丹江口水庫漢江干流庫區淤積分析

章厚玉,林云發,楊德安,高玉杰,畢 勇,魏 瓊

(長江水利委員會水文局漢江水文水資源勘測局,湖北丹江口 442700)

1 丹江口水庫基本概況

1.1 庫形特征

丹江口水庫 1968年蓄水運用后,改變了原來天然河道的水沙輸移特性,入庫水、沙輸移受人工控制,形成丹江、漢江 2大庫區。2個庫區沿程寬、窄相間,湖泊型庫段與河道型庫段相間的庫形特征(見圖1)。其中漢江庫區內鄖縣、老均縣 2庫段最寬分別達3.6～6.0km,最窄僅為370 m(鄖縣小西天);丹江庫區淅川、李官橋 2庫段最寬分別達3.5～10.0km,最窄僅為248 m。蓄水運行后,正常蓄水位 157 m(吳淞)時,總庫容為174.5×108m3,總庫面積為745km2,其中漢江庫區回水長177.4km,庫容 94×108m3,庫面積為380km2;丹江庫區回水長 85km,庫容80.5×108m3,庫面積為365km2。

1.2 調度運行特點

丹江口水庫正常蓄水位為吳淞 157 m,秋汛防洪限制水位為152.5 m(8月21日至 9月30日)、夏汛為149 m(6月21日至 8月20日),設計低水位為139 m。自 1968--2003年蓄水運用 36 a,其壩前歷年最高平均水位152.6 m;歷年最低平均水位138.8 m。不同水位級對應的庫容與面積見表1。

圖1 丹江口水庫平面示意圖Fig.1 The map of Danjiangkou Reservoir

表1 丹江口水庫初始水位與面積、庫容數據統計表Table 1 Statistical data on water level,area and storage capacity of Danjiangkou Reservoir

2 漢江干流庫區縱向淤積分布特點

2.1 縱向累計淤積量分析

江漢干流庫區 1968-2003年蓄水運用 36 a,沿程累計沖淤量列于表2。從表2中沿程沖淤量分布可歸納如下特點。

表2 漢江干流庫區沿程累計淤積量統計表(1968--2003)Table 2 Statistics of accumulative sediment deposition in Han River reservoir area from 1968 to 2003

2.1.1 淤積分布呈兩頭少、中間多的分布特點

從表2中知,距壩 159.5～177.4km庫長17.9km的庫尾段,蓄水運用 36 a來,其歷年累計淤積量還沖刷0.01×108m3;距壩 0～37.3km的壩前段,蓄水運用 36 a來也只淤0.59×108m3;而距壩37.3～159.5km庫長 122km的中間庫段內,同期共淤10.28×108m3,占漢江干流庫區同期總淤積量的94.7%,可見漢江干流呈兩頭少、中間多的縱向淤積分布特點。

2.1.2 淤積分布受壩前防洪限制水位 152.5 m控制

從表2中知,距壩 159.5～177.4km庫長17.9km的庫尾段,自 1968年蓄水運用至今,該庫段的歷年累計淤積量都是沖刷;而距壩159.5km以下庫段,歷年累計淤積量都呈淤積,可見距壩159.5km處為縱向累計淤積量分布的沖淤臨界部位,而距壩159.5km處正是壩前防洪限制水位152.5 m漢江干流庫區對應的回水末端,這個蓄水運用 36 a來的縱向淤積分布的特點表達出,漢江干流庫區的縱向淤積分布,受壩前防洪限制水位152.5 m所控制,152.5 m庫水位以上庫段累計淤積是負值,即沖刷;152.5 m水位以下庫段沿程是累計性淤積。

2.2 漢江干流庫區縱向淤積形態分析

漢江干流沿程縱向淤積形態大致分成 3段:懸移質輸沙動平衡庫段、懸移質重點淤積庫段、沖瀉質異重流淤積庫段。具體分析如下。

2.2.1 懸移質輸沙平衡庫段

現將漢江干流庫區 1960--2003年,沿程深泓點淤積高程縱剖面點繪于圖2。

圖2 漢庫干流庫區沿程深泓點淤積縱剖面圖Fig.2 Profile of deposition elevation along the talweg in Han River reservoir area

距壩91.95～159.5km,庫長67.55km,目前已屬懸移質輸沙動平衡庫段。圖2顯示出一個鋸齒狀的縱向淤積分布形態,圖中峰尖(凸部)為順直、寬淺段深泓點高程,累計淤積較多;峰谷(凹部)為彎道段及深潭部位深泓點高程,累計淤積較少。由于本庫段已進入懸移質輸沙動平衡階段,且其庫形條件中順直段與彎道段部位不變,縱向淤積形態也將不會改變。隨著庫水位運用高低、入庫來沙的多少,2大造床期內,其峰尖、峰谷沖淤高程仍有變化,但已是周期性的沖淤變化。由于平衡庫段的2大造床期內沖淤基本相近,也不會再產生明顯的累計性淤積。

2.2.2 懸移質重點淤積區庫段

距壩91.95～37.3km庫長54.65km,本庫段為懸移質重點淤積庫段。庫段內,距壩78.95～84.67km為安陽小湖泊區,湖面最寬 2km;距壩56.7～78.95km為狹谷段;距壩56.7～37.3km為老均縣大湖泊區,湖面最寬 6km。從圖2中可看出,本庫段內 1960--2003年的深泓點沿程淤積縱剖面形態示,呈似駝峰形,中間狹谷段淤積相對少,淤積高程較低;上首安陽小湖區深泓點淤積較高;下首老均縣大湖區的深泓點淤積更高。由于上首庫段1988年后已進入懸移質動平衡庫段,所以,本庫段從上世紀 90年代至今淤積發展較快,河槽內現在已處中細沙淤積區。本庫段內距壩74.7km為石灰窯強制性彎道段,蓄水后至上世紀 80年代與蓄水前夕相比都處沖刷狀態,成為漢江庫區縱沖剖面淤積形態不連續的間斷點。從90年代至今,隨著淤積的向下發展在各級庫水位條件下都現已回淤,見圖3中石灰窯狹谷彎道處深泓點示意圖。

圖3 漢江干流庫區強制性狹谷彎道段深泓點高縱剖面變化圖Fig.3 Longitudinal profile of talweg elevations with canyons and curved channels in Han River mainstream reservoir area

2.2.3 沖瀉質重點淤積區庫段

距壩37.3km至壩前為狹谷段,該庫段為沖瀉質異重流淤積庫段,屬水庫淤積的早期淤積階段,庫段內,不論建庫前是順直、彎道、分汊或寬窄型,其橫斷面都呈平淤形式,縱向深泓點淤積縱剖面都較規則,縱向呈線性坡降形態(見圖2)。

3 橫剖面淤積塑造特點

3.1 橫斷面的形態塑造的4個階段

橫斷面淤積塑造過程大致可分成先后 4個階段。

第1階段為無槽平淤或相似形淤積階段,今以距壩95.1km的漢庫 26斷面為例,并點繪于圖4。漢庫 26斷面建庫前是個分汊型寬淺斷面,建庫后逐年淤積塑造成單一河槽的順直過渡斷面,如圖4中1967--1976年線示,此時段內,屬蓄水早期的空庫淤積階段,挾沙能力較小,淤積物以懸移質中的細泥沙為主,入庫小水小沙時,渾水充不滿斷面,呈擴散狀淤積。淤積形式都是先淤老河槽。此階段內不論是什么河型,都呈平淤或相似形淤積形態,不顯新河槽的槽形。

圖4 漢庫 26分汊斷面淤積圖Fig.4 Sedimentation at Hanku cross-section No.26

第2階段為塑槽淤灘階段,如圖4中 1982年線示。隨著淤積的發展,斷面挾沙能力逐漸增大,新的動力軸線也隨之形成,河床顯示出了新的槽位,從而使斷面淤積灘、槽分明,橫斷面的淤積總是先槽后灘的塑造過程。由于新槽位挾沙能力增大,兩岸挾沙能力相應減小,兩岸邊灘的淤積速度也隨之加快。

第3階段為槽平衡階段,呈穩槽固灘階段。如圖4中 1988年線示,此階段后期,河槽的挾沙能力已基本恢復,河槽已進入懸移質輸沙動平衡階段,河槽攪動已出現沖淤平衡現象,河槽內粗化交換明顯,兩岸邊灘仍顯累積性淤積,灘頂的淤積高程,受壩前防洪限制水位152.5 m所控制。經塑槽淤灘及新槽平衡二階段后,灘、槽部位在正常水位運用下已基本穩定。目前,漢江干流庫區距壩 75～91.95km庫段內的橫斷面淤積塑造屬第3階段,見圖5(圖5為漢庫 20斷面,距壩 80km)。

第4階段為灘平衡階段,即灘、槽全斷面動平衡階段,見圖4中 1988 2001年線示,此階段中,灘、槽淤積都處於懸移質輸沙動平衡階段,當橫斷面進入動平衡階段后,斷面上仍會出現灘、槽沖淤現象,但其淤灘與沖槽的沖淤量大致相當。

圖5 漢庫 20多汊斷面淤積圖Fig.5 Sedimentation at Hanku cross-section No.20

3.2 橫斷面的形態塑造特點

3.2.1 單一河槽的塑造特性

不論建庫前是順直、彎曲、分汊、寬窄等等河型,建庫后,經水庫淤積重新造床后,都呈單一河槽河型。單一河槽的形成有兩個因素。首先,水庫蓄水后形成的單一河槽,也是汛期壩前防洪限制水位152.5 m所對應的動力軸線,經第3階段槽平衡的穩槽固灘后,橫斷面的單槽部位在正常運用水位條件下穩定。其次,汛、枯期 2大造床期都在同一河槽內進行,因為枯季消落期是水流歸槽現象,即歸在汛期河槽內。與天然河道水流規律不同,水庫中,水流在彎道段,無論是大水還是小水都同走一個河槽,見圖4、圖6示,斷面形態都由分汊河型淤積塑造成單一河槽河型。即使如距壩80km的漢庫 20斷面,見圖5示,建庫前屬多汊河段,建庫后也都塑造成單一河槽。

圖6 漢庫 14寬闊斷面淤積圖Fig.6 Sedimentation diagram at broad cross section of Hanku No.14

3.2.2 淤積重新塑造的斷面形態都很典型、規則

建庫后,丹江口水庫漢江干流庫區橫斷面,不論是彎道段或開闊段,最終沿程都淤積塑造成 2種單一河槽的河型,即彎道型與順直過渡型沿程相間的河型 ,且新淤積塑造的2種河型斷面都較典型、規則。現舉例說明。

如圖4漢庫 26斷面,建庫前是分汊河段,且是著名的簍子灘斷面,圖5漢庫 20斷面,建庫前是多汊的鵝頭形彎道斷面,也是安陽淺灘河段。建庫后,經水庫淤積都重新塑造成單一河槽的順直過渡段斷面。又如圖7是距壩121.4km的漢庫 36斷面,建庫前雖為彎道頂斷面,卻不是彎道型斷面形態,主槽在中間,無凸岸邊灘,建庫后,逐年淤積塑造成典型的彎道型斷面 。又如圖8,距壩92.85km的漢庫 25斷面 ,同樣為彎道頂斷面,但建庫前凸岸邊灘不顯,灘、槽差小,建庫后,都重新淤積塑造成典型規則的彎道頂斷面,凸岸邊灘發育,彎道頂點旁岸,灘、槽差明顯增大。

圖7 漢庫 36彎道斷面淤積圖Fig.7 Sedimentation diagram at cross-section of Hanku No.36

圖8 漢庫 25彎道斷面淤積圖Fig.8 Sedimentation diagram at cross-section of Hanku No.25

3.3 橫斷面的淤積主要分布在兩岸邊灘

變動回水區沿程橫斷面淤積分布統計于表3。

表3 變動回水區沿程橫斷面淤積量分布統計表Table 3 Deposition statistics at cross-sections along the distance in the fluctuation backwater area

從表3中可以看出,1968 1997年共 30 a的蓄水運用以來,變動回水區沿程橫斷面的淤積分布,不論是順直段或彎道段,也不論斷面的寬窄,其橫斷面的淤積分布,都主要淤積在兩岸(順直段)或一岸(彎道段)邊灘。表3中例舉的6個斷面的總淤積面積 51 926 m2,其中淤灘面積為45 771 m2,占88.1%;淤槽面積 6 155 m2,占11.9%。同一種河型,沿程隨著回水影響程度的增大,其灘槽淤積量也增加,這種灘、槽淤積分布特點從圖4至圖8中各斷面中可直觀看出。

4 垂向淤積分布特點

丹江口水庫1960 2003年沿程地形法電算高程與淤積量分布見表4。其主要分布特點分述如下。

表4 丹江口水庫 1960--2003年高程與淤積量分布統計表Table 4 Deposition and elevation of Danjiangkou Reservior from 1960 to 2003

4.1 主要特征水位下的垂向淤積分布特點

從表4中可知,設計低水位 139 m下,全庫共淤12.30×108m3,占全庫總淤積量的76%,說明丹江口水庫的垂向淤積分布中,其淤積量主要淤積在139 m下的死庫容內。其中,漢江庫區死庫容內共淤11.02×108m3,占全庫死庫容總淤積量的89.6%,由此說明,139 m下死庫容的淤積也主要分布在漢江庫區內。

4.2 垂向淤積分布特點

表4中漢江庫區內152.5 m水位下共淤13.80×108m3,而 157 m水位下共淤 13.89×108m3,則152.5～157m水位間略淤0.09×108m3,但152.5 m水位下的淤積量,仍占 157 m下總淤積量的99.4%,說明漢江庫區的垂向淤積分布也主要分布在152.5 m水位以下。由此可見,丹江口水庫漢江庫區垂向淤積分布,受壩前防洪限制水位152.5 m所控制。

5 小結

綜上所述,丹江口水庫蓄水運用后,改變了原來的開然河道特性,其縱、橫、垂三向淤積分布,都受壩前防洪限制水位152.5 m所控制,其因主要是:在正常水位運用年份內,汛期充水期,大水大沙的大造床期,都受壩前防洪限制水位152.5 m所控制,特大洪水超高水位運用時間極少。因此,汛期的防洪限制水位152.5 m,就成為歷年水庫運用中大造床期內固定的造床水位,也必然成為歷年縱、橫、垂泥沙三向淤積分布中的控制水位。

[1]章厚玉,楊德安,楊 建.丹江口水庫變動回水區的泥沙沖淤規律研究[R].丹江口:長江水利委員會漢江局,2006.(ZANG Hou-yu,YANG De-an,YANG Jian.Sediment transport within varying backwater region of Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,2006.(in Chinese))

[2]張洪霞,林云發,周曉英,等.丹江口水利樞紐河床演變的研究[R].丹江口:長江水利委員會漢江局,2005.(ZHANG Hong-xia,LIN Yun-fa,ZHOU Xiaoying,et al.Channel evolution of Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,(in Chinese))

[3]楊克誠.丹江口水庫漢江庫區充水淤積的初步分析[R].丹江口:長江水利委員會漢江局,2005.(YANG Ke-cheng.Preliminary analysis on sediment deposition in Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,2005.(in Chinese))