淺析雙塔水庫淤積形態分析

耿延軍

（甘肅省疏勒河流域水資源利用中心,甘肅 玉門 735211）

1 工程概況

雙塔水庫位于酒泉市瓜州縣城以東約48 km 的疏勒河干流中游段,是一座以灌溉為主,兼顧城鄉和生態供水、防洪、工業、發電、養殖等綜合利用的大（2）型平原水庫,壩址以上流域面積20197 km2,多年平均徑流3.41 億m3,平均流量10.82 m3/s,推移質年輸沙量9.34 萬t,懸移質年輸沙量186.9 萬t,多年平均含沙量6.263 kg/m3。雙塔水庫主要建筑物有：主壩、1#、2#副壩,輸水洞,1#溢洪道、2#溢洪道、泄洪渠、輸水渠等。主壩為粘土心墻砂礫石壩,壩頂長1040 m,壩頂寬10.0 m,最大壩高26.80 m。設計庫容2.4 億m3,調洪庫容1.325 億m3,灌溉調節庫容1.2 億m3。水庫經過60 年運行,淤積較嚴重,先后經歷4 次除險加固。在水庫上游24 km 處設有潘家莊水位站,有64 年的水文資料。根據離水庫最近的瓜州氣象站（1985 年～2014 年）多年觀測資料統計：多年平均氣溫9.3℃,多年平均降水量47.9 mm,多年平均蒸發量3300 mm。

2 入庫水沙資料

2.1 來水量分析

經對1952 年～2006 年的雙塔水庫水文資料分析,多年平均流量為10.82 m3/s,多年平均徑流量3.41 億 m3。疏勒河雙塔水庫壩址處水量各月分配狀況見表1。由表1 可見,汛期6 月～9 月入庫平均流量14.274 m3/s,入庫水量占全年水量44.2%。其中7 月、8 月兩月入庫流量較大,平均流量19.734 m3/s,入庫水量占全年水量30.88%,8 月入庫平均流量最大,為21.484 m3/s,入庫水量占全年水量16.8%。

表1 雙塔水庫設計年徑流年內分配成果表

2.2 來沙量分析

雙塔水庫上游來水發源于祁連山脈的疏勒河流域,距上游330 km 以下河流兩岸光山禿嶺,植被較差,水土流失較為嚴重,是泥沙的主要來源地之一；此外,河流出山以后,進入走廊平地,走廊平地荒漠戈壁廣布,在河水沖刷作用下河床深切,兩岸局部河段岸坡失穩塌落入河,也是河道泥沙的另一個來源。

疏勒河中下游的潘家莊水文站流域面積 18496 km2,據該站實測資料統計,多年平均懸移質輸沙率 59.2 kg/s,多年平均懸移質輸沙量 186.9 萬t,多年平均侵蝕模數為 101 t/（km2·a）。河道來沙主要集中于汛期,6 月～9 月懸移質輸沙量 163.7 萬t,占年輸沙量的87.6%,其中 7 月～8 月輸沙量 151.62 萬t,占年輸沙量的 81.12% 。

疏勒河潘家莊水文站實測泥沙資料各月分配狀況見表2。

表2 疏勒河潘家莊水文站月、年輸沙量表

雙塔水庫在潘家莊水文站下游24 km 處,之間地質變化不大,因此雙塔水庫壩址（流域面積 20197 km2）侵蝕模數采用潘家莊水文站實測的101 t/（k2·a）,計算壩址懸移質輸沙量為204 萬t。根據試驗測算,推移質按懸移質的25%得到雙塔水庫壩址處推移質輸沙量計算為 51.0 萬t,合計多年平均來沙量255 萬t。

懸移質泥沙干容重采用 l.3 t/m3,推移質泥沙干容重采用l.6 t/m3,計算得到雙塔水庫多年平均懸移質輸沙量為156.9 萬m3,推移質輸沙量為31.9 萬m3,年均入庫沙量為188.8 萬m3。

3 雙塔水庫的淤積形態分析

3.1 四次實測地形法測庫容入庫泥沙量

雙塔水庫自1960 年3 月建成蓄水至今,采取4 次（1960 年、1974 年、2005 年和2017 年）實測庫容曲線,根據雙塔水庫校核洪水位 1331.8 m 對應的總庫容,不同時期總庫容變化情況及不同時段年均庫內淤積量成果見表3。

表3 雙塔水庫歷次總庫容成果及不同時段庫內淤積量成果表

由表3 可見,雙塔水庫1960 年至1974 年15 年中年均庫內淤積量為 277.3 萬m3,1960 年～2005 年46 年中年均庫內淤積量為200.7 萬m3,1960 年～2017 年58 年中年均庫內淤積量為208.6 萬m3,沒有表現出一般水庫隨著淤積年限的增長庫內年均泥沙淤積量會由于排沙比的增大而逐步減少的規律；從三個不同時段庫內平均淤積量來看,1960 年～1974 年15 年中年均庫內淤積量為277.3 萬m3,1974 年～2005 年31 年中庫內年均淤積量163.5 萬m3,2005 年～2017 年12 年中庫內年均淤積量 239 萬m3,也無明顯的規律。

由于雙塔水庫近兩次的庫容曲線施測精度較高,2005 年～2017 年12 年中庫內年均淤積量 239 萬m3,達到較大的淤積量,從水庫防洪安全的角度綜合考慮,采用1960 年～1974 年庫內多年平均淤積量 277 萬m3,作為預測將來雙塔水庫庫容變化的庫內平均淤積量,這是以上各種時段中年均庫內淤積量最大的一個值。

3.2 雙塔水庫的淤積形態分析

3.2.1 橫斷面切割

雙塔水庫建成至今己有60 年,共有四次庫容成果,但前兩次庫容成果的基礎斷面和地形資料缺失,利用后兩次實測地形圖切割橫斷面。

雙塔水庫屬平原湖泊型水庫,河寬變化較大,切割有25 個橫剖面,庫尾橫25 斷面距離壩址為10.862 km,各斷面在雙塔水庫的位置分布見圖1,各斷面關系分別見表4。

圖1 雙塔水庫庫區橫斷面分布示意圖

表4 雙塔水庫各斷面情況表

雙塔水庫橫l 斷面原始河床高程 1305.0 m（采用壩下游最低地面高程數據）至庫尾橫25 斷面深泓點高程1332.23 m之間高差為 27.23 m,庫區原始河床坡降2.5‰。

（1）公式判定

①采用如下判別式,分析淤積形態:

式中：α為淤積形態判別參數,如α＜0.3,為錐體淤積；以α＞0.3,為三角洲淤積。V為總庫容,億m3。W為總入庫水量,億m3。

雙塔水庫截止2017 年9 月,總庫容12098 萬m3,壩址處多年平均總水量為34563 萬m3。

α=v/w=0.35,α＞0.3,為三角洲淤積形態。

②采用如下淤積形態判別式:

K=V/（WSJ0）,如K＜2.2 為錐體淤積,K＞2.2 三角洲或帶狀淤積。

式中：V為總庫容,萬m3；WS為年均總淤積量,萬m3；J0為庫區比降,萬分率。

總庫容為12098 萬m3、壩址年均總淤積量為238.83 萬m3、庫區比降為25.0,經計算水庫K=2.03＜2.2,為錐體淤積形態。

由以上兩個判別公式計算結果可見,計算結果接近臨界值參數,說明截止 2017 年9 月,雙塔水庫的淤積形態已由三角洲淤積形態基本轉化成錐體淤積形態。

（2）實測縱剖面判定

將表4 中2005 年9 月和 2017 年9 月各斷面深泓點連接成庫區淤積縱剖面,見圖 2。

從圖2 可見,雙塔水庫的淤積末端均位于距離壩址7492.38 m 的橫18 斷面及以后斷面,河槽有沖有淤,處于天然狀態。壩前沖刷漏斗位于橫3 斷面,2017 年的漏斗平底段高程基本與輸水洞底坎高程1315.4 m 齊平,長度約150 m,漏斗截止于1321.0 m 高程,垂直高度約5.0 m。庫區橫14～橫18 為三角洲頂坡段,橫11～橫14 為三角洲前坡段。隨著壩前淤積高程的逐步增大,雙塔水庫的整體淤積形態正向錐體淤積形態轉化,這與公式判定結果是一致的。

圖2 2005 年與2017 年淤積縱剖面對比圖

3.2.2 沖淤平衡分析

（1）平衡比降的計算

①類比法

采用具有實測資料的劉家峽水庫寺溝峽河段進行類比。這一河段的原始河床比降J0為 3.4‰,建庫后平衡比降J為1.1‰,J/J0=0.32。雙塔水庫庫區的原始河床比降為2.5‰,求得平衡比降J為0.8‰。

②采用公式J/J0=0.79×（30× 汛期平均入庫流量×J0）-0.17 計算,雙塔水庫汛期6 月～9 月平均入庫流量為14.4 m3/s,原始河床比降J0為2.5‰,求得平衡比降J為0.62‰。

③采用公式J/J0=0.79×（壩前水深×多年平均入庫流量×J0）-0.17 計算,截止 2017 年9 月,雙塔水庫壩前水深為14.3 m,多年平均入庫流量為10.96 m3/s,原始河床比降J0為 2.5‰,求得平衡比降J為 0.71‰。

綜合以上三種方法成果,確定雙塔水庫的平衡比降為0.62‰。

（2）造床流量

目前國內在實際工作中計算造床流量的方法很多,常用的有馬卡維也夫法、平灘水位法和2 年一遇洪峰流量法。本次造床流量的計算采用2 年一遇洪峰流量法進行計算,雙塔水庫2年一遇洪峰流量為66.8 m3/s,因此造床流量為66.8 m3/s。

（3)沖淤平衡分析

如前所述,雙塔水庫的淤積末端位于距離壩址7492.38 m的橫18 斷面，橫18 斷面的河床高程為1328.94 m,截止2017 年9 月,水庫壩前主槽淤積高程為1322.30 m,壩前至橫18 斷面的區間比降為0.89‰。經測算,當壩前主槽淤積高程達到1323.6 m 時,此區間河槽底部比降正好是 0.71‰,與分析確定的雙塔水庫平衡比降 0.71‰一致。由此可見雙塔水庫主河槽己接近沖淤平衡。但壩前主槽淤積高程由 2005 年的1321.94 m 淤高至2017 年的1322.3 m 用時12 年,每年僅淤高0.03 m。即使不考慮今后水庫排沙比會逐步增大的影響，壩前主槽淤積高程達到1323.6 m 還至少需要43 年。

綜上,雙塔水庫主河槽沖淤平衡正逐步形成,處于發展塑造中。

3.2.3 淤積上延判斷

（1）公式計算

（2）縱橫斷面套繪

①縱剖面套繪

圖2 中2005 年與2017 年縱剖面套繪成果表明,雙塔水庫運行60 年來,淤積末端沒有超過橫18 斷面,發生“翹尾巴”現象。雖然水庫在前40 年運行中（2000 年之前）,最高運行水位都低于正常蓄水位1330.3 m,但在后20 年接近正常蓄水位運行中,橫18 斷面以后各斷面河槽有沖有淤,沒有形成淤積上延的狀況。

②橫斷面套繪

選取庫區末端的橫18 斷面和橫20 斷面,利用2005 年9 月和2017 年9 月實測庫區地形圖切割兩個典型斷面,并將兩個時段的兩個斷面分別套繪,見圖3 和圖4。從套繪圖來看,自2005 年～2017 年的12 年中,庫尾橫18 斷面和橫20 斷面沒有發生主槽位置、高程的明顯遷移變化,橫20 斷面的右岸坡有局部沖刷塌落現象。其它橫斷面套繪結果與兩個典型斷面基本一致。

圖3 橫18 斷面2005 年與2017 年實測套繪圖

圖4 橫20 斷面2005 年與2017 年實測套繪圖

綜上分析,雙塔水庫由于運行水位變幅很小,基本不會發生淤積上延問題。

4 結語

本文通過公式法和實測縱剖面對平原水庫淤積形態進行判定,便于在水庫實際運行管理中適時采用沖淤方法,延長平原水庫的使用壽命,對同類水庫管理有一定的借鑒作用。