水库泥沙淤积对有效库容的影响规律研究

彭 辉

（三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002）

0 前 言

尽管大坝在生产活动和经济生活中发挥了重要作用，但同时也改变了本地区原有河流天然径流特性，使原有径流过程发生了较大变化.另外，天然河流由于其自动调节和适应功能，泥沙冲淤多基本接近平衡［1］.修建水库很大程度改变了这种自然平衡状态，水库淤积和重新建立新的平衡是一个长期的过程，给上下游带来长期、深远的影响.虽然水库的兴建历史久远，但多沙河流水库泥沙淤积仍是一个突出问题.长期以来，水库淤积损失了大量的有效库容.大坝经济效益的多少在很大程度上取决于水库有效库容的大小，一般而言，有效库容越大，水库可调节用于发电的流量就会更大，电站的总经济效益就会越大.国内外研究现状表明:许多电站经济效益正日益受到泥沙淤积的威胁，特别是在多泥沙的河流上.

全球范围内每年由于泥沙淤积水库库容的损失率约为1%，相当于500亿m3的年库容损失率.美国的年平均库容损失率为0.22%，津巴布韦超过了0.5%，摩洛哥约为0.7%，士耳其约为1.2%.据统计，截止到1981年我国水库总淤积量达115亿m3，占统计水库总库容的14.2%，年平均库容损失率达2.3%，高于世界各国.山西桑干河上的册田水库，1960～1983年间淤积总量竟占总库容的102.5%.黄河青铜峡水库从1967年4月蓄水运用至1996年12月，总库容损失近95.8%.盐锅峡水库1961年蓄水，至1998年总库容损失约85.2%，兴利库容损失50.8%.甚至在含沙量较低的珠江流域也不同程度存在水库泥沙淤积问题，有时还可能成为工程设计成败的关键.可见中国目前状况下水库泥沙淤积的严重性是不容忽视的［2］.过去，由于水库泥沙问题没有得到足够重视，随着水库运用库区淤积日益严重，水库库容日渐损失；而随着可供开发的优良坝址逐渐减少，无疑加剧了水库利用与需求的矛盾［3－4］.

特别是在多泥沙河流上修建水库后，由于水库壅水作用，抬高了河床水位，改变了天然输水输沙条件，它将引起水量重新分配、泥沙在库区淤积和回水上延等一系列问题，使水库兴利效益受影响.为了减少泥沙危害的影响，国内外专家研究了不同种类的泥沙清淤方案和方法［5］，但其根本的任务就是如何清除掉每年入库而占据有效库容的那部分泥沙量，死库容内的泥沙则通过运用合理的水库调度方案达到局部冲淤平衡.因此，亟需依据河流和电站的运行特点，在弄清楚水库泥沙淤积规律的基础上，找出泥沙淤积过程对水库发电效益的响应过程.要解决上述问题，首先必须正确模拟和计算水库泥沙淤积过程，其次找出泥沙淤积过程与有效库容变化过程之间的关系.

1 水库泥沙淤积计算方法

泥沙运动的规律类似于水体，不仅服从连续条件，而且也服从运动方程的要求.本文依据非均匀质（悬移质和推移质）不平衡输沙原理建立水库泥沙淤积的一维数学模型，计算中，按全沙模式和划分时段、河段，逐时段、逐河段进行［6－7］.

一维水流泥沙冲淤方程组应满足以下方程［6］:

（1）水流运动条件

（2）水流连续方程

（3）河床变形方程

（4）泥沙连续方程

（5）水流挟沙公式

式中，H 为水位；Q为流量；Jf为水能坡降；v为流速；A为过水面积；g为重力加速度；S为水中含沙量；γs为泥沙干重度；a为冲淤面积；K为系数；α为系数；m为指数；B为河宽；t为时间；S＊为水流挟沙力；ω为泥沙静水沉速；P为悬沙级配；CL为计算河段总长；X为断面等间距，一般来说L＝［］＝8.

将上述方程组进行如下简化假定:（1）将整个时段划分成若干小的计算时段，各时段内，除冲淤面积a外，其余因素不随时间变化，但在不同计算时段时，发生变化；（2）将整个河段划分成若干小的河段，在河段内可考虑流量不变，不同河段是可变的；（3）忽略微小量，不考虑流速变化影响，假定淤积泥沙在水库中均匀平铺，不考虑其他形式的分布.根据上述简化假定和计算方程，可按文献［6－7］表述方法进行计算.

根据上述步骤可以计算和预测任意时刻t处水库的总淤积量，并拟合淤积量与时间t的函数关系式.依据不同水库设定的有效库容和死库容，可以计算死库容淤满时发生的年限t＊（假定淤沙高程是死库容的上限高程），即令V＝V死，可以求出时刻t＊.也就是说:当V≤V死时，该水库不必花太多的费用进行清淤；当V＞V死时，多余的泥沙将占据有效库容，这势必会影响电站的发电效益.

2 水库泥沙淤积量与有效库容的关系

2.1 算例

已知某水库为多年调节水库，1961年开始蓄水发电，现有1976年至1999年共24年逐年来水量详细资料（见表1），大坝上游年平均入库流量为400 m3／s，大坝多年正常蓄水位为700m，死水位为676 m，总库容71.3亿m3，有效库容51.66亿m3，防洪库容20亿m3，死库容15亿m3，设计保证率95%.计算河段长97km，根据坝址处40多年的水沙资料分析，选择1961～1975年共15年的自然系列作为水沙系列典型年（因这一时期林地、森林破坏严重，水土流失相当严重），当计算年限超过15年后，水沙系列典型年循环使用，共计算50年.

表1 水库上游每年来水量及水量差积计算表

续表1 水库上游每年来水量及水量差积计算表

2.2 计算条件选择

水库所在河流多年平均含沙量为13kg／m3，悬移质多年平均输沙量1.6亿t，推移质多年平均输沙量为1020万t.采用非均匀沙计算，将全沙共分12组，分组粒径分别为0.01～2000mm.小于1.0mm按悬移质计算，大于1.0mm按推移质计算.库区糙率为0.0375～0.0475.经过大量的资料分析，并参考丹江口水库及其它类似水库的泥沙冲淤计算成果［8－9］，确定计算水流挟沙率系数K＝0.245，指数m＝0.92，恢复饱和系数冲刷时α＝1，淤积时α＝0.25.泥沙容重取为γ沙＝1.25t／m3.

2.3 计算结果

从表1可以看出:连续的枯水段有两个，第1枯水段为1980～1983年，第2枯水段为1992～1998年.计算中将库容单位先转换成秒立米月，水库泥沙淤积曲线与水库有效库容关系曲线如图1所示.

从图1计算的结果可以发现，有效库容在1983年之前保持不变，即V兴＝5×109m3，但在1983年之后，每年的有效库容因水库泥沙淤积而逐渐减少.

3 结 论

图1 水库有效库容随淤积量变化曲线

研究表明:水库的淤积现象逐年增加，淤积将会先占据死库容，在该阶段内若不好好应对，则淤积会逐渐侵占有效库容体积，减少水库调节库容体积，影响水库兴利调节和正常效益的发挥，需要认真对待.根据水库每年来水特性，第一枯水段内，泥沙淤积不会造成影响，因此调节流量不会改变，而泥沙却显著影响第二枯水段的调节流量.一旦枯水期调节流量改变，则整条河流的多年平均流量就会发生改变，在不考虑其它因素并满足正常工农业生产、灌溉、航运等的条件下，每年用于发电的绝对流量会减少，因为有效库容的体积日趋减少.

［1］朱春耀，薛金平，李春雨.汾河水库泥沙冲淤计算数学模型［J］.水利水电技术，1999，30（10）:34－36.

［2］吴虹娟，杨国录，余明辉.清江隔河岩水库泥沙计算分析［J］.人民长江，2000，31（8）:27－28.

［3］胡艳芬，吴卫民，陈振红.向家坝水电站泥沙淤积计算［J］.人民长江，2003，34（4）:36－38.

［4］万建蓉，张 杰，张细兵.南水北调中线工程丹江口水库泥沙冲淤计算［J］.长江科学院院报，2002，19（增刊）:40－43.

［5］李义天，尚全民.一维不恒定流泥沙数学模型研究［J］.泥沙研究，1998（1）:81－87.

［6］梁栖蓉，黄煜龄.三峡水库泥沙淤积预估［J］.长江科学院院报，1994，11（3）:1－7.

［7］董耀华，黄煜龄.天然河道长河段一维非恒定流数模研究［J］.长江科学院院报，1994，11（2）:10－17.

［8］章厚玉，胡家庆，郎理民，等.丹江口水库泥沙淤积特点与问题［J］.人民长江，2005，36（1）:21－30.

［9］王荣新，杨克诚.丹江口水库泥沙原型观测［J］.人民长江，1998，29（12）:18－20.