麥溝河水庫入庫泥沙沖淤分析及死水位確定

張振興

（古縣水利局，山西 古縣 042400）

1 工程所在地概況

麥溝河水庫擬建于山西省臨汾市古縣石壁鄉(xiāng)左村上游約1.2 km 處，是一座以工、農(nóng)業(yè)供水為主的綜合性水利工程，距離古縣縣城約12 km。擬建麥溝河水庫位于洪安澗河北澗的支流麥溝河下游，壩址以上控制流域面積61 km2，主河道長度18.4 km，平均比降為19.4‰。流域包括三種下墊面地類：黃土丘陵階地、砂頁巖灌叢山地和砂頁巖森林山地，主要任務(wù)是為澗河工業(yè)園區(qū)提供部分工業(yè)用水，并解決水庫下游農(nóng)田灌溉用水問題。

古縣境內(nèi)水資源總量1.432 億m3，其中地表水0.649 億m3，地下水可采量0.783 億m3。境內(nèi)有澗河、藺河、蔡子河、劉垣河四大水系，其中藺河為沁河支流，其余為汾河一級支流，黃河二級支流。四大水系年平均徑流量1.192 億m3，其中清水總量0.794 億m3，洪水總量0.398 億m3。古縣城北有一眼水位826.84 m的自流水井，靜水位高出地表7.2 m，日涌水量一般為3 460 t，最大涌水量6 469 t。經(jīng)有關(guān)部門鑒定，水質(zhì)含鍶量達0.99%，屬高鍶偏硅酸優(yōu)質(zhì)天然礦泉水。

2 徑流與洪水

2.1 徑流系列

麥溝河徑流來源主要為大氣降水補給，流域內(nèi)無實測徑流資料。洪安澗河干流有東莊水文站，該站有1969—2005 年共37 年徑流實測資料，洪安澗河徑流年內(nèi)分配不均，汛期（7—10 月）水量占年來水量的65.5%左右。多年平均流量以8 月份最大，約占全年的23%；4、5 月流量最小，約占全年徑流量的6.5%。

2.2 設(shè)計徑流

雖然麥溝河流域內(nèi)無實測徑流資料，但考慮到麥溝河下游洪安澗河干流的東莊水文站具有較好的可靠性，資料系列一致性也可以保證，因此本階段采用無資料地區(qū)設(shè)計和徑流資料推求設(shè)計兩種方法進行徑流計算，并進行對比分析后取最終設(shè)計徑流。

2.2.1 無資料地區(qū)設(shè)計徑流計算

考慮到麥溝河水庫流域內(nèi)無實測觀測資料，流域面積也較小，本次采用《山西省水文計算手冊》（以下簡稱《手冊》）對徑流進行計算、復核。年徑流均值計算，包括地表年徑流均值計算和基流均值計算兩部分。本次地表年徑流均值計算采用冪函數(shù)模型法和雙曲正切模型法，基流均值計算采用數(shù)學模型法。

（1）地表年徑流均值計算

①冪函數(shù)模型法

不同水文下墊面條件下，多年平均降水與地表年徑流之間變化規(guī)律可用冪函數(shù)模型表示為：

b——水文分區(qū)參數(shù)。

流域平均年降水均值由《手冊》附圖6 可查得1956—2008 年流域平均年降水量為529.3 mm。水文下墊面分區(qū)：黃土丘陵階地（43.5%）、砂頁巖灌叢山地（42.1%）和砂頁巖森林山地（14.4%）。經(jīng)加權(quán)計算，參數(shù)a 值均采用28 mm。b 為水文分區(qū)參數(shù)，本工程處于水文分區(qū)中的中區(qū)，b 取2.85。

由公式計算得設(shè)計流域多年平均地表徑流量為196 萬m3（32.2 mm）。

②雙曲正切模型法

不同水文下墊面條件下，多年平均降水與地表年徑流之間變化規(guī)律可用雙曲正切模型表示為：

Zmi——某產(chǎn)流地類可能最大損失量，mm；

th——雙曲正切函數(shù)符號；

Zm——可能最大損失量，mm。其他符號含義同上。

由公式求得設(shè)計流域多年平均地表徑流量為196萬m3（32.2 mm）。

（2）基流均值計算

本次基流均值采用數(shù)學模型法進行計算。

c——反映流域水文下墊面綜合補給條件的參數(shù)；

K0——無效相對年降水；

A——集水面積，km2；其他符號意義同上。

根據(jù)設(shè)計流域所在水文分區(qū)（中區(qū)），確定各產(chǎn)流地類相應(yīng)的參數(shù)，流域復合參數(shù)c 和k0值分別為44 mm和0.73。計算求得基流均值為84 萬m3（13.8 mm）。

（3）年徑流均值計算

年徑流均值由地表年徑流均值與基流均值相加求得，本次采用雙曲正切模型法計算的地表年徑流成果與基流均值相加，得到年徑流均值為280 萬m3（46 mm）。

2.2.2 徑流資料推求設(shè)計徑流

東莊水文站位于洪安澗河南北兩澗的交匯處，控制流域面積987 km2，上游多為山區(qū)，河道上無大型水利項目，自然地理環(huán)境受人類活動影響較小。水文站數(shù)據(jù)資料經(jīng)當?shù)厮木终幙l(fā)，具有較好的可靠性。并且東莊水文站建站以來未有遷移，資料系列一致性也可以保證，因此可以采用該站數(shù)據(jù)資料進行設(shè)計徑流計算和復核。

東莊水文站控制流域內(nèi)產(chǎn)匯流條件相近，采用東莊水文站1969—2004 年共計36 年徑流資料推算工程流域徑流。由于該地區(qū)汛期徑流占據(jù)比重較大（約占65.5%），且工程流域無實測清水流量成果，本階段按照面積比的一次方推求麥溝河水庫壩址處徑流系列。采用P-Ⅲ型曲線適線，成果見表1 及圖1。

表1 麥溝河水庫壩址設(shè)計徑流成果表單位：萬m3

圖1 麥溝河水庫壩址年徑流頻率曲線圖

2.2.3 合理性分析

采用有資料和無資料兩種計算方法對徑流進行計算，其年徑流均值相差不大，可以認為計算結(jié)果是合適的。本次設(shè)計徑流系列采用下列成果。

2.3 設(shè)計洪水

根據(jù)《手冊》中要求，“對需要設(shè)計洪水流量過程線的工程，宜采用綜合瞬時單位線法，也可采用推理公式法”。本次設(shè)計洪水計算，除綜合瞬時單位線法計算外，還采用了推理公式法進行計算，并結(jié)合《手冊》中東莊水文站洪水成果，采用面積比的0.6次方推算水庫洪峰。計算結(jié)果見表2。

表2 麥溝河水庫設(shè)計洪水計算成果表

從表2 結(jié)果可以看出，《手冊》中兩種方法計算的設(shè)計洪峰相差不大，水文比擬法結(jié)果略有差異。考慮到東莊水文站流域與工程流域相差較大（987∶61），僅用此方法對結(jié)果進行參照對比。本次設(shè)計出于工程安全角度考慮，并基于《手冊》無資料地區(qū)洪水計算說明，采用綜合瞬時單位線法計算成果。

3 泥沙沖淤

3.1 泥沙

3.1.1 泥沙特性

麥溝河流域?qū)儆谕潦絽^(qū)，地形變化較大，地面植被覆蓋率一般。河道輸沙量變化與徑流年內(nèi)分配及多年變化相類似，枯水期河道輸沙量極小，豐水期特大，汛期（7—9 月）輸沙量占全年的80%，年內(nèi)、年際輸沙變化較大。根據(jù)東莊水文站1969—2004 年實測資料分析，多年平均含沙量53.02 kg/m3，多年平均輸沙模數(shù)1 568 t/km2。

3.1.2 入庫沙量計算

本流域無泥沙實測資料，為概算水庫泥沙淤積量，在對本流域進行調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合附近地區(qū)有關(guān)資料，綜合分析以確定設(shè)計參數(shù)，計算公式如下。

式中：R0——本流域多年平均年懸移質(zhì)輸沙量，t；

γ——本流域多年平均年懸移質(zhì)輸沙模數(shù)，t/km2；

F——本流域集水面積，km2。

流域附近有東莊水文站，氣候、降水及產(chǎn)沙地類相似。本次設(shè)計采用東莊水文站多年平均輸沙模數(shù)1 568 t/km2，乘以麥溝河流域面積61 km2，得到麥溝河水庫壩址處多年平均懸移質(zhì)輸沙量為9.56 萬t。

推移質(zhì)由于無實測資料，因此根據(jù)山區(qū)河流一般規(guī)律，按照懸移質(zhì)的10%考慮，多年平均推移質(zhì)輸沙量為0.96 萬t。從而得到麥溝河多年平均輸沙量為10.52 萬t。

3.1.3 泥沙顆粒級配

東莊水文站泥沙顆粒級配只有1975 年后的資料，多年平均顆粒級配計算結(jié)果見表3。

表3 東莊水文站懸移質(zhì)顆粒級配成果表

3.2 泥沙沖淤分析

3.2.1 入庫沙量計算

根據(jù)泥沙分析計算，麥溝河水庫多年平均懸移質(zhì)輸沙量為9.56 萬t，推移質(zhì)按懸移質(zhì)的10%推算，輸沙量為0.96 萬t。水庫泥沙懸移質(zhì)干容重1.3 t/m3，推移質(zhì)干容重1.65 t/m3，年入庫淤積沙量約7.94 萬m3，其中懸移質(zhì)約7.36 萬m3，推移質(zhì)約0.58 萬m3。

水庫運行按20 年考慮，不考慮排沙措施情況，20年總來沙量210.4 萬t，合計158.8 萬m3，其中懸移質(zhì)147.2 萬m3，推移質(zhì)11.6 萬m3?？紤]排沙措施條件，水庫運行20 年入庫淤積總沙量為126.2 萬t，合95.2 萬m3，其中懸移質(zhì)88.2 萬m3，推移質(zhì)7.0 萬m3。

3.2.2 沖淤計算

（1）排沙比確定

由于水庫為河槽型水庫，利用異重流排沙的幾率較大，主要排沙粒徑為＜0.02 mm 細顆粒泥沙，且河道比降較大，為19.6%。采用張啟舜排沙比曲線計算，數(shù)學表達式：

式中：η——水庫排沙比；

V——正常蓄水位以下淤積后的剩余庫容，萬m3；

Q——入庫年徑流量，m3/s。

經(jīng)計算，水庫排沙比在45%左右，考慮到水庫推移質(zhì)和較大顆粒泥沙，本次設(shè)計確定水庫排沙比為40%。

（2）淤積形態(tài)確定

淤積形態(tài)判別根據(jù)《泥沙設(shè)計手冊》中對水庫泥沙淤積形態(tài)判別公式：

式中：V——時段平均庫容，m3，采用正常蓄水位以下庫容；

WS——時段平均入庫沙量，m3，采用多年平均入庫沙量；

J0——庫區(qū)河床比降；

K——水庫泥沙淤積形態(tài)判別參數(shù)，當K<2.2，為錐體淤積，K>2.2，為三角洲淤積。

本次設(shè)計麥溝河水庫正常蓄水位以下庫容為205.47 萬m3，多年平均入庫沙量為7.94 萬m3，庫區(qū)縱坡為19.6‰。經(jīng)計算K=0.13。初步判定麥溝河水庫為錐體淤積。

3.2.3 計算結(jié)果

根據(jù)淤積形態(tài)分析及原始庫容，采用平衡比降法對麥溝河水庫進行淤積計算。計算結(jié)果見表4 和圖2。

圖2 麥溝河水庫淤積平衡形態(tài)圖

表4 麥溝河水庫泥沙淤積計算成果表

4 死水位確定

死水位擬定需考慮壩前泥沙淤積高程，以及取水工程布置等因素。根據(jù)水庫特點及水沙特性，暫按淤積平衡時對應(yīng)壩前淤積高程考慮，即上壩址壩前淤積高程794.6 m，考慮取水口預(yù)留高度，確定麥溝河水庫的死水位為796 m，相應(yīng)的死庫容為62.3 萬m3；下壩址壩前淤積高程780.2 m，考慮取水口預(yù)留高度，確定麥溝河水庫的死水位為781.0 m，相應(yīng)的死庫容為68.8 萬m3。