水庫泥沙淤積測量及斷面流速特性分析

杜亞平

(山西省水文水資源勘測總站運城站，山西 運城 044000)

0 引言

水庫的泥沙淤積關系著水庫的安全和壽命，淤積測量是研究水庫水文變化規律，保證水庫安全運行的重要基礎性工作[1]。水庫運行過程受庫區水勢和尾水影響，泥沙在水庫淤積是必然趨勢[2]。淤積不僅減少有效庫容，降低防洪能力，甚至嚴重影響水庫效益的發揮。本文通過開展龍渠水庫泥沙淤泥性形態和庫區典型斷面流速分布測量分析工作，進而掌握水庫淤泥特性。

1 工程概況及測量儀器

1.1 水庫現狀

龍渠水庫位于山西省晉城市沁水縣沁河干流上，是以城市生活和工業供水、農村人畜飲水為主，兼顧防洪、發電等綜合利用的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。水庫樞紐包括：攔河大壩、導流泄洪洞、供水發電洞和溢洪道等。龍渠水庫采用100年一遇洪水設計，2000年一遇洪水校核。正常蓄水位759.0 m，防洪高水位759.78 m，設計洪水位760.80 m，校核洪水位762.63 m，死水位728.2 m。

1.2 ADCP儀器

ADCP工作原理是采用收發兼容的聲學換能器，同一個換能器在發出一組超聲波后，等待接收從不同距離的水中懸浮顆粒發射回來的超聲波信號；然后分段接收不同距離水流的速度和方向。對于安裝在水面或海底的垂直方向發射的測量，通常會采用一種稱為底跟蹤的技術，在發射的途中遇到河底，會有一個很強信號的反射，用這種方法可以判斷是否測到了河底或水面。使用ADCP獲得斷面流速數據及水深等數據，完成淤積測量工作。

2 水庫淤積分析

通過測量斷面水深數據的采集工作，利用ArcGIS軟件生成水庫庫區的DEM數據，按照DEM庫容分析理論結合水庫淤積形態判別公式得到現狀、歷史庫容對比圖，見圖1。

圖1 歷史—現狀庫容變化對比圖

2.1 水庫淤積形態

水庫淤積形態判別指數計算采用式(1)：

a=V/(W·J)

(1)

式中：J為河道縱比降；W為總入庫沙量，m3；V為總庫容，m3。

歷史多年平均懸移質年輸沙量為264.9萬t，多年平均含沙量為5.54 kg/m3，多年平均推移質年輸沙量為39.7萬t。本此測量總庫容為37410.10萬m3(校核洪水位762.63 m)。帶入公式計算，計算值a為2.82，大于2.2，表示淤積形態為典型的三角洲淤積。

2.2 庫容數據對比分析

從圖1和庫容變化情況(表1)可以看出，水庫運行13年間，總庫容共減少了1989.90萬m3，相對原始庫容損失率達5.05%。圖表中還顯示有局部水位有庫容增加，具體為庫底高程由699.75 m降低至696.06 m，水位為715 m及720 m時，說明主河槽內存在局部沖刷現象，但總體表現為淤積狀態。

表1 庫容變化情況表

2.3 縱橫斷面分析

由表2可知，龍渠水庫淤積體形態為三角洲淤積。但在壩前0+000即斷面001處，主河槽淤積較為明顯，河底高差為1.213 m，這是由于龍渠水庫在距離大壩2.5 km處進入主庫區，主庫區淹沒范圍較大，有部分水下高坮被淹沒，高坮被主流沖刷至壩前所致，河道縱比降由0.242%變緩至0.241%。

表2 縱斷面數據對比表

龍渠水庫庫區屬于河道型水庫，干流河道屬于彎曲型河道，彎道較多，猶如一條蜿蜒盤旋的飛龍。在河道轉彎位置，彎道表層水流向凹岸一側運動，隨后潛入河底向凸岸運動，底層的水流運動相反，先向凸岸運動，隨后翻至水面向凹岸運動，因此河流彎道上呈現不同的淤積現象。凹岸，附近無泥沙淤積，甚至有略微沖刷現象，凸岸，淤積則較為明顯。

002斷面位于龍渠河支流出口處，主河槽稍有沖刷，兩岸有淤積，左岸淤積大于右岸。003、004、龍3斷面，有均勻沖淤變化。005和008斷面，左岸沖刷，右岸淤積。3斷面因位于沁河主流沖頂面，兩岸及河槽均有沖刷。分析表明，水庫有淤積又有沖刷，但淤積大于沖刷，總體為淤積趨勢。

2.4 典型斷面流場分布

選取典型斷面利用ADCP對原流場分布進行測量。數據采集過程包括開始河岸數據采集、河道斷面走航數據采集以及結束河岸數據采集，其中為了滿足數據分析要求，開始河岸和結束河岸需至少采集十組及以上數據，且在開始河岸和結束河岸采集時船只需盡量靜止在水面。利用測量數據繪制斷面流速等值線圖，繪圖結果見圖2～圖5。

圖2 斷面001流速分布圖

圖3 斷面004流速分布圖

圖4 斷面006流速分布圖

圖5 斷面008流速分布圖

由典型斷面流速等值線圖可知，典型庫區斷面流速分布整體偏小，主要流速大小分布在0.00 m/s～0.04 m/s，在斷面中只有部分區域出現流速大于此范圍，但整體數量較少，庫區流速較小原因主要是庫區內無流動水流產生，雖有發電供水存在，但對整體庫區流場大小影響較小。庫區河道斷面流速整體較壩前斷面流速大，流場變化較復雜，但河道斷面截面面積卻比壩前斷面截面面積小得多，這也是河道斷面流速偏大的原因之一。

3 結論

水庫蓄水是提高水資源利用率的有效方法，但泥沙淤積問題嚴重威脅水庫的使用壽命和功能的充分發揮。使用ADCP儀器測量對斷面淤積形態和庫容變化進行測量分析，繪制典型斷面流場分布圖，以期為龍渠水庫的合理運行及管理提供理論依據。龍渠水庫運行至今，經過13年時間，河床變形，河道比降變緩，總庫容共淤積1989.90萬m3，相對原始庫容損失率達5.05%，年均淤積量為153.07萬m3。同時，庫區河道流場變化較復雜，常年來沙使庫容減少，對水庫影響較大。為充分發揮水庫的綜合效益，應注重流域內的水土保持，減少上游水土流失，加強水庫泥沙淤積測驗工作，及時了解水庫庫容的損失及泥沙淤積分布規律，以制定水庫合理調水、調沙及庫區整治方案，保證水庫功能的正常運用，進而合理高效利用水資源。