汛期水位变化对水库泥沙淤泥影响研究

田 赞

(四川华电西溪河水电开发有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

我国江河为社会的发展和民生需求带了充沛的水资源，但在整体上仍存在着水资源分配不均的现象。一般情况下，夏季降雨较多，河流径流量大，而秋冬季降雨较少，河流径流量小，部分河流还会发生断流的现象[1-2]。这一情况不能满足全国人民的用水需求，所以常通过修建水库的方式来对水资源进行再次分配。通过水库能够对河流径流量的季节变化进行有效调节，蓄洪补枯，在最大程度上满足民生、工业用水需求，发挥水库的发电、灌溉、防洪等作用。然而水库的修建也存在一些负面影响，如河流受到水工建筑的阻碍，其流速降低，水势减缓，泥沙被水流所携带的数量大大减少，更多泥沙沉积在大坝等水工建筑物前[3-4]，并且泥沙的淤积会直接造成河道水库库容的减少，会在一定程度上降低水库的兴利库容，直至水库淤满泥沙，对水库的综合效益造成了严重的影响。河道中淤积泥沙，会使洪水位不断升高，扩大了洪水带来的危害性，同时会对水利工程的安全造成较大的影响，大大降低水库使用寿命，提高了维护成本[5]。而汛期期间水流速度大，携带泥沙数量多，所以汛期的排沙十分关键。张金良等[6]提出了新的泥沙调控度指标和汛期径流调控度指标，分析了某水库的汛期水沙调控能力。侯素珍等[7]研究了控制水位和水库敞泄这两种方式在某水库汛期排沙中的应用效果，为水库运行方式的优化提供了指导。除此之外，水库的运行方式也会对其泥沙淤积造成较大的影响。

基于此，为了降低泥沙淤积对水库造成的破坏程度，保证水库的正常运转，掌握水库运行方式和汛期水位变化对水库泥沙淤泥的影响规律，依托水库分别对正常蓄水位下水库泥沙淤积过程和淤积量进行模拟计算，分析水库汛期水位变化与水库泥沙淤积过程和泥沙淤积量的关系，发现水库泥沙淤积厚度会随着汛期水位的降低而减小，能够通过控制汛期水位的方式来降低水库泥沙淤积厚度，为水库运行提供指导。

1 工程概况

某水库总库容为22.52亿m3，该水库兼具灌溉、防洪、发电、蓄水等功能，主要功能为蓄水、灌溉和防洪，辅助功能为发电，根据水利工程等级水库被划分为大(1)型水利工程。水库死水位和正常蓄水位分别为1772和1822m，对应的库容分别为8.7亿和21.3亿m3，31.85万hm2为水库灌溉范围，能够提供51.4亿m3的灌溉用水量，22.52亿kW·h为其平均多年发电量，正常情况下4.05‰为其库区河床比降。该地区发电利用和灌溉用水在水库建成后都得到了很大的改善。根据地质勘查结果，发现水库河床宽度范围为255～445m，地形较为平缓，起伏不大。河床上部大部分是卵砾石与砂砾石，小部分夹有砂层透镜体，河床基岩面在坝址处有从右向左倾斜的趋势。

2 建立数值模型

2.1 设置运行方式

为了确保水库能够正常运行，起到兴利和排沙的作用，拟定两种水库运行方式，分别为：①运行方式一：在水库前50a，自5月时从1822m正常蓄水位开始降水，降水一个月，水位在6月份降为1815m，之后维持此水位直到9月中旬。从9月下旬逐渐进行蓄水，水位慢慢提高到1822m后，保持正常蓄水位运行，并维持此水位直至次年4月。在水库后50a，自4月时从1822m正常蓄水位开始降水，在7和6月汛期内控制水位，使其处于排沙水位1772m附近，从8月开始蓄水，同时于蓄水期间进行排沙，在水位回升到1822m后维持此水位直到次年3月。②运行方式二：100a期间运行形式保持一致，都在4月时从1822m正常蓄水位开始降水，在7和6月汛期内控制水位处于排沙水位1772m附近，另外保证水库起到兴利作用，从8月开始蓄水，在水位回升到1822m后维持此水位直到次年3月。

2.2 模型地形设置

采用水文工程模拟软件来对水库泥沙数学模型进行模拟，上游50km至坝址为模型模拟范围，建立模型的具体步骤为：第一步先建立DEM，然后在软件中对模块进行处理，构建要素图层；第二步导出图层数据；第三步将相关系数输进软件中，如扩散系数和曼宁系数等。

2.3 设置边界条件

泥沙边界条件和水流边界条件为模型的主要边界条件。通过输入上游来沙条件来设置泥沙边界条件，单位为t，通过含沙量和水流流量来对泥沙重量进行计算。对于水流边界条件，上、下游分别选择流量和各工况时的水位来作为边界条件。模型参数中河道各断面糙率设置为0.027～0.044，模型如图1所示。

图1 模型示意图

3 2种水库运行方式的泥沙淤积模拟结果

通过数值模拟的方式对2种运行方式下水库的泥沙淤积过程进行计算，能够得到不同运行时间下的水库淤沙高程变化趋势，如图2—3所示。

图2 各年份水库在运行方式一下的水库淤沙高程

从图2—3中能够得出，2种运行方式下水库泥沙的沉降淤积形态在整体上均表现为三角洲型，属于较为典型的三角洲型淤积水库。此种淤积形式发展速度快，在运行10a时就呈现出较为明显的三角洲型式淤积形态，随着水库运行时间的增长淤积形态也更加明显，同时洲头逐渐向坝前靠近。除此之外，随着运行时间的增长，2种运行方式下水库泥沙淤积速度逐渐增大。这是由于，在水库运行50a内时，泥沙三角洲还未堆积至坝址部位，在坝前的淤积量不大，深泓高程没有发生较大变化，泥沙淤积厚度增大速度较小；而随着水库的持续使用，三角洲的坡顶慢慢靠近坝址部位，提高了坝前泥沙淤积速度，淤积速度最快区间为运行80～90a，运行方式一和运行方式二在此10a间淤积新增厚度分别高达30.8和16.96m，深泓高程仍处于快速增大期，未达到平衡状态。对比图2和图3能够发现，在100a运行时间下运行方式一的深泓高程和淤积厚度分别为1744.7和82.3m，大于运行方式二的1723.45和61.05m。除此之外，水库坝址在第一种运行方式下的泥沙淤积高程较大，会在很大程度上影响水轮机的正常运转，甚至会出现堵塞排沙底孔的情况，需要先打开排沙底孔泄水来避免排沙底孔被淤泥覆盖。而水库坝址在第二种运行方式下的泥沙淤积高程较小，泥沙淤积不会对水电站进水造成较大影响，在100a后排沙底孔仍会被堵塞，同样需先打开排沙底孔泄水来避免排沙底孔被淤泥覆盖[8]。对比之下，运行方式二不会对水电站进水口造成较大影响，更适合水库的运行。

图3 各运行年限水库在运行方式二下的水库淤沙高程

图4 运行方式不同时淤损率对比图

图5 运行方式不同时水库库容对比图

图6 运行方式不同时泥沙淤积量对比图

4 汛期水位对水库泥沙淤泥的影响

以上述第二种运行方式为基础，通过调整汛期坝前水位的方式来分析汛期水库泥沙淤积的变化趋势，对后期运行方案的优化、水库发电值的提高有重要意义。此次选择2种计算方案来分析汛期水位变化对水库泥沙淤泥的影响，第一种计算方案为初始方案，即上述运行方式；第二种计算方式为在上述运行方式下，把汛期坝前水位从1772m分别调整为1766、1769、1775和1778m，汛期外各月份运行方式仍与原始方式保持一致。通过计算对比不同运行方式下水库泥沙淤积量和淤积过程的变化趋势，分析水库泥沙淤积受到汛期坝前水位变化的影响规律。通过模型计算，得出6、7月份汛期坝前水位为1766、1769、1772、1775和1778m，汛期外各月份和原始方案一致时，不同年份正常蓄水位下水库淤损比、剩余库容以及淤积量变化情况，具体如4—6所示。

对比正常蓄水位下不同运行方式时的库容淤损比、剩余库容以及淤积量能够得出，水库泥沙淤积和剩余库容的变化趋势大致相同，均表现为淤积量和库容淤损比随着水库运行时间的增长而增长；剩余库容随着水库运行时间的增长而降低。在水库运行时间相同时，其淤积量和库容淤损率随着汛期水位的增高而增大，即汛期水位越高，水库的泥沙淤积量和库容淤损率就越高；对应的，随着汛期水位的提升，水库剩余库容则呈现出不断减小的趋势。

将1766m的汛期水位作为标准，对比其余4种汛期水位的泥沙淤积量，发现1778、1775、1772、1769m所对应的泥沙淤积增量分别为12425万、8664万、5529万和2542万m3，由此能够得出，限制汛期水位能够在一定程度上降低正常蓄水位以下泥沙淤积量。从5种汛期水位的泥沙淤积变化曲线图中能够得出，1766m为汛期水位时，水库的淤积曲线最为平缓，泥沙淤积增加率较低。由此能够推断出，水库在此种运行方案下的泥沙淤积达到冲淤平衡状态的速度更快。

5 结论

为分析水库汛期水位对泥沙淤泥的影响，通过数值模拟的方式，设置2种运行方式和5种不同的汛期水位计算水库泥沙淤积变化过程，得出以下结论。

(1)水库运行时间相同时，淤积量和库容淤损率随着汛期水位的增高而增大；随着汛期水位的提升，水库剩余库容呈现出不断减小的趋势。在100a运行时间下运行方式一的深泓高程和淤积厚度大于运行方式，更适合水库的运行。

(2)将1766m的汛期水位作为标准，汛期水位为1778、1775、1772、1769m时对应的泥沙淤积增量分别为12425万、8664万、5529万和2542万m3，故限制汛期水位能够在一定程度上降低正常蓄水位以下泥沙淤积量。

(3)库泥沙淤积量和淤积过程影响因素复杂，文章仅考虑了汛期水位变化及运行方式的影响，其他因素等综合因素并未考虑，因此结论需进一步全面分析。