淺析雙塔水庫(kù)淤積形態(tài)分析

耿延軍

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 玉門 735211）

1 工程概況

雙塔水庫(kù)位于酒泉市瓜州縣城以東約48 km 的疏勒河干流中游段,是一座以灌溉為主,兼顧城鄉(xiāng)和生態(tài)供水、防洪、工業(yè)、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型平原水庫(kù),壩址以上流域面積20197 km2,多年平均徑流3.41 億m3,平均流量10.82 m3/s,推移質(zhì)年輸沙量9.34 萬t,懸移質(zhì)年輸沙量186.9 萬t,多年平均含沙量6.263 kg/m3。雙塔水庫(kù)主要建筑物有：主壩、1#、2#副壩,輸水洞,1#溢洪道、2#溢洪道、泄洪渠、輸水渠等。主壩為粘土心墻砂礫石壩,壩頂長(zhǎng)1040 m,壩頂寬10.0 m,最大壩高26.80 m。設(shè)計(jì)庫(kù)容2.4 億m3,調(diào)洪庫(kù)容1.325 億m3,灌溉調(diào)節(jié)庫(kù)容1.2 億m3。水庫(kù)經(jīng)過60 年運(yùn)行,淤積較嚴(yán)重,先后經(jīng)歷4 次除險(xiǎn)加固。在水庫(kù)上游24 km 處設(shè)有潘家莊水位站,有64 年的水文資料。根據(jù)離水庫(kù)最近的瓜州氣象站（1985 年～2014 年）多年觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)：多年平均氣溫9.3℃,多年平均降水量47.9 mm,多年平均蒸發(fā)量3300 mm。

2 入庫(kù)水沙資料

2.1 來水量分析

經(jīng)對(duì)1952 年～2006 年的雙塔水庫(kù)水文資料分析,多年平均流量為10.82 m3/s,多年平均徑流量3.41 億 m3。疏勒河雙塔水庫(kù)壩址處水量各月分配狀況見表1。由表1 可見,汛期6 月～9 月入庫(kù)平均流量14.274 m3/s,入庫(kù)水量占全年水量44.2%。其中7 月、8 月兩月入庫(kù)流量較大,平均流量19.734 m3/s,入庫(kù)水量占全年水量30.88%,8 月入庫(kù)平均流量最大,為21.484 m3/s,入庫(kù)水量占全年水量16.8%。

表1 雙塔水庫(kù)設(shè)計(jì)年徑流年內(nèi)分配成果表

2.2 來沙量分析

雙塔水庫(kù)上游來水發(fā)源于祁連山脈的疏勒河流域,距上游330 km 以下河流兩岸光山禿嶺,植被較差,水土流失較為嚴(yán)重,是泥沙的主要來源地之一；此外,河流出山以后,進(jìn)入走廊平地,走廊平地荒漠戈壁廣布,在河水沖刷作用下河床深切,兩岸局部河段岸坡失穩(wěn)塌落入河,也是河道泥沙的另一個(gè)來源。

疏勒河中下游的潘家莊水文站流域面積 18496 km2,據(jù)該站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì),多年平均懸移質(zhì)輸沙率 59.2 kg/s,多年平均懸移質(zhì)輸沙量 186.9 萬t,多年平均侵蝕模數(shù)為 101 t/（km2·a）。河道來沙主要集中于汛期,6 月～9 月懸移質(zhì)輸沙量 163.7 萬t,占年輸沙量的87.6%,其中 7 月～8 月輸沙量 151.62 萬t,占年輸沙量的 81.12% 。

疏勒河潘家莊水文站實(shí)測(cè)泥沙資料各月分配狀況見表2。

表2 疏勒河潘家莊水文站月、年輸沙量表

雙塔水庫(kù)在潘家莊水文站下游24 km 處,之間地質(zhì)變化不大,因此雙塔水庫(kù)壩址（流域面積 20197 km2）侵蝕模數(shù)采用潘家莊水文站實(shí)測(cè)的101 t/（k2·a）,計(jì)算壩址懸移質(zhì)輸沙量為204 萬t。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)算,推移質(zhì)按懸移質(zhì)的25%得到雙塔水庫(kù)壩址處推移質(zhì)輸沙量計(jì)算為 51.0 萬t,合計(jì)多年平均來沙量255 萬t。

懸移質(zhì)泥沙干容重采用 l.3 t/m3,推移質(zhì)泥沙干容重采用l.6 t/m3,計(jì)算得到雙塔水庫(kù)多年平均懸移質(zhì)輸沙量為156.9 萬m3,推移質(zhì)輸沙量為31.9 萬m3,年均入庫(kù)沙量為188.8 萬m3。

3 雙塔水庫(kù)的淤積形態(tài)分析

3.1 四次實(shí)測(cè)地形法測(cè)庫(kù)容入庫(kù)泥沙量

雙塔水庫(kù)自1960 年3 月建成蓄水至今,采取4 次（1960 年、1974 年、2005 年和2017 年）實(shí)測(cè)庫(kù)容曲線,根據(jù)雙塔水庫(kù)校核洪水位 1331.8 m 對(duì)應(yīng)的總庫(kù)容,不同時(shí)期總庫(kù)容變化情況及不同時(shí)段年均庫(kù)內(nèi)淤積量成果見表3。

表3 雙塔水庫(kù)歷次總庫(kù)容成果及不同時(shí)段庫(kù)內(nèi)淤積量成果表

由表3 可見,雙塔水庫(kù)1960 年至1974 年15 年中年均庫(kù)內(nèi)淤積量為 277.3 萬m3,1960 年～2005 年46 年中年均庫(kù)內(nèi)淤積量為200.7 萬m3,1960 年～2017 年58 年中年均庫(kù)內(nèi)淤積量為208.6 萬m3,沒有表現(xiàn)出一般水庫(kù)隨著淤積年限的增長(zhǎng)庫(kù)內(nèi)年均泥沙淤積量會(huì)由于排沙比的增大而逐步減少的規(guī)律；從三個(gè)不同時(shí)段庫(kù)內(nèi)平均淤積量來看,1960 年～1974 年15 年中年均庫(kù)內(nèi)淤積量為277.3 萬m3,1974 年～2005 年31 年中庫(kù)內(nèi)年均淤積量163.5 萬m3,2005 年～2017 年12 年中庫(kù)內(nèi)年均淤積量 239 萬m3,也無明顯的規(guī)律。

由于雙塔水庫(kù)近兩次的庫(kù)容曲線施測(cè)精度較高,2005 年～2017 年12 年中庫(kù)內(nèi)年均淤積量 239 萬m3,達(dá)到較大的淤積量,從水庫(kù)防洪安全的角度綜合考慮,采用1960 年～1974 年庫(kù)內(nèi)多年平均淤積量 277 萬m3,作為預(yù)測(cè)將來雙塔水庫(kù)庫(kù)容變化的庫(kù)內(nèi)平均淤積量,這是以上各種時(shí)段中年均庫(kù)內(nèi)淤積量最大的一個(gè)值。

3.2 雙塔水庫(kù)的淤積形態(tài)分析

3.2.1 橫斷面切割

雙塔水庫(kù)建成至今己有60 年,共有四次庫(kù)容成果,但前兩次庫(kù)容成果的基礎(chǔ)斷面和地形資料缺失,利用后兩次實(shí)測(cè)地形圖切割橫斷面。

雙塔水庫(kù)屬平原湖泊型水庫(kù),河寬變化較大,切割有25 個(gè)橫剖面,庫(kù)尾橫25 斷面距離壩址為10.862 km,各斷面在雙塔水庫(kù)的位置分布見圖1,各斷面關(guān)系分別見表4。

圖1 雙塔水庫(kù)庫(kù)區(qū)橫斷面分布示意圖

表4 雙塔水庫(kù)各斷面情況表

雙塔水庫(kù)橫l 斷面原始河床高程 1305.0 m（采用壩下游最低地面高程數(shù)據(jù)）至庫(kù)尾橫25 斷面深泓點(diǎn)高程1332.23 m之間高差為 27.23 m,庫(kù)區(qū)原始河床坡降2.5‰。

（1）公式判定

①采用如下判別式,分析淤積形態(tài):

式中：α為淤積形態(tài)判別參數(shù),如α＜0.3,為錐體淤積；以α＞0.3,為三角洲淤積。V為總庫(kù)容,億m3。W為總?cè)霂?kù)水量,億m3。

雙塔水庫(kù)截止2017 年9 月,總庫(kù)容12098 萬m3,壩址處多年平均總水量為34563 萬m3。

α=v/w=0.35,α＞0.3,為三角洲淤積形態(tài)。

②采用如下淤積形態(tài)判別式:

K=V/（WSJ0）,如K＜2.2 為錐體淤積,K＞2.2 三角洲或帶狀淤積。

式中：V為總庫(kù)容,萬m3；WS為年均總淤積量,萬m3；J0為庫(kù)區(qū)比降,萬分率。

總庫(kù)容為12098 萬m3、壩址年均總淤積量為238.83 萬m3、庫(kù)區(qū)比降為25.0,經(jīng)計(jì)算水庫(kù)K=2.03＜2.2,為錐體淤積形態(tài)。

由以上兩個(gè)判別公式計(jì)算結(jié)果可見,計(jì)算結(jié)果接近臨界值參數(shù),說明截止 2017 年9 月,雙塔水庫(kù)的淤積形態(tài)已由三角洲淤積形態(tài)基本轉(zhuǎn)化成錐體淤積形態(tài)。

（2）實(shí)測(cè)縱剖面判定

將表4 中2005 年9 月和 2017 年9 月各斷面深泓點(diǎn)連接成庫(kù)區(qū)淤積縱剖面,見圖 2。

從圖2 可見,雙塔水庫(kù)的淤積末端均位于距離壩址7492.38 m 的橫18 斷面及以后斷面,河槽有沖有淤,處于天然狀態(tài)。壩前沖刷漏斗位于橫3 斷面,2017 年的漏斗平底段高程基本與輸水洞底坎高程1315.4 m 齊平,長(zhǎng)度約150 m,漏斗截止于1321.0 m 高程,垂直高度約5.0 m。庫(kù)區(qū)橫14～橫18 為三角洲頂坡段,橫11～橫14 為三角洲前坡段。隨著壩前淤積高程的逐步增大,雙塔水庫(kù)的整體淤積形態(tài)正向錐體淤積形態(tài)轉(zhuǎn)化,這與公式判定結(jié)果是一致的。

圖2 2005 年與2017 年淤積縱剖面對(duì)比圖

3.2.2 沖淤平衡分析

（1）平衡比降的計(jì)算

①類比法

采用具有實(shí)測(cè)資料的劉家峽水庫(kù)寺溝峽河段進(jìn)行類比。這一河段的原始河床比降J0為 3.4‰,建庫(kù)后平衡比降J為1.1‰,J/J0=0.32。雙塔水庫(kù)庫(kù)區(qū)的原始河床比降為2.5‰,求得平衡比降J為0.8‰。

②采用公式J/J0=0.79×（30× 汛期平均入庫(kù)流量×J0）-0.17 計(jì)算,雙塔水庫(kù)汛期6 月～9 月平均入庫(kù)流量為14.4 m3/s,原始河床比降J0為2.5‰,求得平衡比降J為0.62‰。

③采用公式J/J0=0.79×（壩前水深×多年平均入庫(kù)流量×J0）-0.17 計(jì)算,截止 2017 年9 月,雙塔水庫(kù)壩前水深為14.3 m,多年平均入庫(kù)流量為10.96 m3/s,原始河床比降J0為 2.5‰,求得平衡比降J為 0.71‰。

綜合以上三種方法成果,確定雙塔水庫(kù)的平衡比降為0.62‰。

（2）造床流量

目前國(guó)內(nèi)在實(shí)際工作中計(jì)算造床流量的方法很多,常用的有馬卡維也夫法、平灘水位法和2 年一遇洪峰流量法。本次造床流量的計(jì)算采用2 年一遇洪峰流量法進(jìn)行計(jì)算,雙塔水庫(kù)2年一遇洪峰流量為66.8 m3/s,因此造床流量為66.8 m3/s。

（3)沖淤平衡分析

如前所述,雙塔水庫(kù)的淤積末端位于距離壩址7492.38 m的橫18 斷面，橫18 斷面的河床高程為1328.94 m,截止2017 年9 月,水庫(kù)壩前主槽淤積高程為1322.30 m,壩前至橫18 斷面的區(qū)間比降為0.89‰。經(jīng)測(cè)算,當(dāng)壩前主槽淤積高程達(dá)到1323.6 m 時(shí),此區(qū)間河槽底部比降正好是 0.71‰,與分析確定的雙塔水庫(kù)平衡比降 0.71‰一致。由此可見雙塔水庫(kù)主河槽己接近沖淤平衡。但壩前主槽淤積高程由 2005 年的1321.94 m 淤高至2017 年的1322.3 m 用時(shí)12 年,每年僅淤高0.03 m。即使不考慮今后水庫(kù)排沙比會(huì)逐步增大的影響，壩前主槽淤積高程達(dá)到1323.6 m 還至少需要43 年。

綜上,雙塔水庫(kù)主河槽沖淤平衡正逐步形成,處于發(fā)展塑造中。

3.2.3 淤積上延判斷

（1）公式計(jì)算

（2）縱橫斷面套繪

①縱剖面套繪

圖2 中2005 年與2017 年縱剖面套繪成果表明,雙塔水庫(kù)運(yùn)行60 年來,淤積末端沒有超過橫18 斷面,發(fā)生“翹尾巴”現(xiàn)象。雖然水庫(kù)在前40 年運(yùn)行中（2000 年之前）,最高運(yùn)行水位都低于正常蓄水位1330.3 m,但在后20 年接近正常蓄水位運(yùn)行中,橫18 斷面以后各斷面河槽有沖有淤,沒有形成淤積上延的狀況。

②橫斷面套繪

選取庫(kù)區(qū)末端的橫18 斷面和橫20 斷面,利用2005 年9 月和2017 年9 月實(shí)測(cè)庫(kù)區(qū)地形圖切割兩個(gè)典型斷面,并將兩個(gè)時(shí)段的兩個(gè)斷面分別套繪,見圖3 和圖4。從套繪圖來看,自2005 年～2017 年的12 年中,庫(kù)尾橫18 斷面和橫20 斷面沒有發(fā)生主槽位置、高程的明顯遷移變化,橫20 斷面的右岸坡有局部沖刷塌落現(xiàn)象。其它橫斷面套繪結(jié)果與兩個(gè)典型斷面基本一致。

圖3 橫18 斷面2005 年與2017 年實(shí)測(cè)套繪圖

圖4 橫20 斷面2005 年與2017 年實(shí)測(cè)套繪圖

綜上分析,雙塔水庫(kù)由于運(yùn)行水位變幅很小,基本不會(huì)發(fā)生淤積上延問題。

4 結(jié)語

本文通過公式法和實(shí)測(cè)縱剖面對(duì)平原水庫(kù)淤積形態(tài)進(jìn)行判定,便于在水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行管理中適時(shí)采用沖淤方法,延長(zhǎng)平原水庫(kù)的使用壽命,對(duì)同類水庫(kù)管理有一定的借鑒作用。