北东洲水库泥沙淤泥预测模拟研究

任秀芳

(山东省费县水利局，山东 费县 273400)

0 引 言

泥沙淤积问题已经成为水库使用过程中的突出问题。泥沙淤积会造成水库库容减小、影响水库调节能力，制约水库灌溉、防洪、供水、发电效益的发挥，甚至造成水库功能丧失甚至破坏等后果[1-3]。水库泥沙来源主要和上游河道流域范围内的表土侵蚀、冲刷，与流域植被、坡度、气象等因素关系密切。水库工程建设完成后，水深增大、水流减小，降低了河道携带泥沙的能力，从而造成水库不断淤积[4-6]。因此，及时查明水库现状，预测水库淤积情况，以便于及时采取治理措施是十分必要的。

1 北东洲水库概况

1.1 水库概况

北东洲水库位于山东临沂费县北东洲村，坝址以上控制流域面积292km2，总库容8248×104m3，库容5913×104m3。流域属于浅山丘陵区，干流平均坡度9.72‰。水库主坝为黏土心墙砂壳坝，坝顶高程213.3m，防浪墙顶高程214.5m，大坝全长1530m，溢洪道设有7扇弧形钢闸门，闸门尺寸为10×8.5m，底高程201.0m，门顶高程209.5m。

1.2 泥沙概况

北东洲水库为山区型水库，流域泥沙变化特性突出，不同时期水土保持治理程度不同，水的含沙量变化较大。主要表现汛期含沙量大，冬春季节含沙量小；年平均含沙量与最大含沙量差值较大，近年来由于上游植被覆盖增大，水土保持较好，河流、水库含沙量有所降低。北东洲水库上游梯级塘坝的建设，推移质淤积物拦截在上游，基本很少进入水库，因此主要分析悬移质情况。下港站悬移质输沙率年统计表，见表1。

表1 下港站悬移质输沙率年统计表

3 淤积数据测量

采用传统的手段和方法测量水库库容和水库淤积量时存在的较多的缺陷。为了提高测量精度，采用GPS定位、回声探测，结合水下地形测量手段，测量北东洲水库的现状库容以及淤积情况。测点采用等间距、高密度的覆盖方式。通过现场实际测量获取高精度的测量成果，利用三角形构网方法，对测量区域进行覆盖计算，获取每个三角柱的体积以及淤积体体积，通过叠加，获取整个区域的淤积情况和库容结果。

2009年5-7月采用GPS定位系统对北东洲水库进行淤积测量，根据1973年5月山东省水文总站实测库区地形图对比，北东洲水库水位-库容-淤积量关系表，见表2；北东洲水库水位-库容-淤积量(2009年)关系表，见表3。

表2 北东洲水库水位-库容-淤积量关系表

表3 北东洲水库水位-库容-淤积量(2009年)关系表

通过北东洲水库流域上游悬移质输沙率监测资料，根据实测水库淤积资料，设置各种控制情景方案，推导情景模拟水库淤积变化。水库淤积量拟合曲线，见图1。

按照水位185-209m淤积量测量数据进行拟合结果如下：

General model Gauss3:

f(x) =a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2)^2) +

a3*exp(-((x-b3)/c3)^2)

Coefficients (with 95% confidence bounds):

a1 = 7.539 (3.215，11.86)

b1 = 2.345e+006 (2.305e+006，2.384e+006)

c1 = 1.597e+005 (1.09e+005，2.104e+005)

a2 = 201.6 (198.8，204.4)

b2 = 2.243e+006 (1.599e+006，2.886e+006)

c2 = 4.454e+006 (-8.907e+005，9.799e+006)

a3 = 22.76 (-53.29，98.82)

b3 = 2.074e+004 (-9.869e+005，1.028e+006)

c3 = 8.087e+005 (-3.116e+005，1.929e+006)

Goodness of fit:

SSE: 6.293e+005

R-square: 0.9993

Adjusted R-square: 0.9987

RMSE: 250.9

图1 水库淤积量拟合曲线

根据该拟合方程，经计算求得：

水位 186.038m处淤积量250000m3，水位 186.882m处淤积量300000m3，水位 187.179m处淤积量320000m3，水位188.259m处淤积量410000m3，水位189.008m处淤积量500000m3，水位189.590m处淤积量600000m3,死水位190.60m处淤积量819890m3。

水库死水位以下淤积量占总淤积量的35%。

发生暴雨时，悬移质输沙率变化较大，但持续时间不长，随后输沙率基本相对稳定，同时水库暴雨径流与泄洪同步进行，而一般降雨时不是同步泄洪。因此，泥沙淤积可以采用平均输沙率模拟预测。水库水位-库容-淤积量关系表，见表4。

表4 水库水位-库容-淤积量关系表

续表4 水库水位-库容-淤积量关系表

按照兴利水位209m预计量比对，年淤积65131m3。根据1996—2000年监测的输沙模数平均值177t/ km2，则水库年淤积为51684t,两者出现偏差的主要原因为1996年前的输沙模数>177t/km2,1996年之前北东洲水库上游不断加大植树造林，修建塘坝，水土保持效果明显，因暴雨等产生的泥沙淤积明显减少。因此，1973—1990年水土流失较重，而之后较低，以后会处于相对平稳水平。

在模拟泥沙淤积采用2009年之前情况，除非发生特殊自然灾害，实际发生淤积值不会高于模拟情况。

4 水库泥沙淤积模拟

以2010年为基准年，模拟2015年水库水位-库容-淤积量关系，见图2。

图2 模拟2015年水库水位-库容-淤积量关系

以2010年为基准年，模拟2020年水库水位-库容-淤积量关系，见图3。

图3 模拟2020年水库水位-库容-淤积量关系

以2010年为基准年，模拟2030年水库水位-库容-淤积量关系，见图4。

图4 模拟2030年水库水位-库容-淤积量关系

由于水库流域植被增加，水土保持发挥功效，降雨产生的泥沙减少，减少了水库泥沙淤积，2010年以后，按照以后各年的淤积减少5%、10%、20%、25%。以2010年为基准年，模拟这三种情况下的2030年水库淤积情况，年淤积减少10%、20%、25%模拟2030年水库淤积，见表5。

表5 年淤积减少10%、20%、25%模拟2030年水库淤积

续表5 年淤积减少10%、20%、25%模拟2030年水库淤积

5 结 论

以北东洲水库为研究对象。通过实测水库1976年、2009年泥沙淤积及库容情况，利用Gauss3模型进行拟合分析，获取不同水位下的泥沙淤积情况。水库死水位以下淤积量占总淤积量的35%。随着水库流域范围内植被覆盖率增大，泥沙淤积量减少，规划年泥沙淤积情况逐渐好转。