河道型水库库区淤积形态数值模拟研究

张 钰，张 晨

（1.天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204；2.天津大学 建筑工程学院，天津 300350）

水库作为地表重要的淡水资源储蓄库， 在调节径流、 改善水资源时空分布不均等方面发挥着不可替代的作用［1］。 但由于库内流速小，打破了原始河流泥沙淤积平衡，会产生库内泥沙淤积现象［2］。 在水库上游河道，淤积导致回水上延，回水上游地区淹没和浸没以致盐碱化；在库区，水库淤积减少有效库容，影响水库调节性能； 淤积情况下的水库下泄清水也会冲刷下游河道使其变形［3］，故开展水库泥沙淤积分析具有重要作用。 水库泥沙淤积可分为纵剖面形态和横断面形态［4］。 国内外主要包括物理模型与数学模型两大类泥沙淤积研究手段。在物理模型方面，一些学者［5，6］通过室内水工模型试验研究了水动力学下河床水沙特征，为实际工程提供重要参考；在数学模型方面，人们通过水质模型MIKE在研究河流中水沙状态，为水质评估提供理论参考［7］。 目前数学模型已成为研究水库泥沙淤积的重要且有效的途径。本研究利用MIKE21软件建立阿尔塔什水库输沙模型，针对不同运行工况下水库调度运行方式，对阿尔塔什水库泥沙淤积情况进行数值模拟。 目的得到不同运行工况和年份下纵、横断面泥沙淤积形态，水库泥沙淤积量及库容变化、排沙比等情况，为水库今后的建设和运行提供参考依据。

1 工程及数据概况

1.1 研究区域

阿尔塔什水库坐落在叶尔羌河干流上， 坝址位于叶尔羌河喀群水文站上游约55km处， 控制流域面积46446km2，是叶尔羌河流域规划的重点工程。 水库正常蓄水位1820m，相应库容21.29亿m3，死水位1770m，死库容8.69亿m3。 多年平均入库悬移质输沙量为2302万m3， 多年平均入库推移质输沙量172万m3，输沙比（V/WS）86.06，小于壅水建筑物结构设计基准期100年。 坝址、喀群站位置和本研究模拟分析的CS3-CS11断面如图1。

图1 叶尔羌河及坝址研究断面示意图

1.2 数据概况与处理

已知阿尔塔什水库地形图（1∶1万）；阿尔塔什水库典型断面资料； 阿尔塔什水库水沙系列资料（1958—2007年）； 喀群水文站月平均悬移质泥沙颗粒级配 （1975年）； 实测库区河床质泥沙颗粒级配（2008年）。

本次计算以喀群水文站资料为设计依据， 计算成果直接移用至水库坝址处。 计算过程中采用年径流量与年输沙量建立的相关关系，经插补延长后，系列长度满足规范要求。 喀群水文站距坝址约55km左右，两断面间控制流域面积出入不大，约占7%。

1.3 运行工况及运行方式

兼顾水库兴利与排沙矛盾， 拟定水库调度运行方式为：1958—2007年，汛期6—9月中旬保持汛限水位1813m，非汛期保持正常蓄水位1820m。

2 MIKE21水沙数值模型的建立与验证

软件中的网格生成器可对库区进行网格剖分，直接生成地形文件［8］。 模拟河段选取如图1的9 个断面，最终生成网格859个，节点504个。 由于缺少阿尔塔什水库的典型年水位变化情况和库区每年的流速资料，选择通过水位来判定模拟结果是否正确。 如图2，模拟的1958—2007年阿尔塔什水库整体库区水位与设定的运行工况水位基本相同， 无较大波动与断流的情况发生，只有小幅波动，在误差范围之内，所以可作为有效数据使用。

图2 1958—2007年阿尔塔什水库库区水位变化情况

3 水库泥沙淤积分析

3.1 水库在不同年份断面淤积情况分析

3.1.1 水库纵断面淤积情况分析

从输出结果来看，前30年，库区CS3～CS11断面的区域内泥沙淤积较少， 河底深泓线基本保持原高程。 这是因为水库运行初期，泥沙总量较少。 但从淤积总体形态上看，由于下游地区高程低，坝后淤积深度与上游相比较大。总体上说，在此运行方式下前50年研究河段的河床泥沙淤积情况并不严重， 坝后河床最终淤积高程为1673m，尚未达到排沙洞的底板高程1715m，所以在此阶段，每年可不排沙仅保持泄水即可。 河床深泓线上淤积情况如图3。

图3 河床深泓线泥沙淤积情况

3.1.2 水库横断面淤积情况分析

由于前30年河床变化较小， 所以选取后20年的断面变化情况进行制图分析， 过程中将泄水洞与排沙洞简化为一个过水隧洞。 模拟结果表明，9个断面中，CS3断面泥沙淤积现象最为明显， 但也未达到排沙洞的底板高程1715m。 由于CS3断面河底左侧的高程较高，且上方为泄水洞，所以水流速在经过泄水洞时形成水流的突缩现象， 靠近泄水口处部分出现冲刷漏斗。 CS3断面右岸由于地势较低，出现泥沙淤积现象。CS4到CS11断面变化情况基本相同。 由于距坝址处距离较远，没有出现流速突然增大的状况，所以没有出现明显的冲蚀现象， 且随着运行时间的增加淤积现象越来越明显。

图4 水库运行40年和50年所输出的CS3～CS11断面冲淤情况和断面变化情况

3.2 水库淤积量及库容变化分析

以10年为一个界限， 对每10年输出的泥沙淤积量进行统计。 运行结果表示，随着运行年份的增加，库区淤积量也相应增加，相应的库容则逐年递减。水库运行10年时，淤积量为12.65万m3，相应的正常蓄水位下对应的库容为21.29亿m3， 此时近坝段由于上游三角洲尚未推进到近坝段泥沙淤积问题并不严重。水库运行20～50年时，淤积量分别为62.71万， 254.17万，617.85万，1410.88万m3。 总体来说，随着运行年份的增加，泥沙淤积量越来越大，其淤积量的增量也逐年递增，但淤积量增长幅度却逐年降低，最终会趋于稳定。图5为不同运行年限下的库容-水位变化曲线。

图5 不同运行年限下的库容-水位变化曲线

3.3 水库泄水口及排沙口处含沙量分析

模型模拟结果显示， 泄水口处的含沙量随时间变化有逐年加重趋势。具体情况为，在水库运行0～10年期间， 泄水口及其排沙口的含沙量平均值为0.063kg/m3；10～20年期间，含沙量平均值0.116kg/m3；20～30年期间， 含沙量平均值0.179kg/m3；30～40年期间，含沙量平均值为0.262kg/m3；40～50年期间，含沙量平均值为0.325kg/m3。 由于本研究只是研究坝后的近坝段， 且在运行50年中库区泥沙淤积与总体相比不是十分明显，所以其含沙量并不太大，根据先前研究［9］，属合理范围。

4 结语

本文根据50年（1958—2007）水沙系列的原始资料，设定了6—9月水位保持在1813m，其余月份水位保持在正常蓄水位1820m的运行工况，采用MIKE 21软件模拟了阿尔塔什水库断面流速和泥沙淤积情况。结果表明，坝后河床最终淤积高程为1673m，尚未达到排沙洞的底板高程1715m。坝址处断面冲淤变化显示泄水口处出现冲刷漏斗， 水库出现泥沙淤积现象。 且随运行年份的增加，泥沙淤积量越来越大，淤积量增量逐年递增，淤积量增长幅度却逐年降低，最终趋于稳定。 但泥沙淤积高度并未达到死水位高程1770m，兴利库容并未减少。