水庫建設對下游砂礫石推移的影響分析

許繼良 楊超 姜利杰

摘要：水庫的建設旨在蓄豐補枯，為人類社會發展保駕護航。水庫的運行調度改變了天然徑流分配，在不少水庫前期論證中，專家學者對水庫建設可能對下游造床造成的影響表示擔憂。以某水庫為例，以考慮粗化影響的砂礫石起動流速為標準，建立壩下特征斷面流量與不同粒徑砂礫石起動流速的相關關系;通過分析水庫建設前后特征斷面流速和流量的變化，提出水庫建設和調度影響較大的砂礫石粒徑范圍，為類似項目提供參考。

關鍵詞：砂礫石推移;起動流速;水庫調度;水庫建設

中圖法分類號：TV121

文獻標志碼：A

據第一次全國水利普查統計數據，我國已建水庫大壩9.8萬余座，是世界上建造水庫大壩最多的國家，另有過流能力不低于1m3/s的閘、堰等水利設施27萬多座。這些水利工程在實現水資源開發利用的同時，也給河流生態環境帶來了一定的負面影響，特別是因水庫調蓄改變了下游的徑流過程，可能對下游砂礫石等河床質的推移造成影響。研究因水庫調度改變徑流從而造成的造灘影響，為工程建設和環境保護提供參考依據是十分必要的。

本文以在國家級風景名勝區上游建設的某水庫為例，從河床質級配、起動流速、水庫調度對徑流的改變等方面人手，淺析水庫建設對河床質移動及灘林的影響，為類似項目在分析思路、方法、結論上提供參考。

1砂礫石起動條件概述

目前，國內外學者對于砂礫石起動條件的表達方式主要有起動切力和起動流速兩種，二者既是統一的，也存在明顯的差異。起動切力具有明顯的物理意義，但由于難以獲得準確的河床坡度和床面切力資料，實際應用時相對困難。起動流速雖然作為間接的起動因子，但由于其在天然河流中易于觀測，起動流速的表達方式也因此得到更為廣泛的應用。自20世紀60年代以來，我國廣大學者從不同角度研究了砂礫石起動的特點與規律，建立了不同的起動流速表達式，如竇國仁、華國祥、唐存本、秦榮昱、陳媛兒和謝鑒衡、韓其為、冷魁等人的研究成果，為河勢演變分析提供了較大的參考價值。

一般來說，天然河道中的床沙為非均勻沙，尤其是山區卵石河道，坡降陡、流速大、顆粒級別寬，床沙的最大粒徑與最小粒徑相差可達數千倍。在天然河道中，河床的沖刷與粗化現象普遍，當河道水沙條件改變引起床面沖刷時都會出現粗化。如今泥沙界學者普遍認識到不均勻沙的起動輸沙過程也是床沙粗化過程。國內學者劉興年認為卵石河道沖淤計算中更應考慮補給條件不同對非均勻沙起動流速的影響，通過水槽實驗和野外實測.考慮床沙粗化及隱暴作用的起動流速，建立了起動流速公式，即式中，H為水深，m;d為床沙粒徑，m;d為床沙等效粒徑，m;y為水密度，kg/m3;y.為床沙密度，kg/m3;D為水的運動粘度，m2/s;g為重力加速度，m/s2。

通過研究國內相關文獻，筆者認為式（1）適用于該水庫下游河床的砂礫石起動流速計算。

2實例分析

2.1特征斷面河床砂礫石起動條件分析

某規劃水庫位于某流域上游，流量總面積2436km2，規劃水庫集水面積312km2，水庫下游為國家級風景名勝區，風景區灘林分布眾多。根據地質勘察，下游河道主要是石質河床和卵石河床，也有少量的沙質河床。考慮水庫對下游斷面洪水的影響大小，選取距離壩址下游約2.2km的斷面進行分析。該河流砂礫石成分為中酸性火山巖，次圓一次棱角狀為主，粒徑以20～100mm為主，少數150～20mm，局部見漂石，漂石粒徑最大可達1000mm以上。該水庫壩址表部和上部砂礫卵石層顆粒級配曲線分別見圖1和圖2。

基于以上分析，選取起動流速公式計算不同粒徑下的起動條件。由于計算斷面流量在水庫工程調度過程中運用更為廣泛，因此通過繪制特征斷面的水位一流量關系曲線（見圖3），可將起動流速與流量對應起來，成果見表1。由表1可知，隨著砂礫石粒徑的增大，該斷面砂礫石起動所需的流量也越來越大。

2.2水庫建設后斷面流速變化

根據壩址下游河道行洪特性，采用非恒定流計算方法對河道行洪進行分析演算。水利計算模型上邊界取壩址斷面為流量邊界，下邊界取已建供水工程攔河壩為水位邊界，區間洪水作為旁側人流匯人，模型計算河長48km。采用長系列54a逐時計算（水文系列1961～2014年），針對特征斷面選取了3個典型年進行分析（見圖4）。從計算成果分析可知：①從選取的典型年和計算斷面流速分析，水庫下游流速基本在4m/s以下。②從長系列計算成果來看，水庫建設后對下游河道流速的影響主要集中在1.5m/s以下的流速區間。水庫建設后較建設前低流速的占比減少，高流速的占比增加。③從豐、平、枯3個年份來看，水庫建設對豐水年河道水流流速影響較小，對枯水年流速影響較大。水庫建設后調豐補枯，下游河道水量增加，流速也較建設前提高。

綜上，水庫建設后對下游水流流速的影響較小，在枯水期更是提高了下游水流流速。

2.3水庫建設對礫石輸移的影響分析

根據地質調查，該水庫壩址以下河道砂礫石成分主要為中酸性火山巖，粒徑以20～100mm為主，少數150～200mm。根據起動流速分析成果，壩址下游典型斷面砂礫石粒徑在20～100mm的起動大致流速在1.33～2.57m/s之間，相應的流量在160～960m3/s之間。

（1）從流速角度進行分析。1.5m/s以上流速占比小，水庫運行調度對該段流速影響小。由于水庫泄放生態流量要求，水庫建設后增加了斷面1.3m/s流速的時間。因此水庫運行調度可能會增加下游20mm左右砂礫石的推移，但由于粗化現象的存在，影響可能更小。

（2）從流量角度進行分析。壩址下游特征斷面的區間面積約271.9km2，區間20a一遇設計洪水為2790m3/s，5a一遇設計洪水為l570m3/s，2a一遇洪水約1040m3/s，常遇洪水約400m3/s。根據表1中的成果分析可知，發生常遇洪水時，可使特征斷面粒徑40mm的砂礫石起動;遭遇2a一遇洪水時，基本能使粒徑在100mm以下的砂礫石起動;遭遇5a一遇洪水時，基本能使溪口斷面粒徑在140mm以下的砂礫石起動;而遭遇20a一遇洪水時，可使該斷面河床大部分砂礫石起動推移。隨著更多支流的匯人，特征斷面以下規劃水庫控制面積所占比例也會越來越小，區間洪水越來越大，可推斷水庫對下游砂礫石的起動也基本無影響。

3結論

（1）水庫建設和調度改變了天然徑流分配，可能會對下游造床產生影響。本文以砂礫石起動流速的經驗公式為標準，結合特征斷面的水位一流量關系，建立特征斷面的砂礫石粒徑一起動流速一起動流量關系;再通過長系列水文資料計算分析水庫建設前后下游特征斷面的流速變化，通過比較水庫建設前后的流速和流量，初步判斷水庫建設對下游不同粒徑的砂礫石推移影響。筆者認為在缺少資料的條件下，該方法可為決策者在水庫前期論證過程中提供一定的參考依據。

（2）在實際中，砂礫石遷移的影響因素較多，砂礫石運動的隨機性也較大。對下游有造灘需求的水庫，建議在保證下游防洪安全的基礎上，可定期通過水庫下泄，形成人造洪峰，提高下游河道水流流速，增加砂礫石運動的可能性。

參考文獻：

[1]竇國仁，論泥沙起動流速[J].水利學報，1960（4）：44-60.

[2]華國祥，泥沙起動流速[J].成都工學院學報，1964（1）：1-12.

[3]唐存本.泥沙起動規律[J].水利學報，1963（2）：1-12.

[4]秦榮昱，王崇浩，河流推移質運動理論及應用[M].北京：中國鐵道出版社，1996.

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[6]韓其為，何明民.泥沙運動統計理論[M].北京：科學出 版社，1984.

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