水库泥沙淤积及其对工程运用的影响

水库泥沙淤积及其对工程运用的影响

□马翠丽1□张建2□万占伟2

（1河南省水利勘测设计研究有限公司；2黄河勘测规划设计有限公司）

摘要：为分析泥沙淤积对白水水库库容及死水位选择的影响，对水库来水来沙和淤积形态进行计算分析，设计水库淤积形态，从而确定坝前淤积高程、死水位和水库淤积后有效库容。为了工程更安全的兴利运用，采用锥体淤积形态设计。根据设计成果，白水水库运用50a后，库区淤积泥沙187.78万m3，坝前淤积高程为1 218 m，正常蓄水位下有效库容约1 094万m3。综合考虑泥沙淤积、灌溉效益、库区淹没影响及工程投资等主要因素，确定水库死水位为1 226 m，为工程规模论证提供依据。

关键词：水库泥沙淤积；水库库容；死水位

0 引言

由于近年来气候变化异常，我国西南地区遭遇历史罕见的特大旱灾，城乡居民生活、农业灌溉和工业用水均无法保障，急需推进水利基础设施建设，新建一批大中小型水库工程。而水库要保证一定的使用年限、更好地发挥效益，工程设计时需要考虑泥沙淤积引起的一系列问题如库容损失、淤堵取水口、水质恶化、加重维护成本等。田海涛等对中国内陆115座水库淤积情况进行统计分析，截止到2003年水库库容年均淤积率为0.76%，相当于每年损失一座库容42.30亿m3的超大型水库，其中，中小型水库比大型水库淤积严重［3］。龚朝蜀和刘家应先后对乌江渡水电站实测泥沙淤积特点与成因进行研究，并与原设计进行对比，发现水库运行初期坝前出现严重泥沙淤积的原因主要为上游来沙增多、泥沙较细且河道比降较大易产生异重流、坝前施工围堰拦淤、水库初期低水位运行、排沙洞底高程较高实际排沙率很小等，水库实际为带状淤积形态，提出原设计的失误和不足，为水库工程泥沙设计总结了经验和教训。水库泥沙淤积量和淤积形态对水库有效库容、特征水位、水库回水长度及取水口位置影响很大。因此，工程规模论证时必须考虑入库泥沙及泥沙淤积问题，以保障水库使用年限，更好发挥工程效益。

1 白水水库淤积设计

1.1 白水水库基本情况

白水水库位于北盘江右岸一级支流西泌河上游支流白水河上，坝址位于普安县江西坡镇黄泥田村附近，坝址以上集雨面积42.66 km2。工程区距离普安县城约11 km，距离江西坡镇约5 km。

水库的建设任务主要是为解决普安县城乡生活、工业用水以及农田和茶园的灌溉用水。设计最大坝高50.00 m，总库容1 343万m3，正常蓄水位1 246.40 m，对应库容1 276万m3。白水水库属Ⅲ等、中型水库。

1.2 水库泥沙设计条件

1.2.1 库区河道特征

白水水库坝址以上集水面积42.66 km2，蓄水区河道平均比降为10.50‰。正常蓄水位1 246.40 m下，库区平均河宽约300 m，坝址上游约1.30 km处河道束窄，河宽不足100 m，从束窄处向上游左右岸均有支沟汇入，河道又展宽，最大河宽达500 m，平均河宽约300 m。

1.2.2 入库水沙特征

白水河流域属典型的山区雨源型河流，径流由降水产生，径流特性与降水特性基本一致，径流年内分配不均，洪、枯变化较大。根据邻近乌都河流域草坪头水文站资料分析，5-10月径流量占全年的85%左右，其中6-9月占全年的70%左右，11月至次年4月占全年的15%左右。年最小流量多出现在每年的3月和4月。

白水河流域属无资料地区，无水文站、雨量站和气象站。根据集水面积、下垫面因素及地理位置与设计流域的关系，本次设计选用邻近流域拖长江草坪头水文站作为水文计算参证站。水库坝址径流采用水文比拟法计算。坝址以上流域多年平均降雨量1 500 mm，多年平均径流系数0.51。草坪头水文站集水面积1 085 km2，控制流域多年平均降水量1 304.4 mm，多年平均径流量6.94亿m3，多年平均径流系数0.49。经计算，白水水库多年平均径流量为3 266万m3，多年平均流量为1.04 m3/s。

白水河流域无实测泥沙资料。流域内开垦度一般，植被较好，但由于流域内陆势陡峭，水土流失较为严重。泥沙主要来源于暴雨对坡面的侵蚀以及洪水对河床的冲刷。根据贵州省悬移质输沙模数分区图，白水水库所在流域悬移质输沙模数为500～1 000 t/km2区域边缘，输沙模数比较大。根据邻近流域乌都河草坪头水文站实测泥沙资料统计，草坪头水文站多年平均悬移质输沙模数为945 t/km2，结合白水河流域地形地貌、下垫面条件，确定白水河流域悬移质输沙模数为1 000 t/km2，年均悬移质输沙量为4.27万t；为安全考虑，推移质输沙模数按悬移质输沙模数的20%计算，则年均推移质输沙量为0.85万t。因此，水库坝址处多年平均年输沙总量为5.12万t。

1.3 水库淤积形态设计

1.3.1 泥沙淤积量

白水水库为蓄水运用，以满足附近城镇生活用水和农业灌溉用水等，未设置排沙洞，难以排泄入库泥沙，根据Brune的水库多年平均拦沙率经验曲线，计算水库悬移质拦沙率为93%，按最大不利设计，入库泥沙全部拦淤库区。水库淤积计算年限分别按20a和50a进行水库淤积设计。悬移质泥沙和推移质泥沙干容重分别按1.30 t/m3、1.80 t/m3，水库运行20 a、50 a累计拦沙体积分别为75.11万m3、187.78万m3。

1.3.2 水库淤积形态及坝前淤积高程

1.3.2.1 纵向淤积形态

白水水库无防洪任务，水库汛期限制水位为正常蓄水位。水库泥沙淤积形态主要受上游径流变化和水库运用方式影响。在汛期5-10月，当水库来水大于生活、灌溉和河道生态用水要求时，水库蓄水运用，控制水库水位不超过正常蓄水位；当水库蓄水达到正常蓄水位且入库流量大于用水需求时，水库按来水量下泄，发生大洪水时水库敞泄运用；当水库来水小于生活、灌溉和河道生态用水要求时，水库按综合要求下泄水量。在非汛期11-4月份，水库蓄水兴利运用，利用正常蓄水位和死水位之间的调节库容对入库径流过程进行调节，满足供水目标要求。根据水库蓄水运用方式可知，白水水库高水位维持在正常蓄水位运用，除了上游来水较少为了维持下游灌溉和河道生态等的用水需求才会降低水位下泄水量。

水库泥沙淤积形态分别采用清华大学和陈文彪、谢葆玲经验公式进行计算判断。

清华大学水库泥沙淤积形态经验公式：

式中：a——水库泥沙淤积形态判别指数；V——总库容，m3；WS——年均悬移质入库沙量，m3；J0——河道比降，?。经计算a=3.8，大于2.2，白水水库为三角洲淤积形态。

另陈文彪、谢葆玲公式：

当φ＞0.04，为三角洲淤积；当φ＜0.04，为带状淤积。式中为库水位变化程度，Δh为水库历年平均坝前水位变幅，m；h为水库历年平均坝前水深，m；根据水库正常运行期运用方式表征入库水沙条件，WS是多年平均年入库悬移质沙量，m3；W为多年平均年入库水量，m3。经计算φ＞0.05，判断白水水库为三角洲淤积形态。

但是，据调研贵州省已建和规划设计的水库纵剖面多为带状沿程均匀淤积，最终形成锥体淤积形态。因此，下面分别按三角洲和锥体淤积设计，并对设计成果进行比较。

根据入库淤积量和库区地形、横断面测量数据，计算库区泥沙淤积体各段的淤积厚度和淤积面比降，进行铺沙试算。随着水库运行年限增加，锥体形态与三角洲形态设计的坝前淤积高程变化幅度增加，锥体形态坝前淤积高程较大，对水库兴利运用来说是一种不利的淤积形态，而且白水河径流年内分配不均，洪枯季变化较大，会影响水库初期的运行水位。为保证水库能按规划的兴利任务运用，提供更多的兴利库容，并汲取乌江渡水库淤积设计教训，白水水库淤积形态设计成果采用锥体淤积形态。

1.3.2.2 横向及支流淤积形态

库区泥沙横向淤积主要集中在天然河道主槽内，为水平淤积形态。库区最大支流位于库区左岸，距坝1.41 km，河长约2.76 km，比降大于干流，支流自身来沙量很小，泥沙淤积主要来源于干流倒灌，按水平淤积形态设计，淤积高程与库区入汇口处一致。白水水库淤积形态设计成果如图1所示。

图1 水库运行后泥沙淤积形态设计示意图

1.3.2.3 坝前淤积高程

白水水库运用20 a后，淤积泥沙75.11万m3，设计坝前淤积高程为1 212 m；运用50 a后，淤积泥沙187.78万m3，设计坝前淤积高程为1 218 m。

2 泥沙淤积对工程兴利运用的影响

2.1 水库有效库容

根据库区1：5 000地形图，量算得到水库原始库容曲线。水库运用后随着泥沙的累计淤积，有效库容在不断减少。根据水库运用20 a、50 a后设计淤积量及设计淤积形态进行断面铺沙，算得水库运用20 a、50 a后有效库容。水库运用20 a和50 a后正常蓄水位对应下的水库有效库容分别为1 205万m3和1 094万m3，库容损失主要发生在坝前区域。

2.2 死水位选择

白水水库为供水水库，不承担其他任务。因此，死水位的选择应考虑水库淤积、水工建筑物布置，取水要求、淹没范围、工程投资等因素综合确定。在满足各种要求的前提下，尽量选取较低的水位，以减少淹没和工程规模、节省投资。

根据水库淤积形态分析，水库运用50 a后坝前淤积面高程为1 218.00 m，根据建筑物布置，引水钢管的进口底高程为1 222.50 m，应低于死水位3.50 m，高于淤积面1.50 m。故初步确定死水位为1 226.00 m。

水库设计时死水位的选择还需考虑其他影响因素：如死水位对自流灌溉面积的影响、库区泵站及库尾桥梁、库区淹没范围和工程总投资等，确定水库死水位为1 226.00 m，根据原始库容曲线确定对应的死库容为214.40万m3。

2.3 合理性分析

为分析淤积设计成果和死水位的合理性及工程安全运行，水库泥沙按最大不利情况即全部水平淤积到坝前设计，根据水库原始库容曲线和泥沙淤积量，推算水库运行50 a坝前水平淤积高程为1 224.00 m。因此，工程选取的死水位是安全合理的。

3 结论

泥沙淤积是水库工程设计时必须考虑的问题，特别是没有排沙设施的水库工程。水库泥沙淤积形态与天然河道比降、上游来沙量、泥沙颗粒级配、水库运用方式及泄洪排沙设施进水口高程等诸多因素密切相关，难以做出精确计算。白水河属于少沙河流，本次设计采用经验公式进行的铺沙试算进行淤积设计。对于多沙河流，应采用物理和数学模型模拟库区泥沙输移和沉积，结合经验模型和现状工程实际调查成果，为工程设计提供更可靠的研究成果。虽然白水水库所在流域不属于多沙区，但水库属于中小型水库，库容有限。为了保障水库的使用寿命，发挥最大的社会效益，建议水库上游及库区周围加强水土保持工作，减少水土流失。此外，水库设计时，经济投资允许时，增加排沙设施、拦沙堰等工程措施减少水库泥沙淤积，从而延长水库库容使用年限。此外，我国西南地区现有水库测淤资料较少，建议多开展现有水库泥沙淤积测验工作，为新建水库工程提供更可靠的参考数据。

参考文献：

［1］刘孝盈，吴保生，于琪洋.水库淤积影响及对策研究［J］.泥沙研究，2011(6)：37-40.

［2］郜国明，谈广鸣，李涛.多沙河流水库泥沙研究展望［J］.浙江水利科技，2014(5)：42-46.

［3］谢金明，吴保生，刘孝盈.水库泥沙淤积管理综述［J］.泥沙研究，2013(6)：71-80.

中图分类号：TV145

文献标识码：B

文章编号：1673-8853（2017）04-0077-03

收稿日期：2017-01-05

编辑：刘长垠 邢博辉

作者简介：马翠丽，（1979-），女，中级工程师，硕士，从事水文泥沙研究与河流规划治理。