吉林省中部城市引松供水工程豐滿取水口泥沙分析

肖敬光 劉心玲

（吉林省水利水電勘測設計研究院 吉林長春 130021）

1 引松供水工程概況

吉林省中部城市引松供水工程位于吉林省中東部，由第二松花江干流及其支流飲馬河、伊通河以及東遼河和招蘇臺河組成，總面積約8.41萬km2，占吉林省總面積的45%。

工程主要建筑物由取水構筑物（豐滿水庫取水口）和輸水線路組成，輸水線路包括輸水隧洞、支洞（永久交通支洞、中間輔助支洞、臨時施工支洞）、輸水管道、交叉建筑物、附屬建筑物和加壓泵站等組成。

輸水線路總長 630.04km，包括輸水干線和輸水支線。輸水干線包括總干線、長春干線、四平干線和遼源干線。輸水支線為從干線或調節水庫至各水庫或供水城市的線路。

引松供水工程由豐滿水庫壩上取水，取水口位于豐滿水庫左岸壩上1.2km處，隧洞閘門井進水口底板高程為 231.60m，豐滿水庫死水位為242.00m，引水隧洞洞徑為7m。取水口位置如圖1所示。

圖1 引松供水工程豐滿取水口位置平面示意圖

2 豐滿水庫沙量分析計算

2.1 豐滿水庫簡介

豐滿水庫位于第二松花江干流吉林市豐滿區，水庫控制流域面積為42500km2，占第二松花江流域面積的58%，占哈爾濱以上松花江流域面積的11%，幾乎控制了第二松花江上游的全部山區面積，地理位置適中，控制條件較好，是一座以發電為主，兼顧防洪、灌溉、供水、航運、養魚等綜合利用的大型水庫，水庫按千年一遇洪水設計，萬年一遇洪水校核。庫區為狹長型河谷，回水長度為 180km，最大水面寬度為 10km，庫面面積598km2，水庫總庫容109.8億m3，其中調洪庫容22.02 億 m3。

2.2 豐滿水庫入庫泥沙分析

第二松花江流域是吉林省泥沙較少的一條河流。泥沙觀測最早的水文站為吉林站，始建于1935年。流域內現有26個測站進行河道懸移質泥沙觀測，干流測站4個，支流22個。

由于豐滿水庫是大（1）型水庫，其入庫水量組成較復雜，因此入庫泥沙的組成同樣比較復雜。豐滿水庫入庫泥沙組成包括以下幾個部分：紅石電站下泄沙量、輝發河干流來沙量、金沙河來沙量、蛟河來沙量以及松花江沿岸區間來沙量。本次豐滿水庫入庫泥沙分析共涉及水文參證站六處，其中紅石電站以上為漢陽屯和高麗城子，兩站控制紅石電站面積的 65.4%；紅～豐區間采用水文參證站三處，分別為五道溝、民立、蛟河，控制白～豐區間面積的 71.4%。豐滿水庫出庫沙量以電站下游的吉林站控制，吉林～豐滿區間面積占豐滿水庫面積的3.7%。

紅石電站位于豐滿水庫上游、白山電站下游，上距白山電站壩址39km。電站壩址以上控制流域面積為 20300km2，電站最大泄量 14700m3/s，水庫總庫容 2.29億 m3，其中防洪庫容 1.34億 m3，由于防洪庫容不大，在第二松花江的防洪體系中不參與調洪。

2.2.1 白山水庫入出庫沙量計算

白山電站壩址以上控制流域面積為19000km2，水庫總庫容 59.1億 m3，其中調節庫容 29.43億 m3。

由于紅石電站庫容較小，對洪水無調節作用，本次計算只考慮白山水庫對懸移質泥沙的攔蓄作用。首先根據白山水庫上游漢陽屯水文站和高麗城子水文站實測資料計算水庫的多年平均入庫沙量，然后根據經驗公式計算水庫下泄沙量，懸移質攔沙率計算采用多年平均庫容淤損率方法計算，計算公式如下：

式中：vα—多年平均庫容淤損率（%）；R—多年平均入庫沙量（m3）；V—總庫容（m3）；V正—正常蓄水位以下庫容（m3）；SRΔ—多年平均淤積量（m3）；W入—多年平均入庫徑流量（m3）。當＞0.5或無底孔情況時，K=m=1。白山水庫攔沙率計算成果見表1。

表1 白山水庫攔沙率計算成果表

經計算白山水庫攔沙率為83.5%。

豐滿水庫為特大型水庫，其總庫容大于白山水庫總庫容，從定性上分析其攔沙率應該大于白山水庫攔沙率。由于豐滿水庫出庫資料基本為實測資料，當已知白山水庫的攔沙率成果后，可以反推出豐滿水庫的攔沙率值，經過試算，白山水庫攔沙率取比計算值少15個百分點，即攔沙率取68.5%時，符合大型水庫淤積規律，因此本次計算白山水庫攔沙率采用68.5%。

白山水庫以上的推移質全部淤積在庫內，懸移質根據計算的排沙比泄入紅石水庫庫區，白山～紅石區間推移質全部淤積在水庫內，只計算懸移質沙量，兩者相加即為紅石電站泄入豐滿水庫的泥沙總量。紅石電站泄入豐滿水庫的泥沙總量成果見表2。

2.2.2 白山～豐滿區間泥沙計算

（1）五道溝站泥沙計算

五道溝站位于輝發河干流下游，該站實測泥沙換算為多年平均侵蝕模數為123t/km2，推移質輸沙量采用占懸移質輸沙量的20%計算。

（2）民立站泥沙計算

民立站位于金沙河下游，該站實測泥沙換算為多年平均侵蝕模數為175t/km2，推移質輸沙量采用占懸移質輸沙量的20%計算。

（3）蛟河站泥沙計算

蛟河站位于蛟河下游，該站實測泥沙換算為多年平均侵蝕模數為135t/km2，推移質輸沙量采用占懸移質輸沙量的20%計算。

五道溝水文站、民立水文站、蛟河水文站多年平均輸沙總量見表3。

（4）松花湖沿湖區間泥沙計算

松花湖沿湖區間多年平均懸移質年輸沙模數在 100～200t/km2之間。根據實測資料分析，本次計算沿湖區間輸沙模數采用150t/km2，推移質輸沙量采用占懸移質輸沙量的20%計算，沿松花湖河岸侵蝕及沖刷等入庫沙量采用占懸移質輸沙量的50%計算。松花湖沿岸多年平均輸沙總量見表4。

表2 紅石電站下泄泥沙總量成果表

表3 豐滿區間水文站多年平均輸沙總量成果表

表4 松花湖沿岸多年平均輸沙總量成果表

2.2.3 豐滿水庫入出庫泥沙計算

通過計算可以得出，豐滿水庫多年平均入庫總沙量為446.8萬t。水庫下游吉林站實測多年平均懸移質輸沙量為148.3萬t。由于豐滿～吉林站之間只有溫德河匯入且集水面積較小，并且溫德河上口前水文站有實測泥沙成果，因此可以算出豐滿水庫多年平均懸移質出庫沙量為128.2萬t。

根據豐滿水庫多年平均出庫泥沙成果（128.2萬噸）、多年平均入庫泥沙成果（446.8萬噸），反推出豐滿水庫攔沙率為 71.3%，略大于白山水庫攔沙率 68.5%。從定性上分析，豐滿水庫攔沙率大于白山水庫的攔沙率是較合理的，從定量上分析攔沙率計算結果也基本滿足輸沙量上下游的平衡關系。

3 取水口泥沙淤積分析

3.1 淤積形態類型

水庫淤積形態包括縱向淤積和橫向淤積形態，縱向淤積形態由淤積縱剖面形態表示，橫向淤積形態由淤積橫斷面形態表示。水庫淤積縱剖面形態一般有五種類型，即：三角洲淤積、帶狀淤積、椎體淤積、楔形體淤積（倒錐體淤積）、鋸齒狀淤積等。實際水庫的縱向淤積形態既有單一形式，又有復合形式，并在一定條件下淤積形態會發生轉型。

3.2 豐滿水庫縱向淤積形態分析

為了分析引松供水工程建成后，豐滿水庫的泥沙淤積對取水口的影響，本次對豐滿水庫取水口的泥沙淤積進行了分析研究。水庫淤積形態依據清華大學提出的淤積形態經驗公式判別，判別公式為：

式中：V—校核洪水位以下庫容（m3）；Ws—多年平均入庫沙量（m3）；0J—庫區原河道比降，以萬分率計。淤積形態判別系數為α，當α≤2.2時為錐體淤積，當α＞2.2時為帶狀淤積。豐滿水庫總庫容為108.9×108m3，多年平均入庫沙446.8×104t，淤積物的干容重取1.3t/m3，庫區原河道比降為1.5‰。豐滿水庫淤積形態計算成果見表5。

經計算，淤積形態判別系數α為 209，遠遠大于2.2，因此判斷為帶狀淤積。

帶狀淤積形態多出現在河道型水庫中，豐滿水庫屬于河道型水庫，庫區較長，大約有180km，河道的來沙大部分都淤積到庫尾，根據豐滿水庫建庫后1943～1958年觀測資料，經過16年的運行，水庫壩前20km范圍內最高只淤積0.2m厚，大部分泥沙都淤積到庫尾（見圖 2），分析資料及觀測資料均說明豐滿水庫是典型的帶狀淤積。該水庫的庫區形態、水沙特點及運用方式決定了水庫淤積的特點：淤積物自壩前一直分布到正常高水位的回水末端，呈均勻的帶狀淤積形態。第二松花江流域屬于少沙河流，豐滿水庫已經運行六十七年，未出現比較嚴重的泥沙淤積問題。

3.3 取水口斷面橫向淤積形態分析

為分析豐滿水庫庫區的泥沙淤積情況，豐滿水庫曾于1995年和2005年在庫區內實測庫區斷面圖。本次根據豐滿水庫實測大斷面位置布置圖，收集了引松供水工程取水口位置從下游至上游Cs1～Cs5斷面的1995年和2005年的實測大斷面。豐滿水庫壩前（取水口斷面）實測大斷面比較情況見圖3，Cs1～Cs5斷面262m下淤積成果見表6。挾沙水流進入庫區后，含沙量及級配沿斷面分布是不均勻的，主槽含沙量大，所以一般來說是以主槽淤積為主。從豐滿水庫1995年和2005年實測的大斷面圖及成果表所作的對比分析可以看出，水庫泥沙在壩前基本是處于沖淤平衡的狀態，Cs3～Cs5斷面主槽泥沙略有淤積，Cs1～Cs2斷面主槽基本處于沖淤平衡狀態。

表5 豐滿水庫淤積形態計算成果表

表6 1995年與2005年水庫淤積測量262m下斷面淤積成果表

圖2 豐滿水庫平均淤積厚度(1943～1958)

圖3 豐滿水庫取水口斷面2005與1995年成果比較圖

4 小結

對豐滿水庫入庫泥沙進行計算，得出了豐滿水庫的多年平均入庫沙量和攔沙率及淤積形態判別系數，通過分析可以得出豐滿水庫淤積形態為帶狀淤積，水庫來沙量大部分淤積在庫尾。

對水庫泥沙淤積觀測資料的分析，以及不同年代實測大斷面圖可以看出，豐滿水庫在壩前由于水流的沖擊作用，水庫泥沙在壩前處于沖淤平衡狀態，在取水口位置未發生淤積現象，引松供水工程取水口的運行受水庫泥沙沖淤的影響較小。

1 焦恩東, 于德萬. 水庫泥沙淤積分析計算及防治措施[J]. 吉林水利, 2009,( 1): 64-67.

2 任紅卓, 安新強. 中塬溝水庫泥沙淤積形態分析與計算[J].水利與建筑工程學報, 2010, 8(3): 166-169.