水沙輸送不暢，造成淤積不斷上延，嚴(yán)重侵占支流有效調(diào)節(jié)庫(kù)容及防洪庫(kù)容，長(zhǎng)期來(lái)看，隨著支流堰塞體及溝口床面的繼續(xù)抬升，將對(duì)支流上游河段行洪產(chǎn)生不利影響。

圖3 支流龍溪河淤積縱剖面Fig.3 The Longxi River sediment longitudinal section

圖4 支流壽溪河淤積縱剖面Fig.4 The Shouxi River sediment longitudinal section

2 庫(kù)區(qū)淤積分布

2.1 泥沙淤積高程分布

泥沙淤積沿高程分布不僅與來(lái)沙時(shí)段水庫(kù)運(yùn)用水位有關(guān)，還與庫(kù)區(qū)前期河床淤積形態(tài)密切相關(guān)。根據(jù)庫(kù)區(qū)河床縱剖面形態(tài)變化情況（見(jiàn)圖2），大致可以將紫坪鋪水庫(kù)的淤積過(guò)程劃分為3 個(gè)時(shí)段：汶川地震前（建庫(kù)-2008年）、地震后堰塞湖發(fā)育期（2008-2011年）、堰塞湖衰亡期（2011-2015年）、三角洲淤積期（2015-2020年）。

由圖5和表1可知紫坪鋪水庫(kù)在不同演變階段淤積沿高程分布特征表現(xiàn)為：①地震后，受流域水文地質(zhì)條件破壞的影響，水庫(kù)整體淤積速率顯著加快；②地震前水庫(kù)整體淤積較為緩慢，直到830 m 以上淤積速率才開(kāi)始有所增加；③堰塞湖發(fā)育期，水庫(kù)淤積速率隨高程增加不斷提升，直到830 m以上淤積速率才開(kāi)始逐漸放緩；④堰塞湖衰亡期，水庫(kù)淤積主體位于850 m以下，850 m 以上淤積不明顯；⑤三角洲淤積期，水庫(kù)淤積主要發(fā)生在800 m 以下和817～830 m，且淤積部位恰好對(duì)應(yīng)于下庫(kù)段死庫(kù)容和上庫(kù)段調(diào)節(jié)庫(kù)容的損失，其余區(qū)間基本達(dá)到淤積平衡狀態(tài)?？傮w來(lái)看，地震前水庫(kù)淤積主體集中在830 m 以上，830 m 以上淤積0.188 9 億m3，占總淤積量的83.53%，地震后水庫(kù)淤積主體則位于830 m 以下（見(jiàn)圖7），830 m 以下淤積1.176 4億m3，占總量的81.69%。

表1 紫坪鋪水庫(kù)不同演變階段沿高程方向淤積速率變化Tab.1 Variation of siltation rate along the elevation direction in different evolution stages of Zipingpu Reservoir

圖5 紫坪鋪水庫(kù)不同高程累積淤積曲線Fig.5 The cumulative siltation curve of Zipingpu Reservoir at different elevations

圖7 紫坪鋪庫(kù)區(qū)不同高程區(qū)間淤積量分布Fig.7 The distribution of siltation in different elevation intervals of Zipingpu Reservoir area

地震前水庫(kù)淤積主要分布在汛限水位850 m以下和設(shè)計(jì)洪水位871.2 m 以上（見(jiàn)圖6），而地震后庫(kù)區(qū)淤積則主要集中在850 m 以下，且死水位817 m 以下淤積量變化略大于817～850 m區(qū)間，其余特征水位區(qū)間淤積量變化不大。從特征水位區(qū)間淤積強(qiáng)度變化來(lái)看，地震前871.2 m 以上淤積強(qiáng)度顯著大于871.2 m 以下，地震后，在堰塞湖發(fā)育期850 m 以下淤積強(qiáng)度顯著提升，而871.2 m 以上淤積強(qiáng)度顯著下降，其余區(qū)間淤積強(qiáng)度均有小幅提升；在堰塞湖消亡期，與前一階段相比，817～861.6 m（防洪高水位）區(qū)間淤積強(qiáng)度變化不大，其余區(qū)間淤積強(qiáng)度均有一定下降；在三角洲淤積期，各區(qū)間淤積強(qiáng)度進(jìn)一步下降，其中850 m以上淤積強(qiáng)度較小，850 m以下淤積強(qiáng)度已回落至地震前水平?？傮w來(lái)看，汶川地震對(duì)850 m 以下和871.2 m 以上特征區(qū)間影響較大，尤其是死水位817 m 以下區(qū)間，而對(duì)850～871.2 m區(qū)間影響較小。

圖6 紫坪鋪水庫(kù)特征水位區(qū)間淤積分布及淤積強(qiáng)度Fig.6 The distribution and intensity of sedimentation in characteristic water level of Zipingpu Reservoir

2.2 泥沙淤積位置分布

根據(jù)紫坪鋪庫(kù)區(qū)平面形態(tài)及河床縱剖面，大致可將水庫(kù)劃分為3 個(gè)區(qū)段：大壩～M13（距壩6.98 km）斷面、M13～M28（距壩15.08 km）斷面和M28～M43（距壩23.91 km）斷面，前兩段以M13斷面堰塞體為分界，分別為下庫(kù)段和上庫(kù)堰塞湖段，總體較為寬闊，平均河寬800 m 以上，最寬處達(dá)1 940 m，后一段為上庫(kù)窄深峽谷段，河谷寬度多在350 m以下，最窄處只有78 m。

地震通過(guò)改變流域的氣候和下墊面條件，對(duì)庫(kù)區(qū)的產(chǎn)匯流過(guò)程帶來(lái)了影響，進(jìn)而造成庫(kù)區(qū)淤積分布的動(dòng)態(tài)調(diào)整。2008-2011年，受地震后流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境脆弱及次生災(zāi)害延續(xù)作用的影響，紫坪鋪遭遇了連續(xù)的平水豐沙期［13］，庫(kù)區(qū)3個(gè)河段都有一定程度的淤積（見(jiàn)圖8）。2011年以后，在堰塞體的阻擋作用下，上庫(kù)堰塞湖段攔截了上游的大部分來(lái)沙，導(dǎo)致其余兩個(gè)庫(kù)段淤積持續(xù)減少，隨著時(shí)間的推移，上庫(kù)的堰塞湖逐漸達(dá)到淤積平衡，攔沙能力減弱，2014年以后，上游來(lái)沙越過(guò)堰塞體進(jìn)入下庫(kù)段的幾率逐漸增加，下庫(kù)段河床淤積速度持續(xù)加快?？傮w來(lái)看，2008-2020年紫坪鋪庫(kù)區(qū)泥沙主要淤積在上庫(kù)堰塞湖段和下庫(kù)段，淤積量分別為0.646 3、0.605 9 億m3，占總淤積量的44.88%、42.07%。

圖8 紫坪鋪水庫(kù)不同庫(kù)段沖淤分布Fig.8 The distribution of erosion and deposition in different sections of Zipingpu Reservoir

2008-2020年紫坪鋪庫(kù)區(qū)干、支流淤積量分別為1.356 6、0.083 5 億m3（見(jiàn)圖9），淤積主要集中在干流，占總淤積量的94.20%，支流淤積較少，且主要分布在溝口附近。

2.3 淤積物組成

2008-2020年紫坪鋪庫(kù)區(qū)累積淤積泥沙1.716 2 億t，其中干流淤積1.618 4 億t，以細(xì)沙為主，支流淤積0.097 8 億t，以粗沙為主（見(jiàn)圖10）。從干流分組沙淤積沿程分布來(lái)看（見(jiàn)圖11），粗沙主要分布在M23（距壩12.58 km）斷面上游，中沙分布比較平均，M23 斷面以上稍大，細(xì)沙主要分布在M23 斷面下游?？傮w來(lái)看，紫坪鋪庫(kù)區(qū)以中、細(xì)沙淤積為主，占81.57%，由于細(xì)顆粒泥沙通常不會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)下游河道淤積帶來(lái)較大影響，大量細(xì)沙堆積在庫(kù)內(nèi)，減少了攔沙庫(kù)容，降低了水庫(kù)的攔沙效益，水庫(kù)排沙較少，縮短了水庫(kù)的攔沙壽命。

圖10 紫坪鋪水庫(kù)干支流分組泥沙淤積量Fig.10 The sediment deposition in groups of main and tributaries of Zipingpu Reservoir

圖11 紫坪鋪水庫(kù)干流分組泥沙淤積沿程分布Fig.11 The distribution of grouped sedimentation volume along the main stream of Zipingpu Reservoir

3 庫(kù)容變化分析

紫坪鋪水庫(kù)原始庫(kù)容為11.120 0 億m3，截至2020年11月，紫坪鋪總庫(kù)容為9.168 3 億m3（見(jiàn)圖12），其中干流庫(kù)容8.490 7億m3，占總庫(kù)容的92.61%，支流庫(kù)容0.677 6 億m3（龍溪河庫(kù)容0.260 6 億m3，壽溪河庫(kù)容0.417 0 億m3），占總庫(kù)容的7.39%（見(jiàn)圖13）。

圖12 紫坪鋪水庫(kù)歷次實(shí)測(cè)庫(kù)容曲線Fig.12 The measured capacity curve of Zipingpu Reservoir

圖13 紫坪鋪水庫(kù)干支流庫(kù)容隨時(shí)間變化Fig.13 Change of storage capacity of main and tributary streams of Zipingpu Reservoir with time

至2020年11月，紫坪鋪水庫(kù)調(diào)洪庫(kù)容、防洪庫(kù)容、調(diào)節(jié)庫(kù)容、共用庫(kù)容、死庫(kù)容、總庫(kù)容分別剩余5.099 9、1.594 6、6.870 9、4.040 5、1.237 9、9.168 3 億m3（見(jiàn)圖14），與水庫(kù)初始指標(biāo)相比，分別淤損了0.290 1、0.088 7、0.879 1、0.219 5、1.002 1、1.951 7億m3，淤損率分別為5.38%、5.27%、11.34%、5.15%、44.74%、17.55%。

圖14 紫坪鋪水庫(kù)庫(kù)容指標(biāo)隨時(shí)間變化Fig.14 Change of storage capacity index of Zipingpu Reservoir with time

從淤損過(guò)程來(lái)看，汶川地震前（建庫(kù)-2008年4月）水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容、調(diào)洪庫(kù)容淤損相對(duì)較快，死庫(kù)容、共用庫(kù)容淤損略慢，防洪庫(kù)容淤損最少（見(jiàn)圖15）；汶川地震后的前三年（2008年4月-2011年3月），由于地震期間流域內(nèi)地貌、植被遭到巨大破壞，產(chǎn)匯流較過(guò)去發(fā)生較大變化，水文特性轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)平水豐沙年，再加上地震后次生地質(zhì)災(zāi)害延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，造成水庫(kù)死庫(kù)容淤損速率顯著提升，調(diào)節(jié)庫(kù)容淤損也開(kāi)始加快，調(diào)洪庫(kù)容、共用庫(kù)容淤損速率有所減弱，防洪庫(kù)容變化不大；此后至2019年3月，水庫(kù)各特征指標(biāo)淤損速率整體呈下降趨勢(shì)，這主要與流域內(nèi)植被逐漸恢復(fù)，入庫(kù)沙量減少，泥石流、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害減弱有關(guān)；2019年3月至2020年11月期間，紫坪鋪進(jìn)入豐水豐沙期，水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容、死庫(kù)容淤積速率再次提升，而調(diào)洪庫(kù)容、防洪庫(kù)容及共用庫(kù)容均沒(méi)有明顯變化。

圖15 紫坪鋪水庫(kù)庫(kù)容指標(biāo)不同時(shí)段淤損速率Fig.15 Siltation loss rate of Zipingpu Reservoir capacity index in different time periods

4 結(jié) 論

（1）汶川地震嚴(yán)重破壞了流域的水文地質(zhì)條件，極大地加快了水庫(kù)的淤積進(jìn)程，地震后水庫(kù)淤積形態(tài)及空間位置分布的調(diào)整主要受堰塞湖演化過(guò)程的影響，總體表現(xiàn)為：在垂向上，庫(kù)區(qū)淤積主體由地震前830 m 以上轉(zhuǎn)變?yōu)?30 m 以下，地震僅對(duì)汛限水位850 m 以下和設(shè)計(jì)洪水位871.2 m 以上淤積分布影響較大，其余高程區(qū)間影響較?。辉诳v向上，淤積主要集中在壩前段（大壩～M13）和堰塞湖段（M13～M28）。

（2）庫(kù)區(qū)以干流淤積為主，支流淤積主要分布在溝口附近且有不斷上延的趨勢(shì)，從淤積物組成來(lái)看，干流以細(xì)沙淤積為主，支流以粗沙淤積為主，細(xì)沙嚴(yán)重侵占攔沙庫(kù)容，加之水庫(kù)排沙少，長(zhǎng)期來(lái)看，將對(duì)水庫(kù)興利及防洪帶來(lái)不利影響。

（3）地震前水庫(kù)以調(diào)洪、調(diào)節(jié)庫(kù)容淤積為主，地震后，受堰塞湖攔沙影響，在堰塞湖生存期內(nèi)，庫(kù)區(qū)以死庫(kù)容淤積為主，堰塞湖消亡后，上庫(kù)段轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉{(diào)節(jié)庫(kù)容淤積為主，下庫(kù)段死庫(kù)容淤損速率顯著加快。