水库泥沙淤积分析及库容测量

吕 敏

（辽宁省丹东水文局，辽宁丹东118000）



水库泥沙淤积分析及库容测量

吕 敏

（辽宁省丹东水文局，辽宁丹东118000）

摘要：基于国内外研究进展，结合流体力学、水动力学、泥沙淤积理论，对水库泥沙淤积情况进行分析。并研究了泥沙淤积厚度与回水抬升之间的关系，采用平均断面法对水库库容进行计算，希望为今后水库淤积研究提供理论参考。

关键词：水库；淤积；库容；回水抬升

水库是我国抗洪抗旱过程中的重要水利设施，现有供水量的35%都由水库提供［1］。库容-水位关系曲线是水库安全调度重要依据，库容计算的准确度直接关系到水库和发电机组的安全运行。研究表明，各类水库病害中，水库泥沙淤积最为严重，特别是水库尾部的淤积，其导致库容减小，降低了水库的可利用率［2～3］。大量的泥沙淤积不仅会引起回水抬高，还会导致内涝、水位增加等灾害，因此研究水库泥沙淤积问题具有重要意义。

虽然在水库竣工时对水库容量进行了测量，但随着水库底部泥沙淤积，水库底部的地形不断发生变化，初始测量数据已经失效，需要对水库库容进行重新测量，以保证水库的安全运行。

二维泥沙输运方程表明，大粒径砂砾在水库尾部沉积，二维模型可以准确的模拟泥沙沿水深、河宽的运动规律［4］。基于国内外研究进展，结合流体力学、水动力学、泥沙淤积理论，对水库泥沙淤积情况进行分析。并研究了泥沙淤积厚度与回水抬升之间的关系，采用平均断面法对水库库容进行计算，计算结果满足规范要求。

1　泥沙淤积数学模型

泥沙运动求解主要利用水沙运动规律，在此基础上应用泥沙输运方程，对泥沙淤积与回水问题进行理论分析。依据SaintVenant定理，水库中的泥沙运动应该采用一维泥沙输运方程进行求解［5］。泥沙流动首先满足连续性方程：

式中：A—水库进口河流截面积，m2；Q—入库流量，m3/s；x—流动距离，m；t—流动时间，s。

其次，泥沙运动还满足动量方程：

其中：Z—水库水位，m；g—重力加速度，m3/s2；n—河流的粗糙系数；R—河流的水力半径，m。

水库底部变形方程：

其中：γ0—容重，kg/m3；Gsb—水库进口输沙率，kg/s；αsk—恢复系数。

计算水库淤积量前，首先要确定各参量的取值，淤积参数主要包括：粗糙率、沉降速度、挟沙系数、容重等。泥沙淤积速率：

取γs=2646kg/m3；γ=1335kg/m3；Q=0.02 m3/s；尾水水深H=0.44m；含沙量S =1kg/m3，运用有限差分法对水库淤积问题进行求解［6-7］。7h后的水库水位情况见图1。

由图1可知：泥沙经过7h的沉降后，在水平方向15～45m处已经出现了明显的泥沙淤积，30m出的淤积量最大。通过对比计算值和试验值，发现该模型计算结果基本精确，只是在沉积最大位置存在一定偏差。图2给出了7小时后的泥沙累积淤积量。

图1　7h后的水库水位情况

图2　7h后的泥沙累积淤积量

由图2可知：沿x轴方向，累积淤积量先快速上升，随后变成缓慢上升，拐点位于x=35m处。当x＞40m后，泥沙淤积量基本饱和。从试验值和计算值的对比情况看，两组数据间基本吻合，可见本文建立的水库淤积数学模型精确度较高。只是在x＞40m后两组数据有一定差异，测量值明显小于理论计算值，说明该计算模型只能用在淤积生长区。

2　库容淤积测量

由泥沙淤积数值计算可以得出，影响水库淤积的因素多种多样，因此需要对库容进行测量，以验证计算值的准确度［6～7］。从研究情况看，泥沙淤积与回水末端随时间的变化曲线十分类似，但是淤积起始点更靠近水库大坝。研究表明，水库泥沙淤积量取决于Jc/J0和h/H。图3水库三维地形分布情况。

文中的水库库容测量采用平均断面法，其计算式为：

图3　水库三维地形分布情况

其中：Vhi，i+1—两个相邻断面间水位为h时的库容量；Shi—断面在水位h以下的面积；Di，i+1—两个断面间的平均距离；N—断面总数。

利用上述方法对某水库进行库容测定，测量了不同高程下的总库容变化情况，并将测量数据与2004年的数据进行对比，计算出库容减少量和库容损失，具体计算结果见表1。

表1　水库库容变化情况

该水库的设计蓄水位为330m，原设计库容为25.8亿m3，2004年测量得到的库容为23.12 亿m3，2014年测量得到库容为21.84亿m3。水库运行10年间，库容一共减小了1.28亿m3，损失率高达5.55%。当水位为330m时，水库水深约为35m，水面宽度以300m计算，则由平面定位误差导致的库容量计算误差在0.35%左右。

该次测量的总库容包括测试区域和估算区域，对其进行准确度计算，发现断面距离的计算误差为2.8%，库容量的计算误差为9.8%，由于等高距为25m，因此许多复杂的地形区域在图3中不能清楚的表示，目前仍不能评估由此带来的计算误差。

3　结语

虽然在水库竣工时对水库容量进行了测量，但随着水库底部泥沙淤积，水库底部的地形不断发生变化，初始测量数据已经失效，需要对水库库容进行重新测量，以保证水库的安全运行。基于国内外研究进展，结合流体力学、水动力学、泥沙淤积理论，对水库泥沙淤积情况进行分析。并研究了泥沙淤积厚度与回水抬升之间的关系，采用平均断面法对水库库容进行计算，计算结果满足规范要求。

（1）泥沙经过7h的沉降后，在水平方向15～ 45m处已经出现了明显的泥沙淤积，30m出的淤积量最大，计算模型在沉积最大位置存在一定偏差。

（2）沿x轴方向，累积淤积量先快速上升，随后变成缓慢上升，拐点位于x=35m处。试验值和计算值基本吻合，是在x＞40m后测量值明显小于理论计算值，说明该计算模型只能用在淤积生长区。

（3）水库运行10年间，库容一共减小了1.28 亿m3，损失率高达5.55%。许多复杂的地形区域不能清楚的表示，由此带来的计算误差还有待进一步研究。

参考文献

［1］聂秋月，聂庆林，张谦厚，等.鲁北地区河流泥沙淤积分析及对策探讨［J］.泥沙研究，2011（01）：76-80.

［2］孙显忠，孔令来，张松涛.金沟河流域渠首枢纽泥沙淤积原因分析及治理［J］.水利技术监督，2011（01）：64-66.

［3］曹小武.深圳市东江水源工程取水口泥沙淤积分析及治理措施［J］.中国农村水利水电，2011（09）：15-17.

［4］肖敬光，刘心玲.吉林省中部城市引松供水工程丰满取水口泥沙分析［J］.水利规划与设计，2014（04）：22-25.

［5］丁曼，于德万.团山子水库泥沙淤积分析计算及防治措施［J］.水利规划与设计，2014（04）：34-37.

［6］于立，王鑫，南向东.3S测量技术在闹德海水库泥沙测量中的应用［J］.黑龙江水利科技，2014（03）：103-104.

［7］何文权.金沟河渠道泥沙磨损修补效益分析［J］.水利技术监督，2013（03）：29-31.

中图分类号：TV697

文献标识码：B

文章编号：1008-1305（2016）01-0084-03

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.029

收稿日期：2015-06-05

作者简介：吕 敏（1963年—），女，工程师。