2008年以来紫坪铺水库淤积过程及库容变化特性分析

郭秀吉，陈 立，颜小飞，李新杰

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072）

0 引 言

紫坪铺水利枢纽位于岷江上游映秀至都江堰河段（见图1），是一座以灌溉和供水为主，兼具有防洪、发电、环境保护和旅游等综合效益的大（Ⅰ）型水利工程，同时也是都江堰灌区和成都市的水源调节工程，成都地区的主要电源，被列为我国实施西部大开发的标志性工程之一［1］。工程最大坝高156 m，控制流域面积2.26 万km2，控制上游暴雨区的90%以及径流泥沙的98%，水库校核洪水位883.1 m、设计洪水位871.2 m、正常蓄水位877.0 m、防洪高水位861.6 m、汛期限制水位850.0 m、死水位817 m，总库容11.12 亿m3，具有不完全年调节功能。工程于2001年3月开工建设，2005年10月下闸蓄水运行［2］。

图1 紫坪铺库区示意图Fig.1 The schematic diagram of Zipingpu Reservoir area

2008年“5.12”汶川特大地震期间，紫坪铺控制流域位于地震震中区域，尤其是汶川至近坝区受地震影响最为严重，原始地形地貌及生态环境遭到巨大破坏，原有的气候及下垫面特性荡然无存，水文地质条件的剧烈变化，导致近年来库区泥石流、山体滑坡等次生灾害频发，产汇流过程与震前大不相同，库岸形态及河槽水流条件也发生了根本性的变化［3］。由于紫坪铺坝址距离震中仅17.17 km，震中传导至坝址的烈度达IX～X 度，就目前国内外同类已建工程而言，如此近距离遭遇强震的百米以上高面板坝尚属首次［4］，因此其案例具有极高的研究价值。

目前关于紫坪铺的研究多集中在论证水库蓄水与汶川地震内在关系［5-7］、地震后库岸边界稳定性［8-10］以及水文特性变化［11-13］等方面，而针对强地震及次生灾害延续作用下，水库淤积特征及库容变化的响应过程和演变趋势的研究相对较少，比较典型的如李洪［14］、薛晨［15］、由丽华［16］等对地震以来紫坪铺水库淤积随时间的变化过程以及对水库调度的影响进行了详细阐述；Yan［17］采用多波束回声测深系统结合arcgis建立了紫坪铺库区2012年12月底部数字高程模型，分析了水库淤积纵剖面形态与横断面过流能力损失情况；Song［18］、Xu［19］等以紫坪铺为例，利用水槽试验和三维数值模型复原地震期间库区地形快速演变过程，并分析了地形变化对异重流运动规律的影响；但上述研究并未阐明地震与库区泥沙淤积及粒径组成空间分布特征的变化关系。鉴于此，本文将基于紫坪铺库区2008年4月至2020年11月七次实测地形资料，重点分析汶川地震以来，水库泥沙淤积形态、空间位置分布、粒径组成、库容变化特性等演化过程和发展趋势，为水库调度、淤积形态优化及未来清淤规划设计提供参考。

1 库区淤积形态

1.1 干流淤积形态

汶川地震时，M13（距坝6.98 km）断面左岸巨大的山体滑坡，造成M11～M14库段泥沙大量堆积形成堰塞体，至2011年堰塞体高达33.84 m，其上游M13～M23（距坝12.58 km）库段形成长约5.6 km 的堰塞湖，堰塞体将库区分割为上库（M13～M43）和下库（坝前～M13）两部分（见图2）。由于堰塞体的阻挡，入库泥沙绝大部分被拦截在上库，造成上库死库容大量淤积，随着淤积的发展，河床整体抬升，上库的堰塞湖逐渐被淤平，至2014年和2015年上库河床逐渐达到淤积平衡，库区形成了以M13断面为固定顶点的淤积三角洲，三角洲前坡段比降37.46‰，顶坡段比降0.49‰，顶坡段河底高程已接近死水位817 m，此后入库泥沙进入下库逐渐增加，下库死库容淤积加快；到2019年和2020年时，堰塞体以上进一步淤积抬高，上库河床全部高于死水位817 m，已开始侵占上库调节库容。由于堰塞体阻碍了泥沙向坝前推进，加剧了三角洲洲面淤积速度，再加上三角洲顶坡段水深大，比降小，可以预见，今后三角洲洲面将会继续淤积抬升，上库调节库容和下库死库容淤积也将进一步加剧，对水库兴利和防洪的不利影响加重。

图2 紫坪铺库区干流纵剖面（深泓点）Fig.2 The longitudinal profile（thalweg）of main stream in Zipingpu Reservoir area

1.2 支流淤积形态

受汶川地震影响，2011年龙溪河河床高程在2008年基础上平行淤积抬升（见图3），深泓高程平均抬升9.62 m，床面平均淤高约3.93 m。根据现场震损地质调查情况［20］，大地震时龙溪河沟口L02～L03 断面右岸发生山体滑坡，形成堰塞体，回水约1～2 km，造成上游来沙几乎全部拦截在堰塞体以上，堰塞体上游河床持续淤积抬升，河道比降逐渐变缓。至2013年时，L03断面形成较为明显的淤积体，河床纵剖面呈椎体淤积形态，至2014年淤积体进一步抬高，此后淤积体顶点位置保持不变，顶点附近河床基本达到淤积平衡，淤积逐渐向上游发展。2008-2014年寿溪河沟口附近河床呈逐年淤积状态（见图4），并且随着时间的推移，淤积有逐渐上延的趋势，2015年时沟口河床略有冲刷，此后又持续淤积抬升。由此可见，汶川地震极大地加快了紫坪铺库区支流沟口附近河床淤积速度，使得沟口附近河床形态逐渐向不利方向发展，支流水沙输送不畅，造成淤积不断上延，严重侵占支流有效调节库容及防洪库容，长期来看，随着支流堰塞体及沟口床面的继续抬升，将对支流上游河段行洪产生不利影响。

图3 支流龙溪河淤积纵剖面Fig.3 The Longxi River sediment longitudinal section

图4 支流寿溪河淤积纵剖面Fig.4 The Shouxi River sediment longitudinal section

2 库区淤积分布

2.1 泥沙淤积高程分布

泥沙淤积沿高程分布不仅与来沙时段水库运用水位有关，还与库区前期河床淤积形态密切相关。根据库区河床纵剖面形态变化情况（见图2），大致可以将紫坪铺水库的淤积过程划分为3 个时段：汶川地震前（建库-2008年）、地震后堰塞湖发育期（2008-2011年）、堰塞湖衰亡期（2011-2015年）、三角洲淤积期（2015-2020年）。

由图5和表1可知紫坪铺水库在不同演变阶段淤积沿高程分布特征表现为：①地震后，受流域水文地质条件破坏的影响，水库整体淤积速率显著加快；②地震前水库整体淤积较为缓慢，直到830 m 以上淤积速率才开始有所增加；③堰塞湖发育期，水库淤积速率随高程增加不断提升，直到830 m以上淤积速率才开始逐渐放缓；④堰塞湖衰亡期，水库淤积主体位于850 m以下，850 m 以上淤积不明显；⑤三角洲淤积期，水库淤积主要发生在800 m 以下和817～830 m，且淤积部位恰好对应于下库段死库容和上库段调节库容的损失，其余区间基本达到淤积平衡状态。总体来看，地震前水库淤积主体集中在830 m 以上，830 m 以上淤积0.188 9 亿m3，占总淤积量的83.53%，地震后水库淤积主体则位于830 m 以下（见图7），830 m 以下淤积1.176 4亿m3，占总量的81.69%。

表1 紫坪铺水库不同演变阶段沿高程方向淤积速率变化Tab.1 Variation of siltation rate along the elevation direction in different evolution stages of Zipingpu Reservoir

图5 紫坪铺水库不同高程累积淤积曲线Fig.5 The cumulative siltation curve of Zipingpu Reservoir at different elevations

图7 紫坪铺库区不同高程区间淤积量分布Fig.7 The distribution of siltation in different elevation intervals of Zipingpu Reservoir area

地震前水库淤积主要分布在汛限水位850 m以下和设计洪水位871.2 m 以上（见图6），而地震后库区淤积则主要集中在850 m 以下，且死水位817 m 以下淤积量变化略大于817～850 m区间，其余特征水位区间淤积量变化不大。从特征水位区间淤积强度变化来看，地震前871.2 m 以上淤积强度显著大于871.2 m 以下，地震后，在堰塞湖发育期850 m 以下淤积强度显著提升，而871.2 m 以上淤积强度显著下降，其余区间淤积强度均有小幅提升；在堰塞湖消亡期，与前一阶段相比，817～861.6 m（防洪高水位）区间淤积强度变化不大，其余区间淤积强度均有一定下降；在三角洲淤积期，各区间淤积强度进一步下降，其中850 m以上淤积强度较小，850 m以下淤积强度已回落至地震前水平。总体来看，汶川地震对850 m 以下和871.2 m 以上特征区间影响较大，尤其是死水位817 m 以下区间，而对850～871.2 m区间影响较小。

图6 紫坪铺水库特征水位区间淤积分布及淤积强度Fig.6 The distribution and intensity of sedimentation in characteristic water level of Zipingpu Reservoir

2.2 泥沙淤积位置分布

根据紫坪铺库区平面形态及河床纵剖面，大致可将水库划分为3 个区段：大坝～M13（距坝6.98 km）断面、M13～M28（距坝15.08 km）断面和M28～M43（距坝23.91 km）断面，前两段以M13断面堰塞体为分界，分别为下库段和上库堰塞湖段，总体较为宽阔，平均河宽800 m 以上，最宽处达1 940 m，后一段为上库窄深峡谷段，河谷宽度多在350 m以下，最窄处只有78 m。

地震通过改变流域的气候和下垫面条件，对库区的产汇流过程带来了影响，进而造成库区淤积分布的动态调整。2008-2011年，受地震后流域内生态环境脆弱及次生灾害延续作用的影响，紫坪铺遭遇了连续的平水丰沙期［13］，库区3个河段都有一定程度的淤积（见图8）。2011年以后，在堰塞体的阻挡作用下，上库堰塞湖段拦截了上游的大部分来沙，导致其余两个库段淤积持续减少，随着时间的推移，上库的堰塞湖逐渐达到淤积平衡，拦沙能力减弱，2014年以后，上游来沙越过堰塞体进入下库段的几率逐渐增加，下库段河床淤积速度持续加快。总体来看，2008-2020年紫坪铺库区泥沙主要淤积在上库堰塞湖段和下库段，淤积量分别为0.646 3、0.605 9 亿m3，占总淤积量的44.88%、42.07%。

图8 紫坪铺水库不同库段冲淤分布Fig.8 The distribution of erosion and deposition in different sections of Zipingpu Reservoir

2008-2020年紫坪铺库区干、支流淤积量分别为1.356 6、0.083 5 亿m3（见图9），淤积主要集中在干流，占总淤积量的94.20%，支流淤积较少，且主要分布在沟口附近。

2.3 淤积物组成

2008-2020年紫坪铺库区累积淤积泥沙1.716 2 亿t，其中干流淤积1.618 4 亿t，以细沙为主，支流淤积0.097 8 亿t，以粗沙为主（见图10）。从干流分组沙淤积沿程分布来看（见图11），粗沙主要分布在M23（距坝12.58 km）断面上游，中沙分布比较平均，M23 断面以上稍大，细沙主要分布在M23 断面下游。总体来看，紫坪铺库区以中、细沙淤积为主，占81.57%，由于细颗粒泥沙通常不会对库区下游河道淤积带来较大影响，大量细沙堆积在库内，减少了拦沙库容，降低了水库的拦沙效益，水库排沙较少，缩短了水库的拦沙寿命。

图10 紫坪铺水库干支流分组泥沙淤积量Fig.10 The sediment deposition in groups of main and tributaries of Zipingpu Reservoir

图11 紫坪铺水库干流分组泥沙淤积沿程分布Fig.11 The distribution of grouped sedimentation volume along the main stream of Zipingpu Reservoir

3 库容变化分析

紫坪铺水库原始库容为11.120 0 亿m3，截至2020年11月，紫坪铺总库容为9.168 3 亿m3（见图12），其中干流库容8.490 7亿m3，占总库容的92.61%，支流库容0.677 6 亿m3（龙溪河库容0.260 6 亿m3，寿溪河库容0.417 0 亿m3），占总库容的7.39%（见图13）。

图12 紫坪铺水库历次实测库容曲线Fig.12 The measured capacity curve of Zipingpu Reservoir

图13 紫坪铺水库干支流库容随时间变化Fig.13 Change of storage capacity of main and tributary streams of Zipingpu Reservoir with time

至2020年11月，紫坪铺水库调洪库容、防洪库容、调节库容、共用库容、死库容、总库容分别剩余5.099 9、1.594 6、6.870 9、4.040 5、1.237 9、9.168 3 亿m3（见图14），与水库初始指标相比，分别淤损了0.290 1、0.088 7、0.879 1、0.219 5、1.002 1、1.951 7亿m3，淤损率分别为5.38%、5.27%、11.34%、5.15%、44.74%、17.55%。

图14 紫坪铺水库库容指标随时间变化Fig.14 Change of storage capacity index of Zipingpu Reservoir with time

从淤损过程来看，汶川地震前（建库-2008年4月）水库调节库容、调洪库容淤损相对较快，死库容、共用库容淤损略慢，防洪库容淤损最少（见图15）；汶川地震后的前三年（2008年4月-2011年3月），由于地震期间流域内地貌、植被遭到巨大破坏，产汇流较过去发生较大变化，水文特性转变为连续平水丰沙年，再加上地震后次生地质灾害延续时间较长，造成水库死库容淤损速率显著提升，调节库容淤损也开始加快，调洪库容、共用库容淤损速率有所减弱，防洪库容变化不大；此后至2019年3月，水库各特征指标淤损速率整体呈下降趋势，这主要与流域内植被逐渐恢复，入库沙量减少，泥石流、山体滑坡等地质灾害减弱有关；2019年3月至2020年11月期间，紫坪铺进入丰水丰沙期，水库调节库容、死库容淤积速率再次提升，而调洪库容、防洪库容及共用库容均没有明显变化。

图15 紫坪铺水库库容指标不同时段淤损速率Fig.15 Siltation loss rate of Zipingpu Reservoir capacity index in different time periods

4 结 论

（1）汶川地震严重破坏了流域的水文地质条件，极大地加快了水库的淤积进程，地震后水库淤积形态及空间位置分布的调整主要受堰塞湖演化过程的影响，总体表现为：在垂向上，库区淤积主体由地震前830 m 以上转变为830 m 以下，地震仅对汛限水位850 m 以下和设计洪水位871.2 m 以上淤积分布影响较大，其余高程区间影响较小；在纵向上，淤积主要集中在坝前段（大坝～M13）和堰塞湖段（M13～M28）。

（2）库区以干流淤积为主，支流淤积主要分布在沟口附近且有不断上延的趋势，从淤积物组成来看，干流以细沙淤积为主，支流以粗沙淤积为主，细沙严重侵占拦沙库容，加之水库排沙少，长期来看，将对水库兴利及防洪带来不利影响。

（3）地震前水库以调洪、调节库容淤积为主，地震后，受堰塞湖拦沙影响，在堰塞湖生存期内，库区以死库容淤积为主，堰塞湖消亡后，上库段转变为以调节库容淤积为主，下库段死库容淤损速率显著加快。