基于挡水路基泥沙淤积预测及调洪演算探讨

石 佳

（抚顺市水利勘测设计研究院有限公司，辽宁 抚顺 113000）

1 概 述

工程位于伊旗政府所在地阿腾席热镇西1km处地理坐标E109° 41' 22"，N39° 33' 56"。近年来，伊旗经济飞速发展，为满足伊旗不断发展的城市规划要求，提高掌岗图河城区段的防洪标准、完善伊旗城市交通体系、解决疏干水排放再利用，打造临河生态景观工程。伊金霍洛旗年疏干水排水量为3 785.05 万m³，由于没有综合性控制利用工程，疏干水得不到合理的利用，造成水资源的严重浪费。

该区域涉及范围主要为东部矿区的疏干水。东部矿区疏干水量较大的煤矿有：转龙湾、赛蒙特尔、安源、转龙湾、蒙泰满来梁、大地精、敬老院、东博、昊达、三星、朝阳煤矿，合计11 座煤矿，年疏干水排水量为3 785.05 万m3。

城镇应急供水有两处，分别是什拉乌素城镇应急供水工程及查干淖城镇应急供水工程，日供水量为4 万m3，距离工程建设地约100km。甘珠庙水源地距离工程建设地约30km，日供水量为1 万m3。由于开元路工程距城镇应急供水工程及水源地距离较远，因此工程的修建对城镇应急供水及水源地影响较小。开元路工程的修建可以提高下游河道防洪标准，且下流河道中没有公共设施，因此不会对下游河道产生不利影响。

2 工程建设要求

2.1 河道景观要求

由于工程项目所在地距伊金霍洛旗政府仅有1km，旗政府决定采用开元路的路基与水利工程相结合的方式，打造一个面积达100万m2的景观水面，是集旅游、休闲、娱乐于一体的城市生态景观区。

2.2 交通要求

按照城市交通规划要求，工程是开元路工程的基础工程，它既是公路工程的基础，又是景观水面工程的挡水建筑物。工程建成后，为连接掌岗图河左右岸的开元路建设提供必要的建设条件。公路景观工程建成后，掌岗图河上将建成宽45m 公路，连接河道两岸公路，缓解了区域交通压力，使伊旗形成完整的交通体系[1-3]。

2.3 城镇规划及工业发展要求

伊金霍洛旗年疏干水排水量为3 785.05万m³，由于没有综合性控制利用工程，疏干水得不到合理的利用，造成水资源的严重浪费[4]。由于疏干水中含有一定量的煤灰，造成下游河道的污染，急需有一控制性工程滞蓄疏干水，沉降煤灰，减少下游河道污染，净化疏干水，使这部分水源得以利用。经调查，煤矿疏干水虽经处理达标排放，但仍不能用于生活和灌溉，只能用于城市绿化及下游河道生态。因此，煤矿的疏干水近期通过开元路景观工程进行滞蓄，形成景观水面，满足景观水面，蒸发渗漏要求，余水用于城市绿化和下游河道生态，远期根据城市规划及工业发展需要，逐步利用好煤矿疏干水。

3 工程任务

3.1 景观生态

由于本工程距伊旗政府所在地阿镇仅有1km，因此工程第一个任务是形成一个有100 万m2水面的景观生态园，为贯彻落实市政府全城旅游的政策落实提供了支持，同时也为当地百姓提供了娱乐、休闲的场所。

3.2 滞、蓄疏干水

根据实地调研，伊金霍洛旗煤矿较多，矿井疏干水量大小不一，设计对象主要为东部矿区的疏干水。东部矿区疏干水量较大的煤矿有：转龙湾、赛蒙特尔、安源、转龙湾、蒙泰满来梁、大地精、敬老院、东博、昊达、三星、朝阳煤矿，合计11 座煤矿，年疏干水排水量为3 785.05 万m³。

掌岗图河属于季节型河流，属于第Ⅴ类地表水水质（一般景观要求水域）。根据鄂尔多斯市清蓝环保有限公司于2019 年01 月30 日对掌岗图河水质进行监测的数据，项目监测断面为坝址上游500m（N39° 33′ 51.8″ E109° 41′ 14.47″）及坝址下游1 000m（N39° 33′ 52.37″ E109° 41′ 39.82″）实测水质指标均达到地表水环境质量标准。

3.3 拦沙

工程建成后，可有效拦蓄流域上游的泥沙近500 万m3，可以有效减少下游河道泥沙淤积及水库的淤积，确保下游河道行洪安全。

3.4 综合利用

3.4.1 交通

工程建成后，作为开元路的路基工程，为开元路的建设提供必要的基础条件。

3.4.2 调节中水

拟建开元路挡水路基将煤矿疏干水和矿区的生活用水通过滞蓄后，实现清水下泄，满足城市景观用水及下游河道生态用水，符合区域水资源规划、配置和管理要求，实施国家关于节能、节水、环保的方针政策具有重要意义[5-7]。

4 泥沙淤积分析预测

4.1 现状库容曲线

根据建设管理单位2019 年3 月提供的实测现状地形图，经库区1∶1 000 地形图计算得现状库容曲线见表1。

表1 挡水路基现状库容曲线表

4.2 淤积预测

采用西乌兰木伦河阿腾席热站1985—2000 年共15a 泥沙资料，由于此系列中1985、1992 年两年中为实测系列中大水大沙年，系列代表性较差。因此，将资料延长到2005 年，而后又收集了阿腾席热站2005 年撤消后上移至马王庙站后2011—2018 年的泥沙资料，泥沙资料共有28a，且系列中包含了大水大沙年，又有2010 年后枯水枯沙年，系列具有丰、枯变化过程，系列代表性较好。

经1985—2018 年（1997、2006—2010 年缺测）28a 系列分析，输沙量的与径流的年际变化基本一致，大都集中在6 ～ 9 月，占全年的90%以上。由于马王庙站与阿腾席热站面积相差较大，通过年径流量、含沙量、输沙量等关系，按面积比的一次方关系，转换到阿腾席热站。经计算，多年平均质输沙量及含沙量分别为159 万t 和 0.127t/m3。

据调查掌岗图河流域内坡式梯田与植被覆盖率已达70%，尤其是近10 多年更加大水保治理的步伐，流域的植被覆盖率又有所加强，另外从马王庙站近10a 多年平均输沙量看仅为3.3 万t，仅是159 万t 的2%，由此可说明流域的泥沙含量正在减少，且减少的幅度较大。根据以上分析开元路景观工程多年平均年输沙量采用阿腾席热站侵蚀模数70%计算，即14 万t，推悬比采用15%，推移质和悬移质输沙量分别为2.1 和16.1 万t，折合12.3 万m3。

工程参照山区丘陵区小（1）型水库进行淤砂分析，设计综合考虑来水来沙特性、库区地形特点及水库的实际情况，并根据国家规范的规定，为了解水库库容，冲淤计算周期一般为30～50a。经计算，工程30a 的总输沙量为369 万m3，50a 的总输沙量为615 万m3。 根据该推荐方案，正常水位为1 350.50m，对应的蓄水量为607.91 万m3，年含沙量为12.3 万m3，正常蓄水位高程以下淤满需50a。

由于该流域内的泥沙特性是泥沙含量大（多年平均含沙量0.127t/m3），来沙多集中在汛期6～9 月（6～9 月占全年的90%），尤其是集中在一、二次洪水中。泥沙的年际间变化亦较大，大水大沙，小水小沙，如1992 年大水，年输沙量就达到1 500 多万t，因此，工程建成后，如遇大水大沙年，可能一次洪水所携带沙量就能将库容淤满，故建议在工程运行中，如遇大水大沙年，应采取必要的措施（如排沙、清淤等）减少工程淤积。

4.3 正常蓄水位的确定

根据工程的综合利用要求，本工程的主要作用是滞蓄疏干水、拦沙、生态景观等，由于煤矿疏干水来量比较均匀，每天约10 万t，主要是通过本工程滞蓄，煤灰沉降转化为清水后，按城市景观及下游河道生态用水量1m³/s，通过输水涵放出。目前由于库容较小，冬季不考虑将11 月至翌年3 月共5 个月的疏干水存在库内，全部放入河道，满足下游河道生态用水要求，因此近期内疏干水只是滞蓄，不占用正常库容。由于工程建成后，将拦蓄上游的来沙，每年约16 万t，根据规范的规定并考虑本工程的特点，淤积年限按30a 考虑，约淤积369 万m³；本工程建成后，库区内的蒸发、渗漏通过河道径流经本工程调节后可满足要求；经分析，本工程泥沙淤积量较大。为了保证百万平米景观水面的可持续性，需要有较大的库容来满足泥沙淤积的要求，并考虑为库区内蒸发、渗漏的调节留有余地，因此确定正常蓄水位为1 350.5m，相应库容为607.91 万m³。根据工程特点本次设计不设死水位。

5 调洪方案及调洪成果

5.1 调洪原则

1）调洪起调水位为排洪渠堰顶高程1347.0m。

2）输水涵不参加泄洪。

3）排洪渠设有闸门，泄洪时闸门放倒，洪水超过排洪渠堰顶后自由泄流。

4）下泄流量在设计条件下要小于下游河道安全泄量[8-10]。

5）煤矿疏干水流量仅为1m3/s 左右，在调洪中不予考虑。

5.2 调洪成果

工程泄流设施为有闸门控制式排洪渠，溢流时闸门放倒，堰顶高程为汛限水位，排洪渠的泄流计算公式为：排洪渠控制段长度较长，根据判别条件10 ＜δ/H，为短渠水流，泄流能力按渠道过流计算，采用曼宁公式：

式中：Q为流量（m3/s）；A为过水断面面积，m2；C为谢才系数；R为水力半径，m；n为渠道糙率，取0.015；i为渠道比降，取i=0.0005。

设计拟定不同的堰顶高程及堰宽进行调洪演算，选用1 350.5m、1 348m、1 347m 三个堰顶高程及57m、37、30m 三个堰宽进行组合。从表2 中的调洪结果可以看出，堰宽57m 虽然能够有效增加排洪渠泄量，有利于行洪安全，但由于排洪渠上游具有交通要求，渠顶交通桥需要2 跨才能跨越排洪渠，排洪渠中部需增设桥墩。该方案不仅增加了施工难度，还增大了桥梁工程造价。堰顶高程1 350.5m、1 348m 方案，调洪后的设计水位和校核水位均较高，工程建成后对上游村庄影响较大（村庄高程1 351.4m）。

表2 开元路挡水路基各方案调洪成果表

综合考虑水库运行、工程设计及投资概算，采用堰顶高程1 347m，堰宽30m 的组合，推荐采用方案5 作为首选方案。

5.3 特征指标

经调洪计算后主要特征指标为：

1）开元路挡水路基总库容为727.85 万m3。

2）正常蓄水位为1 350.50m，现状库容为607.91 万m3。

3）设计洪水位（P=3.33%）为1 350.06m，相应蓄水量为542.50万m3，最大下泄流量为257.1m3/s。

4）校核洪水位（P=0.33%）为1 351.94m，相应蓄水量为727.85 万m3，下泄最大流量为527.62m3/s。

2019 年4 月专家论证会后收集阿腾席热站1992 年洪水过程线，并对1992 年洪水过程线的不合理点位进行修正做为此次调洪的典型洪水过程线。

设计的洪水过程线采用典型的洪水过程线，采用同频放大的方法[6-7]，对30a、300a 一遇洪水进行调节计算。调洪原则不变，起调水位仍采用1 347m[11]。调洪成果及对比见表3。

表3 开元路挡水路基选定方案调洪成果对比表

从表3 中可以看出，由于典型洪水过程变化后，其调洪后的成果相差较小，其设计、校核水位和库容均小于上次调洪成果，从工程安全性和一致性考虑[8-11]，调洪成果仍采用原成果。

6 结 语

伊金霍洛旗掌岗图景观水系开元路工程是以挡水为主，兼顾交通、防洪、生态的综合性工程。工程建成后可解决伊金霍洛旗水资源缺乏问题，能够完善伊旗交通路网，减少疏干水资源的浪费，提高下游城区段的防洪标准。根据泥沙预测及调洪分析成果，其蓄水工程总蓄水量为727.85 万m3，属于小（1）型工程。伊金霍洛旗掌岗图景观水系开元路工程的任务是拦蓄城市中水形成景观湖，通过对城市中水的拦蓄，为湖区周围及下游绿化提供灌溉用水。