泾河干流河道泥沙淤积对修建蓄水工程的影响分析

燕 荔

（陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 710001）

1 问题的提出

西咸新区是首个以创新城市发展为主题的国家级新区，是西安国际化大都市建设的重要城市功能新区，泾河新城为西咸新区“一区五城”之一，也是西安国际化大都市统筹城乡发展示范区和循环经济园区。

泾河干流泾河新城段属平原性河道，该段一是属于河道宽浅，滩槽分明，主流游荡多变，河道凹岸受冲刷影响崩退现象明显，二是由于位于泾河下游，泥沙含量大，颗粒细，淤积严重，是“泾渭分明”景象的写照。为确保泾河新城防洪安全，提升城市形象，营造良好的城市风貌，改善人居环境以及泾河新城河道段生态环境，促进沿岸经济社会及资源，环境协调发展，拟在该段修建蓄水工程。因此有必要对泾河干流、泾河新城段河道泥沙淤积进行研究，以利于分析河道主槽段修建蓄水工程是否可行，提出相对合理的水沙调度运行方式，为政府决策部门提供有益的技术支撑。

2 蓄水工程布置

为了改善泾河新城河道内生态环境及两岸人居环境，在该段泾河主槽上拟修建两座蓄水工程，利用主槽及部分滩地形成两级连续的蓄水梯级景观水面。根据河道的地形条件及工程特性，1#拦河建筑物布置为升卧式水闸，共18孔，单孔宽度18m，总宽度381m，闸门挡水高6m；2#拦河建筑物布置为闸坝结合，主槽采用升卧式水闸，闸门挡水高6m，共7孔，单孔宽度18m，总宽度150m，左侧滩地采用橡胶坝，坝高3m，坝长 350.5m。1#蓄水区蓄水位374.93m，蓄水长度5.79km；2#蓄水区蓄水位368.83m，蓄水长度4.26km，蓄水总长度约10.05km，蓄水水面宽200m～900m，蓄水总面积为387.60万m2。

蓄水工程利用两岸滩地形成两岸滨河生态公园，左岸滨河生态公园951.36亩，子堤工程长4.03km；右岸滨河生态公园1138.57亩，子堤工程长4.73km。

图1 工程断面入库水量情况

图2 工程断面入库沙量情况

图3 思路方式框架图

3 泥沙冲淤计算技术路线

3.1 基础资料分析

泾河上有张家山水文站的实测水沙资料，计算到工程断面处1956年～2009年共54年的多年平均径流量为16.25亿m3，多年平均输沙量为17209万t。工程断面长系列径流量情况见图1，沙量情况见图2。

该系列包含了丰、平、枯水沙系列段，但系列过程年际分配不均匀，水沙枯丰交替变化，而两个闸坝群库容较小，该系列不适用于泾河泥沙淤积计算。应选取适合工程特点的水沙代表段，进行泾河两个梯级闸坝的泥沙冲淤计算。

3.2 选用水沙系列

选用的水沙系列应反映丰、平、枯水年的水沙特点，并应尽量具有自然连续性并有较完整的资料，汛期、枯水期水沙量及年内分配比例与坝址处长系列基本一致。

根据上述原则选用1974年～1995年共22年的水沙代表系列，作为计算两个梯级闸坝泥沙冲淤计算的基本资料。

3.3 研究河道及控制水位

水沙基本资料为1974年～1995年，计算时段为天，2#闸坝工程上游进口水沙资料为1#闸坝工程出库的水沙过程。

计算范围为坝址1#、2#闸坝工程约16.09km河段，划分30个断面。上游边界为工程起点D10断面，下游边界为2#闸坝坝址断面D39。下游控制水位为1#闸坝工程为374.93m、2#闸坝工程为368.83m。

3.4 技术路线

3.4.1 思路方式

泾河泥沙主要集中在汛期，非汛期沙量相对较少，但蓄水工程需要较多的蓄水天数，而工程的库容又较小，因此，汛期敞泄，以保持有效的库容，但同时蓄水天数就减少，故还应以流量和沙量作为限制条件，运用汛期和非汛期联合水沙调度的基本思路进行计算。

根据河流的水沙条件，结合工程特点，确定实现汛期与非汛期水沙调度的方式见框图3。

3.4.2 实现手段

泾河是渭河北岸最大的一条支流，亦是我省关中地区三大河流之一，属于多沙河流，多年平均来沙量1.72亿t，对于这种多沙河流上的河道，一维水沙数学模型[1]具有计算速度快，范围广等优点，该模型基本方程由水流、泥沙等四大方程组成，用这几个方程式联立求解能反映水沙作用的复杂性，模型基本方程如下：

水流连续方程

水流动量方程

泥沙连续方程

河床变形方程

式中：Q为断面流量，S为断面平均含沙量，U为断面平均流速，B为断面水面宽度，Z为断面水位，S*为断面平均挟沙力，g为重力加速度，αe为动量修正系数，α为泥沙非平衡恢复饱和系数，ω为泥沙颗粒沉速，γ'为泥沙干容重，d为泥沙粒径，A0泥沙冲淤面积，K流量模数，qL单位流程上的侧向输沙率，qs单位流程上的侧向流量，t为时间步长，x为空间步长[2]。

将来水、来沙过程划分为若干时段，使每—时段的水流接近于恒定流。同时，将河道划分为若干河段，使每一河段内的水流接近于均匀流，然后按恒定均匀流进行求解。

根据《水电水利工程泥沙设计规范（DL/T 5089-1999），采用泥沙数学模型进行冲淤计算时对数学模型及参数应使用本河流或相似河流的实测冲淤资料进行验证，缺乏实测冲淤资料时可利用设计工程所在河段天然河道冲淤资料进行检验。用长系列1974年～1995年共22年的实测日平均流量过程、输沙率过程和悬移质级配过程对数学模型中的参数进行了率定和验证。建立了适用于泾河梯级闸坝的一维恒定不平衡输沙数学模型，用以分析与研究该梯级闸坝的泥沙淤积运行方式。

表1 泾河1#闸坝不同水沙调度运行结果表

4 不同水沙调度运行方式及结果分析

根据上述泥沙淤积计算的技术路线，主要进行了以下比选工作。以1#闸坝工程为例：

4.1 敞泄时间比选

6月～9月来沙量占全年的95.24%，月～9月来沙量占全年的85.76%，分别计算汛期6月～9月和7月～9月敞泄排沙时的河道冲淤及水面线抬高情况。经分析后，推荐汛期6月～9月敞泄排沙方案（方案Ⅰ）。

4.2 排沙流量比选

在汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月，保持水位374.93m不变情况下，进行了入库流量大于Q排=95m3/s，Q排=280m3/s，Q排=430m3/s，Q排=814m3/s等排沙流量方案的比选，当计算时段流量大于设置排沙流量时，敞泄排沙。分析比较以上各种方案，推荐Q排=95m3/s（方案Ⅱ）。

4.3 排沙沙限比选

汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月在正常蓄水位不变情况下，Q排=95m3/s；进行了不设排沙沙限、沙限为QS排=3.35kg/m3，Q排=5kg/m3等方案的比选，当计算时段含沙量大于设置排沙沙限时，敞泄排沙。分析比较以上各种方案，推荐QS排=3.35kg/m3（方案Ⅲ）。不同水沙调度运行方式结果见表1。

5 推荐的水沙调度方式

通过不同调度方式的比选，方案Ⅱ比方案Ⅰ排沙比大，剩余库容相对较大，方案Ⅱ比方案Ⅰ较优；而方案Ⅱ和方案Ⅲ，两者在排沙比和累计淤积量方面的对比，结果差异不是很大，但工程蓄水天数方案Ⅱ比方案Ⅲ多，方案Ⅱ优于方案Ⅲ。

综上所述：推荐闸坝工程的水沙调度运行方式为：汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月保持水位374.93m不变情况下，入库流量大于95m3/s时，敞泄排沙。

根据推荐的水沙调度方式的泥沙淤积计算结果，结合10年淤积床面，计算蓄水工程百年一遇洪水回水水面线比建堤防水面线增高了0.03m～1.41m。淤积10年水面线水位相对较高，投资增大。为降低水面线、减少投资，建议采用清淤措施降低水面线以减少投资。

6 结论

通过泾河梯级闸坝水沙调度运行方式的研究，可以得出：

本工程成败的关键是蓄水区泥沙淤积及排沙问题，为此，通过不同水沙调度运行方式的研究，提出适合工程特点的调度方式，为工程优化设计方案，完善工程的运行管理提供相对合理的技术支撑。

在类似于泾河这种多泥沙河流上修建蓄水工程，由于所建工程库容较小，泥沙淤积可减少闸坝工程的寿命，通过建立水沙调度模型，进行多方案优化比选，提出相对合理的泥沙调度运行方式，以便最大限度的减少闸坝蓄水工程泥沙淤积量，并提高蓄水水面天数，提出防淤减淤措施以利工程优化设计。陕西水利

[1]韩其为,何明民.水库淤积与河道演变的一维数学模型[J].泥沙研究,1987,（3）,9～15.

[2]夏双喜.多沙河流水库一维水沙数学模型研究及应用.西安:西安理工大学硕士学位论文，2008年3月