丹江口水库汉江干流库区淤积分析

章厚玉,林云发,杨德安,高玉杰,毕 勇,魏 琼

(长江水利委员会水文局汉江水文水资源勘测局,湖北丹江口 442700)

1 丹江口水库基本概况

1.1 库形特征

丹江口水库 1968年蓄水运用后,改变了原来天然河道的水沙输移特性,入库水、沙输移受人工控制,形成丹江、汉江 2大库区。2个库区沿程宽、窄相间,湖泊型库段与河道型库段相间的库形特征(见图1)。其中汉江库区内郧县、老均县 2库段最宽分别达3.6～6.0km,最窄仅为370 m(郧县小西天);丹江库区淅川、李官桥 2库段最宽分别达3.5～10.0km,最窄仅为248 m。蓄水运行后,正常蓄水位 157 m(吴淞)时,总库容为174.5×108m3,总库面积为745km2,其中汉江库区回水长177.4km,库容 94×108m3,库面积为380km2;丹江库区回水长 85km,库容80.5×108m3,库面积为365km2。

1.2 调度运行特点

丹江口水库正常蓄水位为吴淞 157 m,秋汛防洪限制水位为152.5 m(8月21日至 9月30日)、夏汛为149 m(6月21日至 8月20日),设计低水位为139 m。自 1968--2003年蓄水运用 36 a,其坝前历年最高平均水位152.6 m;历年最低平均水位138.8 m。不同水位级对应的库容与面积见表1。

图1 丹江口水库平面示意图Fig.1 The map of Danjiangkou Reservoir

表1 丹江口水库初始水位与面积、库容数据统计表Table 1 Statistical data on water level,area and storage capacity of Danjiangkou Reservoir

2 汉江干流库区纵向淤积分布特点

2.1 纵向累计淤积量分析

江汉干流库区 1968-2003年蓄水运用 36 a,沿程累计冲淤量列于表2。从表2中沿程冲淤量分布可归纳如下特点。

表2 汉江干流库区沿程累计淤积量统计表(1968--2003)Table 2 Statistics of accumulative sediment deposition in Han River reservoir area from 1968 to 2003

2.1.1 淤积分布呈两头少、中间多的分布特点

从表2中知,距坝 159.5～177.4km库长17.9km的库尾段,蓄水运用 36 a来,其历年累计淤积量还冲刷0.01×108m3;距坝 0～37.3km的坝前段,蓄水运用 36 a来也只淤0.59×108m3;而距坝37.3～159.5km库长 122km的中间库段内,同期共淤10.28×108m3,占汉江干流库区同期总淤积量的94.7%,可见汉江干流呈两头少、中间多的纵向淤积分布特点。

2.1.2 淤积分布受坝前防洪限制水位 152.5 m控制

从表2中知,距坝 159.5～177.4km库长17.9km的库尾段,自 1968年蓄水运用至今,该库段的历年累计淤积量都是冲刷;而距坝159.5km以下库段,历年累计淤积量都呈淤积,可见距坝159.5km处为纵向累计淤积量分布的冲淤临界部位,而距坝159.5km处正是坝前防洪限制水位152.5 m汉江干流库区对应的回水末端,这个蓄水运用 36 a来的纵向淤积分布的特点表达出,汉江干流库区的纵向淤积分布,受坝前防洪限制水位152.5 m所控制,152.5 m库水位以上库段累计淤积是负值,即冲刷;152.5 m水位以下库段沿程是累计性淤积。

2.2 汉江干流库区纵向淤积形态分析

汉江干流沿程纵向淤积形态大致分成 3段:悬移质输沙动平衡库段、悬移质重点淤积库段、冲泻质异重流淤积库段。具体分析如下。

2.2.1 悬移质输沙平衡库段

现将汉江干流库区 1960--2003年,沿程深泓点淤积高程纵剖面点绘于图2。

图2 汉库干流库区沿程深泓点淤积纵剖面图Fig.2 Profile of deposition elevation along the talweg in Han River reservoir area

距坝91.95～159.5km,库长67.55km,目前已属悬移质输沙动平衡库段。图2显示出一个锯齿状的纵向淤积分布形态,图中峰尖(凸部)为顺直、宽浅段深泓点高程,累计淤积较多;峰谷(凹部)为弯道段及深潭部位深泓点高程,累计淤积较少。由于本库段已进入悬移质输沙动平衡阶段,且其库形条件中顺直段与弯道段部位不变,纵向淤积形态也将不会改变。随着库水位运用高低、入库来沙的多少,2大造床期内,其峰尖、峰谷冲淤高程仍有变化,但已是周期性的冲淤变化。由于平衡库段的2大造床期内冲淤基本相近,也不会再产生明显的累计性淤积。

2.2.2 悬移质重点淤积区库段

距坝91.95～37.3km库长54.65km,本库段为悬移质重点淤积库段。库段内,距坝78.95～84.67km为安阳小湖泊区,湖面最宽 2km;距坝56.7～78.95km为狭谷段;距坝56.7～37.3km为老均县大湖泊区,湖面最宽 6km。从图2中可看出,本库段内 1960--2003年的深泓点沿程淤积纵剖面形态示,呈似驼峰形,中间狭谷段淤积相对少,淤积高程较低;上首安阳小湖区深泓点淤积较高;下首老均县大湖区的深泓点淤积更高。由于上首库段1988年后已进入悬移质动平衡库段,所以,本库段从上世纪 90年代至今淤积发展较快,河槽内现在已处中细沙淤积区。本库段内距坝74.7km为石灰窑强制性弯道段,蓄水后至上世纪 80年代与蓄水前夕相比都处冲刷状态,成为汉江库区纵冲剖面淤积形态不连续的间断点。从90年代至今,随着淤积的向下发展在各级库水位条件下都现已回淤,见图3中石灰窑狭谷弯道处深泓点示意图。

图3 汉江干流库区强制性狭谷弯道段深泓点高纵剖面变化图Fig.3 Longitudinal profile of talweg elevations with canyons and curved channels in Han River mainstream reservoir area

2.2.3 冲泻质重点淤积区库段

距坝37.3km至坝前为狭谷段,该库段为冲泻质异重流淤积库段,属水库淤积的早期淤积阶段,库段内,不论建库前是顺直、弯道、分汊或宽窄型,其横断面都呈平淤形式,纵向深泓点淤积纵剖面都较规则,纵向呈线性坡降形态(见图2)。

3 横剖面淤积塑造特点

3.1 横断面的形态塑造的4个阶段

横断面淤积塑造过程大致可分成先后 4个阶段。

第1阶段为无槽平淤或相似形淤积阶段,今以距坝95.1km的汉库 26断面为例,并点绘于图4。汉库 26断面建库前是个分汊型宽浅断面,建库后逐年淤积塑造成单一河槽的顺直过渡断面,如图4中1967--1976年线示,此时段内,属蓄水早期的空库淤积阶段,挟沙能力较小,淤积物以悬移质中的细泥沙为主,入库小水小沙时,浑水充不满断面,呈扩散状淤积。淤积形式都是先淤老河槽。此阶段内不论是什么河型,都呈平淤或相似形淤积形态,不显新河槽的槽形。

图4 汉库 26分汊断面淤积图Fig.4 Sedimentation at Hanku cross-section No.26

第2阶段为塑槽淤滩阶段,如图4中 1982年线示。随着淤积的发展,断面挟沙能力逐渐增大,新的动力轴线也随之形成,河床显示出了新的槽位,从而使断面淤积滩、槽分明,横断面的淤积总是先槽后滩的塑造过程。由于新槽位挟沙能力增大,两岸挟沙能力相应减小,两岸边滩的淤积速度也随之加快。

第3阶段为槽平衡阶段,呈稳槽固滩阶段。如图4中 1988年线示,此阶段后期,河槽的挟沙能力已基本恢复,河槽已进入悬移质输沙动平衡阶段,河槽搅动已出现冲淤平衡现象,河槽内粗化交换明显,两岸边滩仍显累积性淤积,滩顶的淤积高程,受坝前防洪限制水位152.5 m所控制。经塑槽淤滩及新槽平衡二阶段后,滩、槽部位在正常水位运用下已基本稳定。目前,汉江干流库区距坝 75～91.95km库段内的横断面淤积塑造属第3阶段,见图5(图5为汉库 20断面,距坝 80km)。

第4阶段为滩平衡阶段,即滩、槽全断面动平衡阶段,见图4中 1988 2001年线示,此阶段中,滩、槽淤积都处於悬移质输沙动平衡阶段,当横断面进入动平衡阶段后,断面上仍会出现滩、槽冲淤现象,但其淤滩与冲槽的冲淤量大致相当。

图5 汉库 20多汊断面淤积图Fig.5 Sedimentation at Hanku cross-section No.20

3.2 横断面的形态塑造特点

3.2.1 单一河槽的塑造特性

不论建库前是顺直、弯曲、分汊、宽窄等等河型,建库后,经水库淤积重新造床后,都呈单一河槽河型。单一河槽的形成有两个因素。首先,水库蓄水后形成的单一河槽,也是汛期坝前防洪限制水位152.5 m所对应的动力轴线,经第3阶段槽平衡的稳槽固滩后,横断面的单槽部位在正常运用水位条件下稳定。其次,汛、枯期 2大造床期都在同一河槽内进行,因为枯季消落期是水流归槽现象,即归在汛期河槽内。与天然河道水流规律不同,水库中,水流在弯道段,无论是大水还是小水都同走一个河槽,见图4、图6示,断面形态都由分汊河型淤积塑造成单一河槽河型。即使如距坝80km的汉库 20断面,见图5示,建库前属多汊河段,建库后也都塑造成单一河槽。

图6 汉库 14宽阔断面淤积图Fig.6 Sedimentation diagram at broad cross section of Hanku No.14

3.2.2 淤积重新塑造的断面形态都很典型、规则

建库后,丹江口水库汉江干流库区横断面,不论是弯道段或开阔段,最终沿程都淤积塑造成 2种单一河槽的河型,即弯道型与顺直过渡型沿程相间的河型 ,且新淤积塑造的2种河型断面都较典型、规则。现举例说明。

如图4汉库 26断面,建库前是分汊河段,且是著名的篓子滩断面,图5汉库 20断面,建库前是多汊的鹅头形弯道断面,也是安阳浅滩河段。建库后,经水库淤积都重新塑造成单一河槽的顺直过渡段断面。又如图7是距坝121.4km的汉库 36断面,建库前虽为弯道顶断面,却不是弯道型断面形态,主槽在中间,无凸岸边滩,建库后,逐年淤积塑造成典型的弯道型断面 。又如图8,距坝92.85km的汉库 25断面 ,同样为弯道顶断面,但建库前凸岸边滩不显,滩、槽差小,建库后,都重新淤积塑造成典型规则的弯道顶断面,凸岸边滩发育,弯道顶点旁岸,滩、槽差明显增大。

图7 汉库 36弯道断面淤积图Fig.7 Sedimentation diagram at cross-section of Hanku No.36

图8 汉库 25弯道断面淤积图Fig.8 Sedimentation diagram at cross-section of Hanku No.25

3.3 横断面的淤积主要分布在两岸边滩

变动回水区沿程横断面淤积分布统计于表3。

表3 变动回水区沿程横断面淤积量分布统计表Table 3 Deposition statistics at cross-sections along the distance in the fluctuation backwater area

从表3中可以看出,1968 1997年共 30 a的蓄水运用以来,变动回水区沿程横断面的淤积分布,不论是顺直段或弯道段,也不论断面的宽窄,其横断面的淤积分布,都主要淤积在两岸(顺直段)或一岸(弯道段)边滩。表3中例举的6个断面的总淤积面积 51 926 m2,其中淤滩面积为45 771 m2,占88.1%;淤槽面积 6 155 m2,占11.9%。同一种河型,沿程随着回水影响程度的增大,其滩槽淤积量也增加,这种滩、槽淤积分布特点从图4至图8中各断面中可直观看出。

4 垂向淤积分布特点

丹江口水库1960 2003年沿程地形法电算高程与淤积量分布见表4。其主要分布特点分述如下。

表4 丹江口水库 1960--2003年高程与淤积量分布统计表Table 4 Deposition and elevation of Danjiangkou Reservior from 1960 to 2003

4.1 主要特征水位下的垂向淤积分布特点

从表4中可知,设计低水位 139 m下,全库共淤12.30×108m3,占全库总淤积量的76%,说明丹江口水库的垂向淤积分布中,其淤积量主要淤积在139 m下的死库容内。其中,汉江库区死库容内共淤11.02×108m3,占全库死库容总淤积量的89.6%,由此说明,139 m下死库容的淤积也主要分布在汉江库区内。

4.2 垂向淤积分布特点

表4中汉江库区内152.5 m水位下共淤13.80×108m3,而 157 m水位下共淤 13.89×108m3,则152.5～157m水位间略淤0.09×108m3,但152.5 m水位下的淤积量,仍占 157 m下总淤积量的99.4%,说明汉江库区的垂向淤积分布也主要分布在152.5 m水位以下。由此可见,丹江口水库汉江库区垂向淤积分布,受坝前防洪限制水位152.5 m所控制。

5 小结

综上所述,丹江口水库蓄水运用后,改变了原来的开然河道特性,其纵、横、垂三向淤积分布,都受坝前防洪限制水位152.5 m所控制,其因主要是:在正常水位运用年份内,汛期充水期,大水大沙的大造床期,都受坝前防洪限制水位152.5 m所控制,特大洪水超高水位运用时间极少。因此,汛期的防洪限制水位152.5 m,就成为历年水库运用中大造床期内固定的造床水位,也必然成为历年纵、横、垂泥沙三向淤积分布中的控制水位。

[1]章厚玉,杨德安,杨 建.丹江口水库变动回水区的泥沙冲淤规律研究[R].丹江口:长江水利委员会汉江局,2006.(ZANG Hou-yu,YANG De-an,YANG Jian.Sediment transport within varying backwater region of Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,2006.(in Chinese))

[2]张洪霞,林云发,周晓英,等.丹江口水利枢纽河床演变的研究[R].丹江口:长江水利委员会汉江局,2005.(ZHANG Hong-xia,LIN Yun-fa,ZHOU Xiaoying,et al.Channel evolution of Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,(in Chinese))

[3]杨克诚.丹江口水库汉江库区充水淤积的初步分析[R].丹江口:长江水利委员会汉江局,2005.(YANG Ke-cheng.Preliminary analysis on sediment deposition in Danjiangkou Reservoir[R].Danjiangkou:Hanjiang Bureau of Changjiang Water Resources Commission,2005.(in Chinese))