某新建中型水库泥沙淤积及回水分析计算

吴泽华，朱 健

（上海千年城市规划工程设计股份有限公司淮海设计院,江苏 宿迁 223800）

1 工程概况

本次规划新建中型水库与现有中型水库联合调度,灌区优先利用原中型水库供水后,不足水量由新建水库调蓄供给,新建中型水库后,水库可供水量为991.4 万m3,全是灌溉供水,设计灌溉面积为2.48万亩。根据规划区内的用水要求和水库的开发条件,新建中型水库的开发任务是与现有中型水库联合调度供水,解决灌区新开发耕地和现有耕地农灌缺水问题。水库地理位置示意图见图1。

水库坝址以上控制径流面积55.1 km3,主河道长13.2 km,河道平均坡降47.7‰。水库坝址以上流域平均高程为2547 m。水库正常蓄水位为2147.0 m,相对应的库容为总库容1102.5万m3。该水库一旦建成,与现有水库联合供水调度,将成为灌区的控制性水源工程,加上其他水利工程,将使灌区形成“引、蓄、灌”工程体系,形成多水源联合调度、综合利用的灌区系统格局。因受水库地形地貌及地质条件的影响,水库来沙量大,经水文成果分析,水库建成后运行中泥沙淤积问题严重,并影响水库回水距离,本文通过现有水文成果及计算,对拟建中型水库进行泥沙淤积及回水计算分析,为水库设计施工及后期运行提供技术依据。

2 泥沙淤积分析

2.1 基本资料

由于该新建水库流域无泥沙观测资料,水库各断面泥沙量主要采用《土壤侵蚀现状图》来估算。根据现状图,新建水库坝址以上径流区内土壤侵蚀类型均有3种,水库径流区内侵蚀情况及综合年侵蚀模数见表1。

表1 研究方案

多年推移质输沙量占多年平均悬移质输沙量的比例,山区性河流取0.15～0.3,本流域取0.2。泥沙容重悬移质取1.3 t/m3,推移质取1.7 t/m3。故新建水库入库泥沙量=3.66/1.3+0.73/1.7=3.24 万m3/年,拟建中型水库入库泥沙量计算成果见表2。

表2 拟建中型水库各断面泥沙量计算成果表

2.2 淤积分析

（1）计算方法

拟建水库泥沙分析采用丹麦水利研究所（DHI）开发的水面线计算程序MIKE 11中所带泥沙输移模块（Sediment transport）进行分析计算,其计算方法及步骤为：

①确定库区泥沙淤积方式；②由水库来沙量推求水库淤积量；③由水库库容与坝前水深的关系推求水库所属类型,如湖泊型、山麓型、丘陵型、峡谷型水库,以此分析淤积分布采用的计算类型；④根据库区淤积方式、水库所属类型以及多年平均入库泥沙量,选择模型中的经验公式推算建库后不同频率水面线。

（2）计算结果

①累计淤积量

根据《土壤侵蚀现状图》推求拟建中型水库土壤侵蚀情况及综合年侵蚀模数,经计算,该水库年入库泥沙量为3.24万m3/a；逐时段计算得水库运行不同年份库区泥沙累积淤积量,见表3。从表中可以看出,水库运行10年库区泥沙总淤积量为32.4万 m3,运行20年库区泥沙总淤积量为64.8万m3,运行30年库区泥沙总淤积量为97.2万m3,运行50年库区泥沙淤积量为162.0万m3。

表3 拟建中型水库历年累计淤积预测表

图2 水库泥沙年累计淤积量曲线图

②坝前淤积高程

水库未来运行不同年份坝前淤积高程见表4。由表可见,随着水库运行年限的增加,坝前淤高不断增加,运行10 年后,水库坝前泥沙淤高了5.5 m,淤积高程为2093.5 m；运行20年后,水库坝前泥沙淤高了11.0 m,淤积高程为2099.0 m；运行30 年后,水库坝前泥沙淤高了16.6 m,淤积高程为2104.6 m；运行50 年后,水库坝前泥沙淤高了27.6 m,淤积高程为2115.6 m。

表4 拟建中型历年坝前淤高预测表

3 水库回水分析计算

3.1 淹没影响对象洪水标准

由根据项目建设征地和移民安置专业的要求,拟建中型水库淹没设计洪水标准为：

①耕地、园地淹没范围采用的设计洪水频率为P=20%（5年一遇洪水）；

②居民搬迁线采用的设计洪水为P=10%（10年一遇洪水）；

③林地、未利用地及其他地类淹没范围采用正常蓄水位；

④水库库区内的四级路采用的设计洪水频率为P=5%（20年一遇洪水）；

因此,回水分析计算洪水标准选用P=5%、P=10%、P=20%。

3.2 计算方法及边界条件

拟建中型水库回水分析采用丹麦水利研究所（DHI）开发的水面线计算程序MIKE 11水动力模块和泥沙模块进行分析计算,该软件是基于垂向积分的物质和动量守恒方程,即一维非恒定流圣维南（Saint-Venant）方程组来模拟河流或河口的水流运动状态。回水计算水库天然情况下和淤积20 年后不同频率的回水曲线,以坝址断面为起调断面对建库后的回水进行计算。

①控制断面布置

拟建中型水库各个控制横断面由2017 年实测数据通过ArcGIS 生成的 DEM地形图自动提取。处理中对于软件处理后局部不合理处进行修正。断面布置时遵循以下原则：为充分反映水库库区实际情况,在水库库区内布置不同距离的断面,并垂直于主河槽；尽量避开冲沟发育地段；对回水及淹没分析有关键控制因素的地段或工程建筑处加密布测横断面；回水影响不显著的坝前断面间距稍大些（保证能充分反映水库库区实际情况）,回水影响较大的库尾断面进行加密。

库区共布设156 个断面,其中水库左支流布设84 个断面,断面平均间距30 m,其中最大间距50 m,最小间距10 m；水库右支流总共布设72 个断面,断面平均间距30 m,其中最大间距50 m,最小间距10 m。水面线计算时,天然河道水面线直接采用所剖的横断面资料。建库后水库回水则考虑泥沙淤积的影响。综合水库应充分发挥效益,考虑淹没设计要求,建库后回水考虑淤积20 年后的回水,相应横断面根据水库泥沙淤积分析计算得到。

②洪峰流量及起调水位

本次回水分析的边界条件采用5 年一遇、10 年一遇、20 年一遇的洪水过程。建库前的起调水位由坝址断面的水位～流量关系插值而得,建库后的坝前起调水位根据调洪计算成果而得。并考虑建库后回水的两种最不利情况,流量最大和水位最高两种组合。水库不同频率洪峰流量及不同频率起调水位见表5。

表5 拟建中型水库不同频率起调水位表

③糙率率定

模型计算中天然河道糙率根据河床组成及岸边情况选择,与水文计算所选主槽糙率相同,建库后则采用0.030～0.040。

④回水末端处理

回水水面尖灭点以同频率下回水水面线不高于天然洪水水面线 0.3 m 范围内的断面确定,尖灭点水位水平延伸至天然河道多年平均流量的相应水面线相交处为淹没处理终点位置。

3.3 计算结果

根据上述边界条件,依据恒定非均匀流方程式,扩散波（Diffusive Wave）方程计算水库的回水,拟建中型水库回水成果见表6（只列出左支）淤积回水纵剖面成果见图3～图4。

图3 新建中型水库回水纵剖面成果图（左支）

图4 新建中型水库回水纵剖面成果图（右支）

表6 志黑水库回水成果表（左支）

取水库运行20年、10年和5年的河道断面,根据表6和图3～图4的水位成果值以及回水曲线、天然水面线趋势可知,同一流量对应的库区回水水位高于天然情况下的水位；水库建成后的洪水回水水面线距离坝址较近时趋势平缓,相反距离坝址越远越急陡；不同频率回水曲线相比,小频率较高频率回水水面曲线坡降陡,回水末端离库尾近[6],很显然随着泥沙高程和泥沙量的不断增加,对水库回水的影响越大。

4 结论

通过泥沙量计算和水库回水水面线计算可知,随着泥沙高程增加,泥沙淤积量增大,回水水面线相应抬高,水库淹没范围增大,会直接影响库区下游耕地、园地以及四级公路等,造成基础设施和农作物损害,进而造成经济损失,同时当泥沙高程增大时,清淤量增加,清淤难度和投资增大。因此水库在设计施工中要采取相应的拦沙措施,后期运行要定期或不定期进行清淤。