汛期水位變化對水庫泥沙淤泥影響研究

田 贊

(四川華電西溪河水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

我國江河為社會(huì)的發(fā)展和民生需求帶了充沛的水資源，但在整體上仍存在著水資源分配不均的現(xiàn)象。一般情況下，夏季降雨較多，河流徑流量大，而秋冬季降雨較少，河流徑流量小，部分河流還會(huì)發(fā)生斷流的現(xiàn)象[1-2]。這一情況不能滿足全國人民的用水需求，所以常通過修建水庫的方式來對水資源進(jìn)行再次分配。通過水庫能夠?qū)恿鲝搅髁康募竟?jié)變化進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，蓄洪補(bǔ)枯，在最大程度上滿足民生、工業(yè)用水需求，發(fā)揮水庫的發(fā)電、灌溉、防洪等作用。然而水庫的修建也存在一些負(fù)面影響，如河流受到水工建筑的阻礙，其流速降低，水勢減緩，泥沙被水流所攜帶的數(shù)量大大減少，更多泥沙沉積在大壩等水工建筑物前[3-4]，并且泥沙的淤積會(huì)直接造成河道水庫庫容的減少，會(huì)在一定程度上降低水庫的興利庫容，直至水庫淤滿泥沙，對水庫的綜合效益造成了嚴(yán)重的影響。河道中淤積泥沙，會(huì)使洪水位不斷升高，擴(kuò)大了洪水帶來的危害性，同時(shí)會(huì)對水利工程的安全造成較大的影響，大大降低水庫使用壽命，提高了維護(hù)成本[5]。而汛期期間水流速度大，攜帶泥沙數(shù)量多，所以汛期的排沙十分關(guān)鍵。張金良等[6]提出了新的泥沙調(diào)控度指標(biāo)和汛期徑流調(diào)控度指標(biāo)，分析了某水庫的汛期水沙調(diào)控能力。侯素珍等[7]研究了控制水位和水庫敞泄這兩種方式在某水庫汛期排沙中的應(yīng)用效果，為水庫運(yùn)行方式的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。除此之外，水庫的運(yùn)行方式也會(huì)對其泥沙淤積造成較大的影響。

基于此，為了降低泥沙淤積對水庫造成的破壞程度，保證水庫的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，掌握水庫運(yùn)行方式和汛期水位變化對水庫泥沙淤泥的影響規(guī)律，依托水庫分別對正常蓄水位下水庫泥沙淤積過程和淤積量進(jìn)行模擬計(jì)算，分析水庫汛期水位變化與水庫泥沙淤積過程和泥沙淤積量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水庫泥沙淤積厚度會(huì)隨著汛期水位的降低而減小，能夠通過控制汛期水位的方式來降低水庫泥沙淤積厚度，為水庫運(yùn)行提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某水庫總庫容為22.52億m3，該水庫兼具灌溉、防洪、發(fā)電、蓄水等功能，主要功能為蓄水、灌溉和防洪，輔助功能為發(fā)電，根據(jù)水利工程等級水庫被劃分為大(1)型水利工程。水庫死水位和正常蓄水位分別為1772和1822m，對應(yīng)的庫容分別為8.7億和21.3億m3，31.85萬hm2為水庫灌溉范圍，能夠提供51.4億m3的灌溉用水量，22.52億kW·h為其平均多年發(fā)電量，正常情況下4.05‰為其庫區(qū)河床比降。該地區(qū)發(fā)電利用和灌溉用水在水庫建成后都得到了很大的改善。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水庫河床寬度范圍為255～445m，地形較為平緩，起伏不大。河床上部大部分是卵礫石與砂礫石，小部分夾有砂層透鏡體，河床基巖面在壩址處有從右向左傾斜的趨勢。

2 建立數(shù)值模型

2.1 設(shè)置運(yùn)行方式

為了確保水庫能夠正常運(yùn)行，起到興利和排沙的作用，擬定兩種水庫運(yùn)行方式，分別為：①運(yùn)行方式一：在水庫前50a，自5月時(shí)從1822m正常蓄水位開始降水，降水一個(gè)月，水位在6月份降為1815m，之后維持此水位直到9月中旬。從9月下旬逐漸進(jìn)行蓄水，水位慢慢提高到1822m后，保持正常蓄水位運(yùn)行，并維持此水位直至次年4月。在水庫后50a，自4月時(shí)從1822m正常蓄水位開始降水，在7和6月汛期內(nèi)控制水位，使其處于排沙水位1772m附近，從8月開始蓄水，同時(shí)于蓄水期間進(jìn)行排沙，在水位回升到1822m后維持此水位直到次年3月。②運(yùn)行方式二：100a期間運(yùn)行形式保持一致，都在4月時(shí)從1822m正常蓄水位開始降水，在7和6月汛期內(nèi)控制水位處于排沙水位1772m附近，另外保證水庫起到興利作用，從8月開始蓄水，在水位回升到1822m后維持此水位直到次年3月。

2.2 模型地形設(shè)置

采用水文工程模擬軟件來對水庫泥沙數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，上游50km至壩址為模型模擬范圍，建立模型的具體步驟為：第一步先建立DEM，然后在軟件中對模塊進(jìn)行處理，構(gòu)建要素圖層；第二步導(dǎo)出圖層數(shù)據(jù)；第三步將相關(guān)系數(shù)輸進(jìn)軟件中，如擴(kuò)散系數(shù)和曼寧系數(shù)等。

2.3 設(shè)置邊界條件

泥沙邊界條件和水流邊界條件為模型的主要邊界條件。通過輸入上游來沙條件來設(shè)置泥沙邊界條件，單位為t，通過含沙量和水流流量來對泥沙重量進(jìn)行計(jì)算。對于水流邊界條件，上、下游分別選擇流量和各工況時(shí)的水位來作為邊界條件。模型參數(shù)中河道各斷面糙率設(shè)置為0.027～0.044，模型如圖1所示。

圖1 模型示意圖

3 2種水庫運(yùn)行方式的泥沙淤積模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬的方式對2種運(yùn)行方式下水庫的泥沙淤積過程進(jìn)行計(jì)算，能夠得到不同運(yùn)行時(shí)間下的水庫淤沙高程變化趨勢，如圖2—3所示。

圖2 各年份水庫在運(yùn)行方式一下的水庫淤沙高程

從圖2—3中能夠得出，2種運(yùn)行方式下水庫泥沙的沉降淤積形態(tài)在整體上均表現(xiàn)為三角洲型，屬于較為典型的三角洲型淤積水庫。此種淤積形式發(fā)展速度快，在運(yùn)行10a時(shí)就呈現(xiàn)出較為明顯的三角洲型式淤積形態(tài)，隨著水庫運(yùn)行時(shí)間的增長淤積形態(tài)也更加明顯，同時(shí)洲頭逐漸向壩前靠近。除此之外，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，2種運(yùn)行方式下水庫泥沙淤積速度逐漸增大。這是由于，在水庫運(yùn)行50a內(nèi)時(shí)，泥沙三角洲還未堆積至壩址部位，在壩前的淤積量不大，深泓高程沒有發(fā)生較大變化，泥沙淤積厚度增大速度較小；而隨著水庫的持續(xù)使用，三角洲的坡頂慢慢靠近壩址部位，提高了壩前泥沙淤積速度，淤積速度最快區(qū)間為運(yùn)行80～90a，運(yùn)行方式一和運(yùn)行方式二在此10a間淤積新增厚度分別高達(dá)30.8和16.96m，深泓高程仍處于快速增大期，未達(dá)到平衡狀態(tài)。對比圖2和圖3能夠發(fā)現(xiàn)，在100a運(yùn)行時(shí)間下運(yùn)行方式一的深泓高程和淤積厚度分別為1744.7和82.3m，大于運(yùn)行方式二的1723.45和61.05m。除此之外，水庫壩址在第一種運(yùn)行方式下的泥沙淤積高程較大，會(huì)在很大程度上影響水輪機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)堵塞排沙底孔的情況，需要先打開排沙底孔泄水來避免排沙底孔被淤泥覆蓋。而水庫壩址在第二種運(yùn)行方式下的泥沙淤積高程較小，泥沙淤積不會(huì)對水電站進(jìn)水造成較大影響，在100a后排沙底孔仍會(huì)被堵塞，同樣需先打開排沙底孔泄水來避免排沙底孔被淤泥覆蓋[8]。對比之下，運(yùn)行方式二不會(huì)對水電站進(jìn)水口造成較大影響，更適合水庫的運(yùn)行。

圖3 各運(yùn)行年限水庫在運(yùn)行方式二下的水庫淤沙高程

圖4 運(yùn)行方式不同時(shí)淤損率對比圖

圖5 運(yùn)行方式不同時(shí)水庫庫容對比圖

圖6 運(yùn)行方式不同時(shí)泥沙淤積量對比圖

4 汛期水位對水庫泥沙淤泥的影響

以上述第二種運(yùn)行方式為基礎(chǔ)，通過調(diào)整汛期壩前水位的方式來分析汛期水庫泥沙淤積的變化趨勢，對后期運(yùn)行方案的優(yōu)化、水庫發(fā)電值的提高有重要意義。此次選擇2種計(jì)算方案來分析汛期水位變化對水庫泥沙淤泥的影響，第一種計(jì)算方案為初始方案，即上述運(yùn)行方式；第二種計(jì)算方式為在上述運(yùn)行方式下，把汛期壩前水位從1772m分別調(diào)整為1766、1769、1775和1778m，汛期外各月份運(yùn)行方式仍與原始方式保持一致。通過計(jì)算對比不同運(yùn)行方式下水庫泥沙淤積量和淤積過程的變化趨勢，分析水庫泥沙淤積受到汛期壩前水位變化的影響規(guī)律。通過模型計(jì)算，得出6、7月份汛期壩前水位為1766、1769、1772、1775和1778m，汛期外各月份和原始方案一致時(shí)，不同年份正常蓄水位下水庫淤損比、剩余庫容以及淤積量變化情況，具體如4—6所示。

對比正常蓄水位下不同運(yùn)行方式時(shí)的庫容淤損比、剩余庫容以及淤積量能夠得出，水庫泥沙淤積和剩余庫容的變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)為淤積量和庫容淤損比隨著水庫運(yùn)行時(shí)間的增長而增長；剩余庫容隨著水庫運(yùn)行時(shí)間的增長而降低。在水庫運(yùn)行時(shí)間相同時(shí)，其淤積量和庫容淤損率隨著汛期水位的增高而增大，即汛期水位越高，水庫的泥沙淤積量和庫容淤損率就越高；對應(yīng)的，隨著汛期水位的提升，水庫剩余庫容則呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。

將1766m的汛期水位作為標(biāo)準(zhǔn)，對比其余4種汛期水位的泥沙淤積量，發(fā)現(xiàn)1778、1775、1772、1769m所對應(yīng)的泥沙淤積增量分別為12425萬、8664萬、5529萬和2542萬m3，由此能夠得出，限制汛期水位能夠在一定程度上降低正常蓄水位以下泥沙淤積量。從5種汛期水位的泥沙淤積變化曲線圖中能夠得出，1766m為汛期水位時(shí)，水庫的淤積曲線最為平緩，泥沙淤積增加率較低。由此能夠推斷出，水庫在此種運(yùn)行方案下的泥沙淤積達(dá)到?jīng)_淤平衡狀態(tài)的速度更快。

5 結(jié)論

為分析水庫汛期水位對泥沙淤泥的影響，通過數(shù)值模擬的方式，設(shè)置2種運(yùn)行方式和5種不同的汛期水位計(jì)算水庫泥沙淤積變化過程，得出以下結(jié)論。

(1)水庫運(yùn)行時(shí)間相同時(shí)，淤積量和庫容淤損率隨著汛期水位的增高而增大；隨著汛期水位的提升，水庫剩余庫容呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。在100a運(yùn)行時(shí)間下運(yùn)行方式一的深泓高程和淤積厚度大于運(yùn)行方式，更適合水庫的運(yùn)行。

(2)將1766m的汛期水位作為標(biāo)準(zhǔn)，汛期水位為1778、1775、1772、1769m時(shí)對應(yīng)的泥沙淤積增量分別為12425萬、8664萬、5529萬和2542萬m3，故限制汛期水位能夠在一定程度上降低正常蓄水位以下泥沙淤積量。

(3)庫泥沙淤積量和淤積過程影響因素復(fù)雜，文章僅考慮了汛期水位變化及運(yùn)行方式的影響，其他因素等綜合因素并未考慮，因此結(jié)論需進(jìn)一步全面分析。