吉林省中部城市引松供水工程丰满取水口泥沙分析

2014-09-03肖敬光刘心玲

水利规划与设计 2014年4期

关键词：悬移质沙量白山

肖敬光刘心玲

（吉林省水利水电勘测设计研究院吉林长春 130021）

1 引松供水工程概况

吉林省中部城市引松供水工程位于吉林省中东部，由第二松花江干流及其支流饮马河、伊通河以及东辽河和招苏台河组成，总面积约8.41万km2，占吉林省总面积的45%。

工程主要建筑物由取水构筑物（丰满水库取水口）和输水线路组成，输水线路包括输水隧洞、支洞（永久交通支洞、中间辅助支洞、临时施工支洞）、输水管道、交叉建筑物、附属建筑物和加压泵站等组成。

输水线路总长 630.04km，包括输水干线和输水支线。输水干线包括总干线、长春干线、四平干线和辽源干线。输水支线为从干线或调节水库至各水库或供水城市的线路。

引松供水工程由丰满水库坝上取水，取水口位于丰满水库左岸坝上1.2km处，隧洞闸门井进水口底板高程为 231.60m，丰满水库死水位为242.00m，引水隧洞洞径为7m。取水口位置如图1所示。

图1 引松供水工程丰满取水口位置平面示意图

2 丰满水库沙量分析计算

2.1 丰满水库简介

丰满水库位于第二松花江干流吉林市丰满区，水库控制流域面积为42500km2，占第二松花江流域面积的58%，占哈尔滨以上松花江流域面积的11%，几乎控制了第二松花江上游的全部山区面积，地理位置适中，控制条件较好，是一座以发电为主，兼顾防洪、灌溉、供水、航运、养鱼等综合利用的大型水库，水库按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核。库区为狭长型河谷，回水长度为 180km，最大水面宽度为 10km，库面面积598km2，水库总库容109.8亿m3，其中调洪库容22.02 亿 m3。

2.2 丰满水库入库泥沙分析

第二松花江流域是吉林省泥沙较少的一条河流。泥沙观测最早的水文站为吉林站，始建于1935年。流域内现有26个测站进行河道悬移质泥沙观测，干流测站4个，支流22个。

由于丰满水库是大（1）型水库，其入库水量组成较复杂，因此入库泥沙的组成同样比较复杂。丰满水库入库泥沙组成包括以下几个部分：红石电站下泄沙量、辉发河干流来沙量、金沙河来沙量、蛟河来沙量以及松花江沿岸区间来沙量。本次丰满水库入库泥沙分析共涉及水文参证站六处，其中红石电站以上为汉阳屯和高丽城子，两站控制红石电站面积的 65.4%；红～丰区间采用水文参证站三处，分别为五道沟、民立、蛟河，控制白～丰区间面积的 71.4%。丰满水库出库沙量以电站下游的吉林站控制，吉林～丰满区间面积占丰满水库面积的3.7%。

红石电站位于丰满水库上游、白山电站下游，上距白山电站坝址39km。电站坝址以上控制流域面积为 20300km2，电站最大泄量 14700m3/s，水库总库容 2.29亿 m3，其中防洪库容 1.34亿 m3，由于防洪库容不大，在第二松花江的防洪体系中不参与调洪。

2.2.1 白山水库入出库沙量计算

白山电站坝址以上控制流域面积为19000km2，水库总库容 59.1亿 m3，其中调节库容 29.43亿 m3。

由于红石电站库容较小，对洪水无调节作用，本次计算只考虑白山水库对悬移质泥沙的拦蓄作用。首先根据白山水库上游汉阳屯水文站和高丽城子水文站实测资料计算水库的多年平均入库沙量，然后根据经验公式计算水库下泄沙量，悬移质拦沙率计算采用多年平均库容淤损率方法计算，计算公式如下：

式中：vα—多年平均库容淤损率（%）；R—多年平均入库沙量（m3）；V—总库容（m3）；V正—正常蓄水位以下库容（m3）；SRΔ—多年平均淤积量（m3）；W入—多年平均入库径流量（m3）。当＞0.5或无底孔情况时，K=m=1。白山水库拦沙率计算成果见表1。

表1 白山水库拦沙率计算成果表

经计算白山水库拦沙率为83.5%。

丰满水库为特大型水库，其总库容大于白山水库总库容，从定性上分析其拦沙率应该大于白山水库拦沙率。由于丰满水库出库资料基本为实测资料，当已知白山水库的拦沙率成果后，可以反推出丰满水库的拦沙率值，经过试算，白山水库拦沙率取比计算值少15个百分点，即拦沙率取68.5%时，符合大型水库淤积规律，因此本次计算白山水库拦沙率采用68.5%。

白山水库以上的推移质全部淤积在库内，悬移质根据计算的排沙比泄入红石水库库区，白山～红石区间推移质全部淤积在水库内，只计算悬移质沙量，两者相加即为红石电站泄入丰满水库的泥沙总量。红石电站泄入丰满水库的泥沙总量成果见表2。

2.2.2 白山～丰满区间泥沙计算

（1）五道沟站泥沙计算

五道沟站位于辉发河干流下游，该站实测泥沙换算为多年平均侵蚀模数为123t/km2，推移质输沙量采用占悬移质输沙量的20%计算。

（2）民立站泥沙计算

民立站位于金沙河下游，该站实测泥沙换算为多年平均侵蚀模数为175t/km2，推移质输沙量采用占悬移质输沙量的20%计算。

（3）蛟河站泥沙计算

蛟河站位于蛟河下游，该站实测泥沙换算为多年平均侵蚀模数为135t/km2，推移质输沙量采用占悬移质输沙量的20%计算。

五道沟水文站、民立水文站、蛟河水文站多年平均输沙总量见表3。

（4）松花湖沿湖区间泥沙计算

松花湖沿湖区间多年平均悬移质年输沙模数在 100～200t/km2之间。根据实测资料分析，本次计算沿湖区间输沙模数采用150t/km2，推移质输沙量采用占悬移质输沙量的20%计算，沿松花湖河岸侵蚀及冲刷等入库沙量采用占悬移质输沙量的50%计算。松花湖沿岸多年平均输沙总量见表4。

表2 红石电站下泄泥沙总量成果表

表3 丰满区间水文站多年平均输沙总量成果表

表4 松花湖沿岸多年平均输沙总量成果表

2.2.3 丰满水库入出库泥沙计算

通过计算可以得出，丰满水库多年平均入库总沙量为446.8万t。水库下游吉林站实测多年平均悬移质输沙量为148.3万t。由于丰满～吉林站之间只有温德河汇入且集水面积较小，并且温德河上口前水文站有实测泥沙成果，因此可以算出丰满水库多年平均悬移质出库沙量为128.2万t。

根据丰满水库多年平均出库泥沙成果（128.2万吨）、多年平均入库泥沙成果（446.8万吨），反推出丰满水库拦沙率为 71.3%，略大于白山水库拦沙率 68.5%。从定性上分析，丰满水库拦沙率大于白山水库的拦沙率是较合理的，从定量上分析拦沙率计算结果也基本满足输沙量上下游的平衡关系。

3 取水口泥沙淤积分析

3.1 淤积形态类型

水库淤积形态包括纵向淤积和横向淤积形态，纵向淤积形态由淤积纵剖面形态表示，横向淤积形态由淤积横断面形态表示。水库淤积纵剖面形态一般有五种类型，即：三角洲淤积、带状淤积、椎体淤积、楔形体淤积（倒锥体淤积）、锯齿状淤积等。实际水库的纵向淤积形态既有单一形式，又有复合形式，并在一定条件下淤积形态会发生转型。

3.2 丰满水库纵向淤积形态分析

为了分析引松供水工程建成后，丰满水库的泥沙淤积对取水口的影响，本次对丰满水库取水口的泥沙淤积进行了分析研究。水库淤积形态依据清华大学提出的淤积形态经验公式判别，判别公式为：

式中：V—校核洪水位以下库容（m3）；Ws—多年平均入库沙量（m3）；0J—库区原河道比降，以万分率计。淤积形态判别系数为α，当α≤2.2时为锥体淤积，当α＞2.2时为带状淤积。丰满水库总库容为108.9×108m3，多年平均入库沙446.8×104t，淤积物的干容重取1.3t/m3，库区原河道比降为1.5‰。丰满水库淤积形态计算成果见表5。

经计算，淤积形态判别系数α为 209，远远大于2.2，因此判断为带状淤积。

带状淤积形态多出现在河道型水库中，丰满水库属于河道型水库，库区较长，大约有180km，河道的来沙大部分都淤积到库尾，根据丰满水库建库后1943～1958年观测资料，经过16年的运行，水库坝前20km范围内最高只淤积0.2m厚，大部分泥沙都淤积到库尾（见图 2），分析资料及观测资料均说明丰满水库是典型的带状淤积。该水库的库区形态、水沙特点及运用方式决定了水库淤积的特点：淤积物自坝前一直分布到正常高水位的回水末端，呈均匀的带状淤积形态。第二松花江流域属于少沙河流，丰满水库已经运行六十七年，未出现比较严重的泥沙淤积问题。

3.3 取水口断面横向淤积形态分析

为分析丰满水库库区的泥沙淤积情况，丰满水库曾于1995年和2005年在库区内实测库区断面图。本次根据丰满水库实测大断面位置布置图，收集了引松供水工程取水口位置从下游至上游Cs1～Cs5断面的1995年和2005年的实测大断面。丰满水库坝前（取水口断面）实测大断面比较情况见图3，Cs1～Cs5断面262m下淤积成果见表6。挟沙水流进入库区后，含沙量及级配沿断面分布是不均匀的，主槽含沙量大，所以一般来说是以主槽淤积为主。从丰满水库1995年和2005年实测的大断面图及成果表所作的对比分析可以看出，水库泥沙在坝前基本是处于冲淤平衡的状态，Cs3～Cs5断面主槽泥沙略有淤积，Cs1～Cs2断面主槽基本处于冲淤平衡状态。