沙量平衡法与断面法对比分析水库冲淤变化

叶建新

(辽宁省闹德海水库管理局，辽宁阜新 123000)

闹德海水库是辽宁省柳河上的一座重要控制工程，是一座防洪滞沙、农田灌溉、工业供水等综合利用的大(Ⅱ)型水库，是阜新市重要的水源地之一。1942年闹德海水库修建后，大坝壅水作用强烈，但有利的库区地形和全年敞泄的运用方式，使得库区具有大水年淤积、中小水年冲刷的规律。虽经历了几场大洪水淤积，仍能长期保持77%左右库容。但随着闹德海水库调度运用方式的改变，库区内的冲淤情况也发生了重大的变化。

冲淤量计算主要有两种方法，一是根据不同时期地形测量资料计算库区的冲淤变化。二是根据进出库水文测验资料通过沙量平衡法计算。通过两种方法计算结果对比分析库区的冲淤变化以及两种方法在闹德海水库的适用情况，为闹德海水库的合理调度、柳河流域水土流失治理以及生态建设、防洪规划、水资源管理等提供可靠的科学资料。

1 流域及工程概况

闹德海水库是辽河支流柳河干流上唯一已建的大型控制性工程。控制流域面积4051km2。水库上游分南、北两支，南支为扣河子，发源于内蒙古奈曼旗境内，流经内蒙古库伦旗、辽宁省阜新市阜蒙县;北支为养畜牧河，发源于库伦旗境内，流经后旗至乌兰火烧与扣河子河汇流后称柳河。整个流域大致可划分为5个区，既石质低山丘陵区、黄土丘陵沟壑区、沙化曼岗区、沙坨甸区及沿河平原区。流域内地形复杂多变，洪水暴涨暴落。植被覆盖率仅为20% ～30%，柳河泥沙含量较大，年平均输沙量达1047万t。

水库主体工程为直线式混凝土重力坝，主要由挡水坝段、溢流坝段、排沙中孔、底孔和引水隧洞等建筑物组成。大坝总长167m，坝顶高程194m，坝顶宽5m，最大坝高44.5m。中间为开敞式溢流坝段，坝顶高程181.5m，最大坝高32m，总长75m，溢流坝段设有6个溢流墩，溢流净宽53m。坝体151m高程处设有5个排沙底孔，断面尺寸1.7m×2.35m，孔长34.2m。163m高程处设有2个泄洪中孔，断面尺寸1.7m×1.85m，长22m。各孔均设有工作闸门及检修闸门(平板钢闸门)。大坝上游右岸距坝头50m处设有直径3m的灌溉引水隧洞(1976年为发展彰武县当地农田灌溉而开凿)，进口高程164.5m，洞长450m，设计最大引水流量30m3/s。水库调节性能为不完全年调节。

2 水库运用方式

水库的调度运用方式可以分为4个阶段。

第一阶段:1942年～1970年11月为“滞洪排沙”运用阶段，底孔、中孔均不设闸门，全年敞泄，仅在遭遇大洪水时滞洪壅水。

第二阶段:1970年11月～1995年7月，由于1970年工程改建时底孔和中孔都安装了闸门，为了兴利，采用“冬蓄春放，汛期敞排”运用方式。该阶段，每年春天5月份开闸向辽河下游供水5000～7000万m3，汛期敞泄，10月初落闸蓄水。

第三阶段:1995年7月～2000年，在“冬蓄春放”基础上再延长蓄水期，即“6、9月份蓄水”阶段。因1991年～1994年水库工程又加固改建一次，提高了防洪标准，同时改造闸门启闭设备。为了保证向阜新市每日供水10万t(引水工程和水库改建同时开工)，汛期的6、9月份采取174m蓄水运用，7、8月份开闸敞泄洪水。

第四阶段:2001年以后在来水来沙偏枯的前提下，为了充分利用水资源，7、8月份也蓄水，达到全年蓄水。其中2008年3月11日～8月22日之间由于水库大坝加固，闸门拆除，水库自然敞泄。

3 对比分析水库冲淤变化

3.1 沙量平衡法

运用沙量平衡法计算库区冲淤量ΔWS，计算方法如下:

ΔWS=WS入+WS末－ WS出

式中:WS入为入库水文站的输沙量，WS出为出库站的输沙量，WS末为入库水文站到大坝间未控区来沙量。沙量平衡法历年库区冲淤变化过程详见图1。

闹德海水库以石门子、三家子、白庙子水文站为入库控制站，3站到大坝之间未控区来沙量按面积加权法，即未控区流域面积占石门子、三家子、白庙子控制流域面积的13.44%，未控区来沙量也按3站来沙量的13.44%计算，根据进出库沙量平衡求得库区冲淤量，1970年控制运用以来历年(冲淤量采用运用年，即上年度10月1日到本年度9月30日)库区冲淤变化过程。可见，1970～2000年除个别年份外多为冲刷过程，累计冲刷量达2855万t，2001～2007年发生累积淤积，淤积量为758万t，2008年发生冲刷，2009年又有回淤，但量值均比较小。从年内分配来看，1970～2000年汛期(6～9月)冲刷量为4309万t，年平均冲刷139万t，大于全年平均冲刷量(92万t)，说明闹德海库区具有非汛期淤积、汛期冲刷的特点。2001～2009年汛期变化和全年变化一致，多表现为淤积，其中汛期淤积量614.8万t，占全年淤积量725.1万t的84.8%。

图1 历年库区冲淤变化过程(沙量平衡法)

3.2 断面法

根据1974年以来库区断面资料计算结果，从1974年10月～2009年10月累计冲刷量为703.22万m3，其中1974年10月～2000年10月累计冲刷量为1054万m3，到1998年10月达最大值1179.4万m3;2000年10月到2009年10月为累计淤积过程，淤积量为350.6万m3。历年变化过程见图2。根据2000年以前汛前和汛后断面资料分析，1975～2000年汛期冲刷量为1557.7万m3，年平均为59.9万m3，大于相应的全年平均冲刷量40.5万m3，说明该时段库区具有汛期冲刷、非汛期淤积的特点。

3.3 沙量平衡法与断面法成果对比分析

图3为闹德海水库断面法和沙量平衡法计算的历年冲淤量结果对比图。由图可以看出，对于冲淤量较大的情况，绝大多数年份两种方法的计算结果定性一致，有的年份冲淤量值非常接近，有的量值差异较大;冲淤量值较小的情况，两种方法的计算结果定性存在差异的年份较多，如1987、1996、2002、2007年沙量平衡法为淤积、而断面法为冲刷，1991和1993年则沙量平衡法为冲刷、断面法为淤积，其他年份两种方法计算冲淤性质一致。

图2 断面法历年库区冲淤变化过程

图3 闹德海库区历年冲淤量对比

图4为断面法和沙量平衡法计算的累计冲淤量结果对比，可以看出，两种方法计算结果总体变化趋势一致，从1974年10月～1998年10月总体上表现为持续性冲刷;从1998年10月～2009年10月总体上表现为持续性淤积。两种计算方法结果都表明，在1983年10月～1985年10月～1986年10月，有明显的大淤大冲现象，在1993年～1994年运用年，均呈明显的冲刷过程。从1974年10月～2009年10月累计冲刷量看，断面法和沙量平衡法计算结果分别为984.5万t和1301.1万t，冲刷总量比较接近。从不同时段统计结果看，1974年10月～2000年10月，无论是运用年还是汛期和非汛期，两种方法计算结果冲淤特征完全一致，只是总量上存在差异，无论冲刷量或淤积量，沙量法均大于断面法;2000年10月～2009年10月两种方法计算结果均为淤积，但断面法淤积量小。

表1 不同方法计算累计冲(－)淤量对比 单位:万t

不同方法计算累计冲淤量对比见表1，对比水库运用和入库沙量，个别年份断面法和输沙率法计算结果差异较大。如，2002和2007年水库并没有敞泄运用，库区不会发生冲刷，但断面法计算结果为冲刷，2007年冲刷量还非常之大;1993年入库沙量为304.9万t，断面法却淤积泥沙289.9万m3(合405.9万t)，1999年入库沙量仅75.3万t，断面法库区淤积322.3万m3(合451.2万t)，2009年入库沙量仅24.8万t，断面法库区淤积182.4万m3(合255.4万t)。

图4 闹德海库区历年累计冲淤量变化

4 结论

经过对比分析可以得出，不同的运用方式对水库的冲淤变化有着很大的影响，1970～2000年间水库多为非汛期淤积，汛期冲刷的特点，除各别年份外多为冲刷的过程。而2000年以后调度运用方式的改变，除2008年属于冲刷过程外其他年份两种方法的计算结果均为淤积状态。

经过对两种方法冲淤量计算结果对比，沙量平衡法和断面法本身均可能存在一定误差。

(1)对于沙量平衡法:①测验方法本身会存在系统偏差;②进入库区悬沙较粗，中值粒径在0.05mm左右，以推移质形式输移的比例会较大，影响输沙量计算;③未控区来沙的计算，本文均采用按未控区面积比例计算，实际上由于各年的降雨分布、降雨强度等不同，产沙模数存在差异，对计算结果产生影响。

(2)对于断面法:①断面布置的稀疏和测点的多少直接影响测验精度;②当淤积量较小时断面测验的相对误差会偏大;③库区低水位时的塌岸现象也是造成断面法和输沙率法淤积量差异的原因之一。从冲淤量计算成果看，除个别年份差异较大外，多数年份在冲淤总量、汛期和非汛期冲淤量分配等方面，断面法与沙量平衡法也基本接近，两种方法各有其优势。因此，在计算分析年内的汛期、非汛期、洪水期等冲淤变化时采用沙量平衡法，在分析库区冲淤的沿程变化时以断面法为主。

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