近坝支流入汇对锦凌水库泥沙淤积的影响研究

计鸿博

(桓仁县水务局，辽宁 桓仁 117200)

近坝支流入汇对锦凌水库泥沙淤积的影响研究

计鸿博

(桓仁县水务局，辽宁 桓仁 117200)

泥沙淤积对水利枢纽工程的正常运行和功能发挥有显著影响。文章利用泥沙运动规律构建出二维泥沙数学模型，对小凌河干流上的锦凌水库泥沙淤积问题进行了研究，探索了近坝支流小汤河入汇河段库区的泥沙淤积规律，结论对发挥锦凌水库的功能具有重要意义。

锦凌水库；近坝支流；泥沙淤积

1 锦凌水库的基本情况

1.1 工程概况

锦凌水库位于辽宁省西部重要河流小凌河的干流上，坝址位于锦州市近郊区的后山河营子村，下游距离锦州市区约9 km[1]。锦凌水库是小凌河干流上规划中的唯一一座控制性水利枢纽工程，水库正常蓄水位60 m，总库容约8.5亿m3。工程建成后可大幅度提升沈山铁路桥的防洪标准，抵御洪水的能力将由原来的50 a一遇提高到百年一遇。下游锦州市防洪标准可由原来的50 a遇提高到200 a一遇。同时，水库还可以对小凌河的季节性径流进行有效调节，每年可向下游的锦州市供水0.98亿m3，以替代地下水源，使锦州市的地下水恢复采补平衡。

1.2 水文泥沙情况

锦凌水库是以防洪和供水为主要任务的大型综合水利工程，控制流域面积3029 km2，占小凌河流域面积的58.8%[2]。小凌河流域属于典型的中温带大陆性季风气候，多年平均降雨量为556 mm，年内分配极不均匀，主要降雨集中于夏季的7、8月份，占全年降水量的一半左右。受降雨季节变化的影响，小凌河径流的年内分布极不均匀，其中7-9月的径流占全年的76.5%，而1-2月的径流量仅占全年的3%左右。小凌河处于水土流失严重的辽西地区，因此，河流的输沙情况比较严重，多年平均输沙量约222.46万t。受汛期暴雨影响，小凌河6-9月的输沙量占全年的98.8%，与径流的年内变化基本一致[3]。

2 二维泥沙数学模型的构建与验证

2.1 基本方程

二维泥沙数学模型主要包括两大模块：一是水动力模块，主要由水流连续方程以及动量方程组成；二是泥沙输送模块，主要由泥沙连续方程以及河床变形方程组成[4]。组成二维泥沙数学模型的各基本方程的数学表达式如下。

(1)水流连续方程：

(1)

(2)动量方程：

fq-fwWWx=0

(2)

fq-fwWWy=0

(3)

(3)泥沙连续方程：

(4)

(4)河床变形方程：

(5)

2.2 边界条件

数学模型的初始条件为当t为0时的水流平均流速、水深以及平均含沙量。具体而言，初始条件可以分为以下三种情况：一是t为0时的水流平均流速、水深以及平均含沙量设为某一定值；二是在所有的模拟区域范围内的不同特征区域设定不同的水流平均流速、水深以及平均含沙量；三是将事先计算获得的固定结果导入为初始条件，进行“热启动”[5]。在本次研究中的初始条件采用第一种方式。

2.3 计算区域和网格划分

本次研究的计算区域包括小凌河及其支流小汤河交汇处上下游的部分区域，具体可分为两部分。一是小汤河河口到该河上游的XTH34断面部分，其中XTH34断面下游距离水库大坝6.1 km，距离小汤河河口约2.5 km；二是小凌河干流的模拟范围，起自小汤河河口上游1.5 km处，终自水库大坝上游的TH27断面，长约3.5 km的河段，模型的总长为6.9 km。模型中的地形采用的是2013年实测工程河段的地形图。研究中利用Delaunay计算法对模型区域进行网格划分，共得到9878个节点，14 654个网格。

2.4 模型验证

目前，锦凌水库尚处于后期建设之中，库区泥沙淤积的实测资料十分匮乏，不足以对构建的数学模型进行验证。因此，本次研究中首先利用上述模型计算了库区在不同水文年后的淤积情况，也就是按照小凌河和小汤河在丰水年、中水年和枯水年三种系列年概化资料进行淤积计算，并与水库建设勘察设计阶段形成的引水防沙模型试验研究报告中的结果进行对比[8]。计算结果显示，利用上述数学模型计算的不同水文年后库区的泥沙淤积量与试验报告的结果基本一致。因此，本数学模型可以达到模拟精度的实际要求，可以用于锦凌水库库区泥沙淤积计算。

3 结果分析

3.1 库区的淤积量的计算

为了对锦凌水库库区的运行过程中的泥沙淤积情况进行分析，研究过程中利用上节的数学模型对锦凌水库的泥沙淤积量进行了分析计算，计算以3 a、5 a、10 a、15 a以及20 a为时间节点进行，结果如表1所示。由表格中的数据可以看出，小凌河的泥沙淤积量由3 a末的48.46万t增加到20 a末的75.87万t；小汤河的泥沙淤积量由3 a末的13.57万t增加到20 a末的16.54万t；整个计算区域之内泥沙沉积量随着水库运行时间的增加而不断增大，呈现出累积增长的态势，但是增长速率随水库运行时间的增加而显著降低，甚至小汤河区域在15～20 a计算时段内的淤积量还略有下降。

3.2 库区的淤积速率

为了进一步研究锦凌水库运行后库区泥沙淤积的变化规律，在上节计算结果的基础上，进一步计算出不同河段、不同计算年份的泥沙淤积速率，计算结果如表2所示。从计算结果可以看出，小凌河河段的淤积速率由前三年的4.62万t减小到15～20 a的0.23万t；小汤河前三年的淤积速率为1.81万t，15～20 a时段为-0.12万t；计算区域总体淤积速率也由6.42万t减小到0.11万t。由此可见，在水库的运行之初，计算河段每年的泥沙淤积量相对较大，但是随着水库的持续运行，淤积速率也不断衰减，在锦凌水库运行20 a之后，库区淤积就会变得相对轻微，基本达到一个平衡状态，此时的总淤积量为27.85万t，不会对水库的安全运行和兴利功能发挥产生较大影响。

表1 锦凌水库库区泥沙淤积情况计算结果

表2 库区淤积速率计算结果

4 结 语

文章对辽西地区重要河流小凌河干流上的新建水库——锦凌水库的工程概况与水文泥沙条件进行了简要分析，根据库区实测地形和开水来沙资料，构建了锦凌水库泥沙淤积二维数学模型。利用模型对锦凌水库不同运行年限下的泥沙淤积情况进行计算，结果显示库区泥沙呈累积性淤积形态，但是随着运行时间的增长，淤积速率会不断减小，在锦凌水库运行20 a之后，计算区域的泥沙淤积将达到一个新的平衡，不会对水库的安全运行和兴利功能发挥产生较大影响。

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[2] 金鑫.模糊评价在锦凌水库工程质量控制中的应用[J].水利建设与管理,2015(4):74-79.

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计鸿博(1981-)，女，辽宁建平人，工程师，主要从事水利工程设计与管理工作。E-mail:CZ100A@163.com。

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