水库调度运行方式对水库泥沙淤积的影响

叶辉辉，高学平，贠振星，赵自越

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

水库调度运行方式对水库泥沙淤积的影响

叶辉辉，高学平，贠振星，赵自越

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

水库泥沙淤积相关问题的研究是大型水库建设非常重要且必要的研究课题。通过库区55 km范围的泥沙物理模型试验，研究2种泥沙调度运行方式下（方式1为前50 a汛期高水位运行，后50 a汛期低水位运行；方式2为100 a保持汛期低水位运行）水库泥沙淤积演变过程、库尾淤积、淤积量等情况。研究表明，不同运行方式下，汛期坝前水位对水库泥沙淤积的沿程发展、库尾淤积高程等影响较大。通过比较分析，水库运行前50 a，2种运行方式下泥沙淤积差别较大，运行方式2，汛期保持低水位运行更有利于水库排沙减淤；水库运行后50 a，2种运行方式相同。随着运行年限的增加，2种运行方式下泥沙淤积趋于相同。

水库调度运行方式；泥沙淤积形态；库尾淤积；淤积量；模型试验

2015，32（01）：1－5，10

1 研究背景

水库泥沙淤积不仅会造成水库自身的安全问题，严重影响水库发挥效益，缩短水库寿命，而且还会造成下游河床冲刷。因此，水库泥沙淤积相关问题的研究是大型水库建设非常重要且必要的研究课题。

水库减淤的方式有很多，通过水库泥沙调度，控制泥沙淤积部位与高程是目前控制泥沙淤积的主要手段。水库淤积形态与水库调度运行方式密切相关，不同运行方式下水库回水上延情况、淤积部位和库容损失等明显不同［1］。决定水库淤积形态的主要因素是淤积百分数的大小与坝前水位变幅［2］。20世纪60年代，林一山［3］初步论证了“水库长期使用”的问题；韩其为［4］通过对水库淤积发展过程、平衡时纵横剖面的形态及平衡后的冲淤特性等问题的研究，了解长期使用水库冲淤过程的内在规律；黄河上的一些大型水库如三门峡、青铜峡、三盛公等，通过改进水库的运行方式来控制水库泥沙。因此，现阶段，我国修建的水库都吸取了以往水库运用的经验教训，从水库的长期使用出发，综合防洪、发电、航运、泥沙淤积等各方面，采用蓄清排浑运用方式。

本文利用物理模型试验，针对2种水库调度运行方式，研究水库泥沙淤积部位、淤积高程、库尾淤积上延等情况。通过比较分析，研究水库调度运行方式对水库泥沙淤积的影响。

2 工程简介及运行方式

某水库正常蓄水位1 820.00 m，相应库容21.29亿m3，死水位1 770.00m，死库容8.69亿m3。天然情况下库区河床比降为4.04‰。图1给出了库区地形，图中标出各典型断面的位置。

图1 库区地形及典型断面位置Fig.1 Topography of reservoir area and locations of typical sections

该水库多年平均入库悬移质输沙量为2 993万t，多年平均入库推移质输沙量为385万t，库沙比（V/WS）为86.06，属于泥沙问题比较严重的水库。水库径流年内分配不均，6—8月份3个月水量占到年水量的68.47%；泥沙年内分配极度不均，汛期6—8月份3个月的悬移质沙量占全年的89.85%。汛期4—5月份场次洪水输沙量相对较少，一般在100万t以下；夏汛期6—8月份是场次洪水输沙量最大的季节，丰沙年场次洪水输沙量在1 000万t以上，最大年可达6 746万t；秋季9月份场次洪水输沙量较少。

悬移质泥沙主要由粉土和细沙组成，其中0.007～0.05 mm的粗粉土占51.3%，0.05～0.5 mm的中、细沙占48.4%，0.5～1 mm粗沙仅占0.3%，泥沙颗粒较细，为水流挟带泥沙及排沙创造了有利条件。悬移质泥沙干密度为1.30 t/m3。泥沙级配曲线见图2（a）。

推移质泥沙主要由粗沙、砾石和卵石组成，其中粗沙占4.0%，砾石占6.5%，卵石占72.2%，其干密度为2.24 t/m3。泥沙级配曲线见图2（b）。

该水库布设2条深孔排沙洞，1＃和2＃深孔排沙洞。1＃深孔排沙洞布置在右岸，进口布置在2条发电洞进口中间（发电洞进口底板高程为1 750 m），进口底板高程为1 715 m。2＃深孔排沙洞位于左岸中孔泄洪洞右侧，引渠段底板高程为1 715 m。枢纽布置如图3。

图2 原型悬移质泥沙和推移质泥沙级配曲线Fig.2 Grading curves of prototype suspended load and bed load

图3 枢纽布置Fig.3 General layout of the hydropower junction

兼顾水库兴利与排沙的矛盾，拟定2种水库调度运行方式。运行方式1：前50 a，汛期6—9月中旬保持汛限水位1 813 m，非汛期保持正常蓄水位1 820 m，后50 a，汛期6—7月份保持排沙水位1 770 m，非汛期保持正常蓄水位1 820 m；运行方式2：运行100 a，汛期6—7月份保持排沙水位1 770 m，非汛期保持正常蓄水位1 820 m。

3 模型设计与建立

3.1 模型比尺

根据模拟库区的范围和试验场地情况，通过不同比尺的比较，确定模型水平比尺λL，垂向比尺λH，变率为5。应当指出，当研究工程设施对河道泥沙运行和河床演变影响为主要对象时，模型变率宜为2～5，本文模型变率较大，会造成垂直方向的动力和动态的不相似，对试验结果有着一定的影响，但是从模型验证的结果以及前人的试验情况来看，试验结果还是能够反映水库泥沙淤积的实际情况的。

3.2 水流要素比尺

水流需满足重力和阻力相似，按照重力相似准则设计，则：

式中：λH为垂向比尺；λL为水平比尺；λQ为流量比尺；λP为原型流速；λm为模型流速。

3.3 悬移质泥沙设计

选用密度为ρ＝1.45×103kg/m3的电木粉做模型沙，则重度比尺，浮重度比尺。式中：γ为水的重度；γsp，γsm分别为原型沙、模型沙重度，下标s表示泥沙，下标p表示原型，下标m表示模型。

悬沙设计应满足沉降相似、扬动相似、挟沙能力相似和冲淤时间相似。沉降相似保证淤积部位相似，扬动相似保证泥沙悬浮相似，以沉降相似条件设计泥沙，以扬动相似条件校核；挟沙能力相似保证泥沙量的相似，用其条件控制模型进口加沙量；冲淤时间相似保证泥沙运动时间相似，用其条件控制模型试验时间［5］。

3.3.1 沉降相似

由窦国仁［6］悬沙输移方程得出沉降相似比尺为

为使泥沙级配沿垂线分布相似，要求模型沙和原型沙的级配相似，为此，需由原型沙级配求沉降速度ωP。建议采用如下沉降速度公式。

对于粒径≤0.062 mm的沙，选用斯托克斯沉速公式［7］推算泥沙颗粒的沉降速度，即

式中：ω为沉降速度（cm/s）；D为沉降粒径（mm）；ρs为泥沙密度（g/m3）；ρw为清水密度（g/cm3）；g为重力加速度（cm/s2）；ν为水的运动黏滞系数（cm2/s）。

对于粒径在0.062～2 mm范围内的沙，应采用沙玉清［7］的过渡区沉速公式推算泥沙颗粒的沉降速度，即

式中：Sa为沉速判数；φ为粒径判数。

根据沉降相似比尺、模型沙沉速与粒径关系，可求得泥沙级配，粒径比尺为＝ 0.722。模型沙级配曲线见图4。

图4 悬移质泥沙粒径级配曲线Fig.4 Grading curves of suspended load

3.3.2 扬动流速相似

扬动流速比尺应满足λVf＝λV。为此，需要分别计算原型沙与模型沙的扬动流速，求出扬动流速比尺，检验是否满足扬动流速相似准则。建议采用窦国仁［6］扬动流速计算公式，即

取式中较大值作为扬动流速。式中：H为水深；Δ为糙率，对于平整床面当D≤0.5 mm时，Δ＝0.5 mm，当D＞0.5 mm时，Δ＝D，D为粒径，不均匀沙采用D50；当泥沙颗粒处于将动未动的临界状态时，m＝0.265，当泥沙颗粒处于少量动的起动状态时，m＝0.320，当泥沙颗粒处于普遍动的起动状态时，m＝0.408；对于天然沙，εk＝2.56 cm3/s2；对于电木粉，当未露出水面固结时，基本无黏性，取εk＝0；δ为薄膜水厚度，取2.1×10－5cm。

3.3.3 挟沙能力相似

由窦国仁［6］悬移质挟沙能力公式得

式中：λS为含沙量比尺；λS*为挟沙能力比尺，即含沙量比尺等于挟沙能力比尺。

3.3.4 冲淤时间相似

冲淤时间比尺，由河床变形微分方程导出，即

式中λγ0为干重度比尺。具体模型沙各比尺见表1。

表1 模型悬沙比尺汇总Table 1 Scales ofmodel suspended load

3.4 推移质泥沙设计

同样选用电木粉做模型推移质沙。推移质泥沙较粗，因满足起动流速相似。

3.4.1 起动流速相似

起动流速比尺满足λVK＝λV。采用窦国仁［6］起动流速公式计算原型沙起动流速，根据水深与起动流速关系、起动流速与粒径关系、起动流速相似比尺，反复试算求出模型推移质沙级配，粒径比尺为λD＝15.47。模型沙级配曲线见图5。

图5 推移质泥沙粒径级配曲线Fig.5 Grading curves of bed load

3.4.2 输沙量相似［5］

根据王世夏建议的以密实体积计的单宽底沙输沙率公式（D＞0.24 mm），得输沙量比尺为

3.4.3 冲淤时间相似

根据河床变形方程式导出底沙冲淤时间比尺为

具体模型推移质各比尺见表2。

表2 模型推移质比尺汇总Table 2 Scales ofmodel bed load

3.5 模型建立

本模型模拟由坝址至坝上游55 km的库区范围。模型库区河道长度约110 m，模型占地长75 m、宽40 m，模型高3 m，见图6。模型上游设浑水池和清水池。模型下游设沉沙池。模型采用上游量水，采用电磁流量计和电动阀自动控制模拟流量历时过程。

图6 模型布置Fig.6 M odel layout

3.6 模型验证

首先，试验依据5，20，50 a一遇洪水流量下典型水文站实测的水位资料，进行模型糙率的验证。各典型水文站的实测值与试验值基本一致，例如，50 a一遇洪水下，断面31（距坝38 km）实测水位值为1 815.09 m，试验值为1 815.16 m。

其次，进行流态及最小水深的验证。用回水末端断面39和水沙系列概化后的最小流量300 m3/s计算，淤积前考虑回水区综合糙率为0.035，计算模型雷诺数为4 299，大于1 000。原型与模型的水流均位于水力平方区。此外，试验模型最小水深2.1 cm，大于1.5 cm，满足河工试验规程。

4 试验成果及分析

针对2种水库调度运行方式，分别进行模拟水库运行100 a的泥沙淤积试验。

4.1 淤积演变过程及淤积形态

图7给出了2种运行方式下水库泥沙淤积的纵剖面图。

从水库淤积纵剖面分析，在2种运行方式下，水库淤积均呈三角洲形态向坝前推进；淤积三角洲顶端的淤积高程与汛期坝前水位基本相同。水库运行前50 a，运行方式1与运行方式2泥沙淤积演变过程及淤积形态差别较大。水库运行第50年，运行方式1淤积三角洲顶端位于距坝16.0 km处，淤积高程约1 813 m；运行方式2淤积三角洲顶端距坝6.0 km处，淤积高程约1 770 m。水库运行后50 a，2种运行方式下，水库的调度运行方式相同，随着运行年限的增加，水库的淤积演变过程趋于相同，运行至第100年，三角洲顶端均推至坝前，淤积高程约1 770 m。以淤积三角洲推进至坝前的时间作为平衡标准，水库的初步淤积平衡年限均在水库运行90 a。

从水库典型断面淤积横剖面看，2种运行方式下，随着水库运行年限的增加，断面泥沙淤积逐渐抬高，但泥沙淤积抬高幅度逐渐减小，断面淤积趋于稳定。运行方式1，水库上游上段地形狭窄，水库运行后50 a，随着水库汛期变为低水位运行，大量泥沙沿着主槽被水流带至坝前死库容，形成明显的陡槽现象，如图8所示。

图7 2种运行方式下淤积纵剖面Fig.7 Longitudinal profile of sedimentation in the presence of two schedulingmodes

图8 典型断面CS27的淤积横剖面Fig.8 Transverse section of sedimentation at typical section CS27

4.2 库尾淤积情况

2种运行方式的库尾泥沙淤积状况有所不同。运行方式1前50 a，库尾断面淤积较为严重，后50 a，库尾基本无淤积；运行方式2运行100 a，库尾断面则基本无淤积。

运行方式1，前50 a，断面CS33（距坝里程41.9 km）最低淤积高程1 838.3 m；断面CS32（距坝里程40.7 km）最低淤积高程1 833.7 m；断面CS31（距坝里程39.7 km）最低淤积高程1 830.7 m。后50 a，随着水库汛期保持在排沙水位1 770 m运行，库尾大量的泥沙被带至坝前死库容，库尾断面淤积高程降低。水库运行第60 a，断面CS33（距坝41.9 km）最低淤积高程1 830.8 m；断面CS32（距坝40.7km）最低淤积高程1823.1m；断面CS31（距坝3 9.7km）最低淤积高程1819.5m。随着低水位运行年限的增加，库尾的泥沙淤积较少，水库运行第100年，断面CS33（距坝41.9 km）、断面CS32（距坝40.7 km）基本无淤积，断面CS31（距坝39.7 km）最低淤积高程则降低至1 820.2 m，仅在断面CS33和断面CS32处的拐弯处有较少的淤积，淤积厚度约3 m。运行方式2运行100 a，库尾断面基本无淤积，仅在断面CS33与断面CS31间的弯道处有部分少量的泥沙淤积，淤积厚度约2 m。

表3 2种运行方式的库容及淤积量Table 3 Reservoir capacity and sedimentation amount in the presence of two schedulingmodes 104m3

可见，汛期坝前水位对水库库尾泥沙淤积有着重要的影响。

4.3 库容及淤积量

表3给出了2种运行方式各特征水位下库容及淤积量的比较。水库运行50 a，运行方式1比运行方式2多淤3 233万m3，运行方式1库尾淤积较为严重，故淤积部位有所不同，正常蓄水位以下淤积量少2 308万m3，死水位以下淤积量少14 565万m3，调节库容淤积量多12 284万m3，说明运行方式2对减少调节库容淤积量的效果是显著的；随着水库运行年限的增加，运行方式1库尾泥沙被大量带至坝前死库容，水库运行100a，运行方式1比运行方式2多淤4 158万m3，正常蓄水位以下淤积量多4 158万m3，不同部位淤积差异明显减小，死水位以下淤积量少109万m3，调节库容淤积量多4 266万m3。

综上所述，水库运行100 a，2种运行方式下水库库容及淤积量相差不大，运行方式2淤积量较小，调节库容淤积量较小。相对于运行方式1，运行方式2运行100 a，汛期保持排沙水位1 770 m运行更有利于水库排沙减淤。

5 结论与建议

利用模拟坝前55 km的库区泥沙物理模型试验，分别依照2种水库运行方式模拟水库运行100 a，研究水库的泥沙淤积情况。

（1）比较2种运行方式下的水库泥沙淤积形态，汛期坝前水位直接影响水库泥沙淤积纵向分布，淤积三角洲顶端高程基本与汛期水位保持一致。运行方式2汛期保持低水位运行，有利于泥沙更多更快地向坝前推进，更好地起到排沙效果。随着水库运行年限的增加，库区各断面泥沙淤积逐渐抬高，但泥沙淤积抬高幅度逐渐减小，断面淤积趋于稳定。

（2）2种运行水位下，运行方式2汛期低水位运行，泥沙随着水流被带至坝前死库容，库尾泥沙基本无淤积。运行方式1汛期较高水位运行，库尾回水上延较为严重。

（3）水库运行前50 a，与运行方式1相比，运行方式2总淤积量较少，淤积部位有所不同，死库容淤积较多，但调节库容淤积较少，更有利于水库兴利。水库运行后50 a，水库调度方式一致，运行至100 a，2种运行方式死库容均基本淤死，各特征水位下淤积量相差不大。

（4）水库运行前50 a，2种运行方式泥沙淤积相差较大，运行方式2，汛期保持低水位运行，更有利于水库排沙减淤；水库运行后50 a，运行方式相同，随着运行年限的增加，2种运行方式下泥沙淤积趋于相同。

（5）综上所述，建议该水库依据运行方式2低水位运行，库尾基本无淤积，更有利于水库排沙减淤。

［1］韩其为，杨小庆.我国水库泥沙淤积研究综述［J］.中国水利水电科学研究院学报，2003，1（3）：169－177.（HAN Qi-wei，YANG Xiao-qing.A Review of the Research Work of Reservoir Sedimentation in China［J］.Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2003，1（3）：169－177.（in Chinese））

［2］韩其为.水库淤积［M］.北京：科学出版社，2003.（HAN Qi-wei.Reservoir Sedimentation［M］.Beijing：Science Press，2003.（in Chinese））

［3］林一山.水库长期使用问题［J］.人民长江，1978，（2）：1－8.（LIN Yi-shan.The Problem of Reservoir’s Longterm Use［J］.Yangtze River，1978，（2）：1－8.（in Chinese））

［4］韩其为.长期使用水库的平衡形态及淤积变形研究［J］.人民长江，1978，（2）：18－35.（HAN Qi-wei.Study on the Equilibrium Shape and Deformation of Reservoir Sedimentation［J］.Yangtze River，1978，（2）：18－35.（in Chinese））［5］高学平，洪柔嘉，赵耀南.全沙模型试验的一种设计方法［J］.水利学报，1996，（6）：57－62.（GAO Xue-ping，HONG Rou-jia，ZHAO Yao-nan.A Method Concerning the Design of Total Sediment Transport Model Test［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1996，（6）：57－62.（in Chinese））

［6］窦国仁.全沙模型相似律及设计实例［J］.水利水运科技情报，1997，（3）：1－20.（DOU Guo-ren.A Similarity Theory Concerning the Design of Total Sediment Transport Models with Reference to a Particular Project［J］.Water Transportation Science and Technology Information，1997，（3）：1－20.（in Chinese））

［7］沙玉清.泥沙运动学引论［M］.北京：中国工业出版社，1965.（SHA Yu-qing.Introduction of Silt Kinematics［M］.Beijing：China Industry Press，1965.（in Chinese） ）

（编辑：姜小兰）

Impact of Reservoir Scheduling M ode on Sedimentation

YE Hui-hui，GAO Xue-ping，YUN Zhen-xing，ZHAO Zi-yue
（State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

We established physicalmodel of sedimentation in 55km range in the reservoir area to study the sediment characteristics including sedimentation evolution and sedimentation amount.Two different scheduling modes of a reservoir was taken as case study.Research suggests that the controlwater level in flood period is very pivotal to the vertical distribution of reservoir sedimentation and the sedimentation at the reservoir tail.In the first50 years of operation，the difference of sedimentation between the two schedulingmodes is quite large：for the second mode，low water level in flood season ismore conducive to sediment sluicing and deposition reduction.After50 years of operation，the sedimentation in the two schedulingmodes tends to be similar.

reservoir scheduling；sedimentationmorphology；sedimentation at reservoir tail；amount of sedimentation；model test

TV145

A

1001－5485（2015）01－0001－05

10.3969/j.issn.1001－5485.2015.01.001

2013－09－11；

2013－11－01

叶辉辉（1989－），男，浙江台州人，硕士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面的研究，（电话）18401557079（电子信箱）tjuyhh＠163.com。