延安市南溝門水庫泥沙淤積運行方式研究

燕 荔 彭穗萍

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

南溝門水庫工程位于陜西省延安市黃陵縣境內，由葫蘆河南溝門水庫、洛河引洛入葫馬家河引水樞紐和輸水隧洞三部分組成。

南溝門水庫位于洛河支流葫蘆河下游，距黃陵縣城約20km。工程由攔河壩、泄洪洞、引水發(fā)電洞、溢洪道組成。

引洛入葫工程是在洛河干流中游洛川縣西北的馬家河村，修建馬家河引洛入葫引水樞紐，將洛河干流非灌溉期含沙量小于3%的水量引入南溝門水庫，與南溝門水庫共同完成在不影響交口河斷面綜合用水要求情況下，為水庫受水對象的工業(yè)及當?shù)爻擎?zhèn)生活供水，結合移民安置向隆太塬灌區(qū)提供灌溉水量。

2 研究水庫泥沙淤積的目的

據(jù)南溝門水庫的參證站張村驛站懸移質實測資料統(tǒng)計，多年平均含沙量9.1kg/m3，汛期平均含沙量 19.7kg/m3，實測最大含沙量為537kg/m3。

據(jù)馬家河引水工程的參證站交口河站實測懸移質資料統(tǒng)計，多年平均含沙量為156kg/m3，汛期含沙量占全年的97.8%，實測最大含沙量為1200kg/m3。

由于南溝門水庫的來沙量相對較大，為泥沙問題相對較嚴重的水庫，而水庫的建設任務主要是供水，需要保持較大的調節(jié)庫容，以保證工程的供水任務。因此，需要研究水庫泥沙運行方式，并且要考慮泥沙的調度。在維持水庫綜合利用要求條件下，盡量減少調節(jié)庫容淤積量，保持水庫長期使用，在設計基準期內，使水庫經(jīng)濟效益最優(yōu)。

3 泥沙調度運行方式分析

根據(jù)水庫蓄水運用方式，引馬家河水量與南溝門水庫聯(lián)合調節(jié)結果，進行在不降低水庫供水效益條件下，水庫相機排沙運用的可能性及條件分析。

南溝門水庫蓄水運用方式。引馬家河水量、南溝門水庫多年平均棄水量占壩址可用徑流量的12%，發(fā)生棄水的年份為21年，占總調節(jié)年數(shù)49年的42.9%，但發(fā)生最大棄水年份的最大流量為36.42m3/s。

在不降低水庫供水效益條件下，水庫相機排沙運用的可能性及條件：①水庫要有足夠的下泄水量；②下泄水量要有足夠的流量。

設計水平年2020年南溝門水庫壩址多年平均可用徑流量為11822.76萬m3，加上實際引用馬家河水量4424.28萬m3，而工程受水對象的工業(yè)與城鎮(zhèn)生活“以供定需”需水量為11940萬m3，滿足河道的生態(tài)基流水量為946.4萬m3，需給洛惠渠灌區(qū)補水 1465.16萬 m3，隆太塬灌區(qū)需水1053.28萬m3，在滿足水庫供水效益條件下，水庫沒有多余的水量進行蓄清排渾、相機排沙，減少泥沙淤積。

由此，在水庫滿足供水效益條件下，南溝門水庫工程，采用蓄水攔沙[1]的水庫調度運用方式。

4 泥沙模型建立

葫蘆河和洛河都屬于多沙河流，對于這種多沙河流上的水庫，一維水沙數(shù)學模型[2]具有計算速度快、應用范圍廣等優(yōu)點，適用于長時間、長系列河床演變(泥沙沖淤)過程計算，該模型基本方程由水流、泥沙等四大方程組成，用這幾個方程式聯(lián)立求解能反映水沙作用的復雜性，模型基本方程如下：

水流連續(xù)方程

水流動量方程

泥沙連續(xù)方程

河床變形方程

其中Q為斷面流量，S為斷面平均含沙量，U為斷面平均流速，B為斷面水面寬度，Z為斷面水位，S*為斷面平均挾沙力，g為重力加速度，αe為動量修正系數(shù)，α為泥沙非平衡恢復飽和系數(shù)，ω為泥沙顆粒沉速，γ’為泥沙干容重，d為泥沙粒徑，A0泥沙沖淤面積，K流量模數(shù)，qL單位流程上的側向輸沙率，qs單位流程上的側向流量，t為時間步長，x為空間步長[3]。

對于黃河流域高含沙水流，由此建立的數(shù)學模型必須經(jīng)過實際資料的驗證，才能用來進行有關工程計算。進行驗算的實測資料，與所研究的對象須屬于同一類型，并且有相似的水文、地理條件。即使同一模型，研究的對象不同，也要進行驗證，適當?shù)卣{整有關參數(shù)，甚至調整模型，以便能較準確的模擬所研究的問題。

以南溝門水庫庫區(qū)1#～26#斷面河道為例，用長系列1958年～2007年共60年的水庫與馬家河水沙資料對數(shù)學模型中的參數(shù)進行了率定和驗證。建立了適用于南溝門水庫的一維恒定不平衡輸沙數(shù)學模型，用以分析與研究該水庫的泥沙淤積運行方式。

圖1 南溝門水庫不同運用年限庫區(qū)泥沙淤積縱剖面圖

圖2 南溝門水庫不同運行年限庫容曲線

5 水庫基礎資料

5.1 水沙系列

經(jīng)分析，南溝門水庫工程采用的入庫水沙系列為1958年7月～2007年6月、1958年7月～1969年6月共60年的水沙系列以及馬家河相對應的引水量與含沙量系列作為研究水庫淤積過程的入庫水沙系列。

5.2 水庫運行方式

南溝門水庫在滿足供水效益條件下，引馬家河水量，水庫從死水位開始蓄庫，壩址來水滿足工程用水，水庫蓄庫，水庫蓄到正常蓄水位848m后，多余洪水量從泄水建筑物排泄；壩址來水不滿足工程用水，引馬家河水量，水庫供水，水位降落，直到水庫水位降到死水位824m，完成整個蓄供水周期。

5.3 計算邊界條件

計算的起始時間為第1年的7月1日，終止時間為第60年的6月30日，計算時長為60年。時間步長劃分為7月～8月以天為計算時段，其余月份以月為計算時段；研究范圍為庫區(qū)26.5km河段，劃分斷面共26個。上游邊界為庫區(qū)入口的26#斷面，下游邊界為南溝門壩址斷面。上游進口水沙資料為設計水沙系列，下游控制水位為壩前控制水位。

6 泥沙淤積結果

根據(jù)南溝門水庫工程水沙條件、計算邊界條件，采用建立的泥沙模型，對修建南溝門水庫后泥沙運行情況經(jīng)不同運行方式分析，結果如下：

6.1 庫區(qū)泥沙淤積量及排沙比結果

水庫運用10年、30年及60年時，庫區(qū)泥沙淤積量分別為943.6萬m3、2783.3萬m3及7694.5萬m3。南溝門水庫庫區(qū)泥沙淤積速度比較均勻，泥沙淤積過程較長，水庫運用60年累計淤積量為7694.5萬m3。多年平均入庫沙量為192.8萬t，多年平均出庫沙量為25.9萬t，多年平均排沙比為13.5%，多年平均淤積量為128.2萬m3。

6.2 庫區(qū)河床縱剖面計算結果

南溝門水庫泥沙淤積形態(tài)為三角洲淤積，水庫淤積平衡年限為50年左右。當水庫運用10年末，壩前泥沙淤積平均高程為802.65m；當水庫運用30年末，壩前泥沙淤積平均高程達到806.12m；當水庫運用至50年末，壩前泥沙淤積平均高程達到813.16m；當水庫運用至60年末，干流淤積三角洲尚未推進至壩前，壩前泥沙淤積平均高程達到814.24m。庫區(qū)泥沙淤積縱剖面圖見圖1。

6.3 不同淤積年限庫容

南溝門水庫修建后，在蓄水攔沙運用方式下，水庫運用10年末，調節(jié)庫容可保留95%左右；水庫運用30年末，調節(jié)庫容可保留85%以上；水庫運用60年末，調節(jié)庫容可保留59%左右。水庫運用60年后庫容為1.0222億m3。水庫不同運用年限的庫容曲線見圖2。

7 結論

通過南溝門水庫泥沙淤積運行方式的研究，可以得出：

（1）在多泥沙河流上修建蓄水工程后，泥沙淤積可減少水庫的調節(jié)庫容，影響水庫的工程效益發(fā)揮，為此，要采用合理的水沙調度運行方式，減少調節(jié)庫容的淤積量，以保持水庫長期使用。

（2）以水庫達到泥沙淤積基本平衡狀態(tài)時的淤積高程，作為供水建筑物進水口的最低高程，為引水建筑物的設計提供基礎參數(shù)，以便更合理的進行水利樞紐工程的總體布置。陜西水利

[1]韓其為.水庫淤積[M].北京:科學出版社,2003,40～80.

[2]韓其為,何明民.水庫淤積與河道演變的一維數(shù)學模型[J].泥沙研究,1987,(3),9～15.

[3]夏雙喜.多沙河流水庫一維水沙數(shù)學模型研究及應用[D].西安理工大學碩士學位論文，2008,3.