清河水库泥沙淤积与回水计算

丛梅

清河水库泥沙淤积与回水计算

丛梅

（辽宁省阜新水文局，辽宁阜新123000）

水库泥沙淤积与回水计算是确定水库运行状态的重要工作。以清河水库为例，对水库泥沙淤积与回水进行计算分析，确定出水库泥沙淤积形态为椎体淤积，计算结果表明：建库后的洪水回水水面线离坝址越近越平缓，越远越急陡；对比不同频率回水曲线，小频率较高频率回水坡降陡、回水末端近，基本符合回水的一般规律，且与可研阶段基本一致。

水库枢纽；泥沙淤积；有效库容；回水分析；结构复核

水库建设会导致水流输水能力显著降低，破坏了天然河流形态，造成库区上游泥沙淤积，同时大量泥沙沿途淤积河床，严重影响了行洪安全和降低了水库的利用效果，甚至缩短水库的使用寿命[1-2]。本文以清河水库为例，计算水库淤积量，分析了淤积形态与类型，计算确定了水库有效库容。并结合工程实际情况进行了水库回水分析。

1 工程概况

清河水库位于辽宁省铁岭市清河区、辽河中游左岸一级支流清河干流下游，是辽宁省著名七大水库之一。清河水库建1958～1962年。水库水面广阔，东西长30 km，南北宽2.5 km，控制面积2376 km2，最大库容9.71亿m3，大坝长1622 m，高39.6 m。清河水库为大（II）型水库，按千年一遇洪水设计，万年一遇洪水校核。清河水库水系见图1。

图1 清河水库水系图

2 水库泥沙淤积分析

2.1 淤积量计算

根据现场查看侵蚀程度，水库多年平均悬移质输沙量取100 t/km2·a，推移质按悬移质的20%计，泥沙容重为1.3 t/m3。则多年平均输沙量为2.25万t，其中悬移质输沙量1.80万t，推移质输沙量为0.45万t。

本阶段，采用PC1500水文分析计算集成应用软件计算泥沙淤积量。经计算，悬移质拦沙率查图取值81.98%，推移质全部淤积库底，则年淤积量为1.77万m3。用多年平均排沙比法计算水库运行期不同年份累计淤积沙量见表1。

表1 水库库区运行不同年份泥沙淤积量

表2 水库运行不同年份泥沙淤积高程

2.2 淤积类型判别

根据辽宁省水利科研所等单位统计了30个多沙河流水库的实测资料，提出纵向淤积形态的经验判别式：

当K＞2.2为三角洲或带状淤积，K＜2.2为锥体淤积。式中：V为时段平均库容，m3，对长期而言，用正常蓄水位对应库容；W为计算时段入库沙量，m3；J0为原河道比降。

清河水库正常蓄水位470 m以下库容为923.23万m3，多年平均输沙量为2.08万m3，原始河道比降为6.7‰。代人上式得K=0.13，小于2.2，判断水库泥沙淤积形态为椎体淤积[3-4]。

2.3 淤积形态设计

2.3.1 坝前淤积高程

本阶段，采用PC1500水文分析计算集成应用软件计算坝前淤沙高程。用多年平均排沙比法推出水库运行20年后坝前淤沙高程分别为436.01 m，运行50年后高程为439.25 m，与可研坝前淤沙高程成果一致。水库运行不同年份泥沙淤积高程见表2。

2.3.2 水库淤积纵剖面

根据水库的地形计算，水库地形特征指数m(平均)=2.525，水库属于Ⅱ泛滥平原、山前型，其中曲线计算公式为α=2.487× P0.57×(1-P)0.41。根据计算分析，清河水库运行50年后干、支流淤积纵剖面见图2。

2.4 水库有效库容计算

图2 清河水库运行20、50年后干流淤积纵剖面图

根据水库运行50年后设计淤积量及设计淤积形态进行断面铺沙，计算水库运行50年后有效库容。经计算，水库运行20年和50年后，累计损失库容分别为28.3和70.7万m3，与可研计算成果一致。原始库容和有效库容统计见表3和图3。

图3 清河水库库容曲线

表3 清河水库原始库容及有效库容

3 水库回水分析计算

3.1 计算条件及方法

3.1.1 河道条件

清河属山区型河道，回水范围内平均坡降为7.3‰。本次规划在回水范围内，断面资料采用1∶2000地形图剖得，干、支流共布置了38个断面，间距中下有间距相对较大，尾部较小，为100 m～400 m。为拟定河道的糙率，在库区河段进行了洪水调查。并参考《水工设计手册》中糙率表进行经验选取，天然河道糙率取值0.04～0.045之间。

3.1.2 设计洪峰流量

库区内有香棚沟支流加入，其流域面积为11.25 km2，支流汇入口以上干流流域面积为213.75 km2，主河长35.0 km，平均比降15.9‰。

根据清河水库坝址的洪峰流量均值，利用水文比拟法计算干流汇入口洪峰流量均值，面积影响指数取0.67，则干流汇入口洪峰流量均值为368 m3/s。Cs、Cv值参考清河水库坝址取值，Cv=0.75，Cs/Cv=4.0。洪峰流量计算成果见表4。

表4 干流汇入口以上设计洪水计算成果表

香棚沟支流设计洪峰流量采用雨洪法计算。采用《贵州省暴雨洪水计算手册》中的计算公式及产汇流参数，暴雨参数采用“水文”章节设计暴雨计算成果，H24=110 mm，Cv=0.55，Cs=3.5 Cv。平江河流域为山区间山丘，少量岩溶，植被较好，因此产汇流分区定为Ⅱ2，当10 km2≤F≤25 km2，计算公式见下：

式中：Qp为设计洪峰流量，m3/s；r1为汇流系数，取均值0.32；f为流域形状系数，f=F/L2；J、L为主河道比降，J=20‰；河长，L=7.43km；F为流域面积，km2；C3为洪峰径流系数（C=0.764～0.864）；Kp为P-Ⅲ型曲线的模比系数；H24为最大24 h降水量均值，110 mm。

表6 清河水库干流回水计算成果表（单位：m）

表7 香棚沟支流回水计算成果表（单位：m）

洪峰流量计算成果见表5。

表5 香棚沟支流洪峰流量成果表

3.1.3 计算方法

天然水面线计算时采用天然河道断面，起调水位及流量由坝址水位～流量关系曲线查取；回水计算采用建库20年淤积后的河道断面；断面位置示意图见图4；起调水位及流量采用水库调洪计算得到的相应坝前水位及流量。在支流加入前后考虑流量变化，支流汇入口至坝址积水面积较小，洪水不考虑沿程变化[5]。

计算方法采用伯努利方程进行逐段试算，计算公式如下：

式中，Z1、Z2为下、上断面水位；Q为断面流量；A为断面面积；R为水力半径；if为摩阻比率；△l为上下断面间距；ζ为断面扩散系数；n为糙率。

3.2 计算成果

根据淹没设计要求，计算天然河道及水库泥沙淤积20年后的P=20%、P=5%、P=3.33%频率洪水库区回水曲线，以及下天然河道多年平均流量水面线。考虑以下三种情况进行计算：

（1）天然情况下，P=5%、P=20%、P=3.33%的水面线；

（2）经调洪计算，建坝后汛期和非汛期P=5%、P=20%、P= 3.33%的最高水位相应的回水水面线；

（3）经调洪计算，建坝后汛期和非汛期P=5%、P=20%、P= 3.33%的最大流量相应的回水水面线。

回水前取以上三种情况水面线的外包线，成果见表6、7、8。

回水末端的设计终点位置，在库尾不同频率洪水回水线不高于天然水面线0.3 m的范围内，采用水平延伸至与多年平均流量水面线相交，得到末端位置高程及回水长度，复核后，回水计算成果与可研成果一致，见表8。

从回水曲线与天然水面线趋势来看，库区回水位高于天然情况下同一流量的水位，水面比降也较平缓；建库后的洪水回水水面线离坝址越近越平缓，越远越急陡；对比不同频率回水曲线，小频率较高频率回水坡降陡，回水末端近，基本符合回水的一般规律[6]。

表8 清河水库库区回水末端成果（单位：m）

图4 回水断面布置示意图

4 结论

通过计算，清河水库水库泥沙淤积形态为椎体淤积，水库运行20年后坝前淤沙高程分别为436.01 m，运行50年后高程为439.25 m，水库运行20年和50年后，累计损失库容分别为28.3万m3和70.7万m3，与可研计算成果一致。回水计算采用建库20年淤积后的河道断面，计算结果表明建库后的洪水回水水面线离坝址越近越平缓，越远越急陡；对比不同频率回水曲线，小频率较高频率回水坡降陡，回水末端近，基本符合回水的一般规律。由于水文站网缺陷，清河水库泥沙量缺少实测数据，本文计算结果难以得到测量数据验证，在后续研究中，应对计算区域泥沙量就行补测，修正计算结果。本文对相似工程泥沙淤积与回水分析具有借鉴意义。

[1]韩其为,杨小庆.我国水库泥沙淤积研究综述[J].中国水利水电科学研究院学报,2003,03:5-14.

[2]袁晶,许全喜,童辉.三峡水库蓄水运用以来库区泥沙淤积特性研究[J].水力发电学报,2013,02:139-145+174.

[3]陈建,李义天,邓金运.汛限水位优化调度对三峡水库泥沙淤积的影响[J].水力发电学报,2012,01:183-188.

[4]郭荣.水库泥沙淤积与回水耦合关系初步研究[D].重庆交通大学, 2013.

[5]张玮,吴苏舒,张明进.山区河流小型水电站回水末端计算[J].水利水电科技进展,2006,03:38-40.

[6]肖翘云,马生健,韦锡坚.水库回水计算的几点体会[J].水力发电, 1994,08:28-32.

Sediment Deposition and Backwater Calculation of Qinghe Reservoir

Cong Mei
（Buxin Water Resources Bureau in LiaoningProvince,Buxin 123000,Liaoning）

Reservoir sediment deposition and backwater calculation is an important work to determine reservoir operation state.Qinghe Reservoir as an example,the article calculates and analyzes of reservoir sedimentation and backwater,determines the reservoir sedimentation patterns to be the vertebral deposition.The calculation results showthat the reservoir's flood backwater surface profile from the dam is more closer more gentle and more farther more steep.For comparison of different frequency’s backwater curve,small frequencymore higher more steeper and the backwater end is closer.It basically complied with the general rules and the same with the studied stage.

Reservoir junction；Sediment deposition；effective capacity of the reservoir；the backwater analysis and structure check

X820.3

A

1673-9000（2017）02-0093-04

2017-1-25

丛梅（1988-），女，辽宁阜新人，助理工程师，主要从事水质化验。