水库运行管理方式对水库积淤的影响研究

谭志国 乌苏市兴禹水利工程建筑有限公司

1.工程概况

北方某大（一）型水库正常蓄水位1820.00m，库容为21.29亿m3，死水位1770.00m，死库容为8.69亿m3。水文资料表明，该水库多年悬移质输沙量为2983万吨，推移质输沙量为382吨，库沙比为84.73，属于泥沙问题较为严重的水库。由于地区降水量分布极不均匀，泥沙分配也表现为极不均匀的特征，其中丰水期6-8月水库净流量为68.5%，悬移质泥沙输沙量占比为89.9%。根据现场测量，得到悬移质泥沙以粗粉土、中细砂和粗砂为主，占比分别为51.3%、48.4%和0.3%，推移质泥沙主要由粗沙、砂石和卵石组成，其占比分别为12.7%、16.5%和70.5%。

为确保该水库顺利运行与泥沙淤积不相矛盾，针对该水库拟定了2种调度运行模式，研究对不同调度运行模式下的泥沙淤积特征进行了详细研究，其中2种水库调度运行参数见表1所示。

表1 水库拟采用的调度运行方式

2.水力模型设计

定模型的水平比尺为λL，垂直比尺λH，变率为5。研究表明，当研究对象设施对河道泥沙运行为主要研究对象时，模型的变率宜选定为2～5，本文模型变率为5，选定的参数对垂直方向的动力和动态有一定的影响，但是依据其他学者研究结果显示，选定变率为5时，水利模型试验能够反映水库泥沙淤积的实际变化情况。流速比尺为10，流量比尺为50000，糙率比尺为0.963，水流时间比尺为50。

水力模型中泥沙模拟需要分别对悬移质泥沙和推移质泥沙进行模拟，选定密度ρ=1.45＊103kg/m3的电木粉为模型沙，依据相似原则，分别确定悬移质泥沙和推移质泥沙的水力相似参数见表2所示。

表2 泥沙水力相似参数

3.试验成果分析

3.1 淤积演变过程特征

坝后泥沙淤积演化过程随运行时间之间的演化关系见图1。从图中可以看出，水库在不同运行方式下，坝后泥沙淤积三角洲演化规律相似，均表现为随着运行时间的推移，泥沙淤积三角洲逐渐向大坝靠拢，且泥沙淤积三角洲顶端淤积高程与坝前水位基本相同，泥沙淤积三角洲尾部高程与下游河段地势高程基本一致，呈现出较为明显的过度特征。对比观察图1和图2中不同运行方式下水库坝后泥沙淤积三角洲差异不难发现，前50年运行过程中，2种不同运行方式下泥沙淤积三角洲差异较为明显，其中运行方式1下淤积三角洲顶端距离大坝约为16km，顶端高程达到1813m；运行方式2泥沙淤积三角洲顶端距离大坝约为6km,顶端高程约为1770m。水库运行后50年中，2种水库运行方式一致，均为汛期低水位，非汛期高水位，此运行阶段中，泥沙淤积三角洲演变趋势逐渐趋于一致，当运行100年结束时，泥沙淤积三角洲顶端逐渐推移至坝前，淤积高程约为1770m,基本达到水库低水位界限值。观察2种不同运行方式，可以得出水库的初步的泥沙淤积平衡年限为90年。

图1 坝后泥沙淤积演化特征

3.2 淤积形态特征

坝后特定断面处泥沙淤积特征见图2。由图2可以得到，水库按照方式1运行调度时，坝后特定断面泥沙淤积面在前50年呈现逐渐上升状态，且在该运行方式下泥沙淤积面高程超过断面下陷地势面，在后50年的运行调度下，泥沙淤积面逐渐降低至断面下陷地势面，逐渐与该地势面融为一体。水库按照方式2运行时，在该特征断面处泥沙淤积面逐渐与断面下陷地势面融为一体，泥沙淤积特征面在运行期呈现逐渐上升的趋势。对比2种不同运行方式，可以得出运行方式1下，泥沙更容易产生淤积。

图2 坝后特定断面泥沙淤积特征

3.3 库容及预计量特征

分别计算不同运行方式下水库的库容特征值和淤积量特征，见表3。对比2种不同运行方式下各个特征水位及泥沙淤积参数，可以得出：水库分别在方式1和方式2下运行50年时，方式1比方式2泥沙淤积增加了3233万m3,由此说明运行方式1下泥沙淤积程度更为严重，导致水库在方式1下运行时，水库正常蓄水位以下泥沙淤积量增加2308万m3，死水位以下泥沙淤积量增加14564万m3，调节库容泥沙淤积量增加12284万m3，由此直接说明方式2对减少水库泥沙淤积有明显的促进作用。当水库在2种方式下运行100年时，此时2种运行方式下泥沙淤积程度相差不大，但是整体而言也表现为方式2淤积程度较方式1更小。由此进一步说明当保持汛期低水位、非汛期高水位运行时，水库淤积程度更小，更有利于水库运行过程中排沙。

表3 2种运行方式的库容与淤积量特征（104m3）

综上所述，不同运行方式下水库的泥沙淤积演化特征、泥沙淤积形态特征与水库淤积程度均表现出明显的差异性，对比运行方式1和运行方式2水库泥沙淤积特征，认为汛期低水位、非汛期高水位更有有利于降低水库泥沙淤积程度，增加水库排沙能力，研究为该水系中水库运行方式提供参考。

4.结论

（1）水库运行前50年，在按照方式1进行水库调度时，坝后泥沙淤积三角洲距离大坝距离较远，顶端高程较大；按照方式2进行调度时，坝后泥沙淤积三角洲距离大坝较近，顶端高程较小；后50年，方式1和方式2泥沙淤积三角洲演化特征一致，泥沙淤积三角洲顶端逐渐向大坝靠近，顶端高程逐渐趋于水库汛期低水位。

（2）方式1运行下，前50年泥沙淤积面逐渐上升，最高面超过特征断面地势面，后50年泥沙淤积面逐渐降低，最后趋于该断面地势面；方式2运行下，泥沙淤积面逐渐上升至该断面地势面。

（3）水库运行前50年，方式1淤积程度较方式2更为明显，水库运行后50年时，2水库淤积程度逐渐趋于一致；水库按照方式2调度运行时，水库淤积程度小，排沙能力强。