大型水库建设对下游已冲淤平衡的水库库区淤积及过坝泥沙特征影响研究

高志良，沈定斌，柯虎，熊小虎

（国电大渡河流域水电开发有限公司库坝管理中心，四川成都，614900）

大型水库建设对下游已冲淤平衡的水库库区淤积及过坝泥沙特征影响研究

高志良，沈定斌，柯虎，熊小虎

（国电大渡河流域水电开发有限公司库坝管理中心，四川成都，614900）

龚嘴水库已基本达到冲淤平衡，但在上游新建大型水电站清水下泄冲刷下，根据实测资料分析了冲刷前后的库容、床沙组成、库区断面的变化，表明龚嘴水库库区断面出现明显的冲刷，水库泥沙呈堆丘式向坝前推移，冲刷作用对水库库容的恢复是有利的，但库容恢复相对下泄清水时间有一定的滞后。此外，水库泥沙的推移和床沙的粗化将导致过坝、过机泥沙粒径的增加，从而加剧对过流面的冲刷和对水轮机的磨蚀破坏。

冲淤平衡；清水冲刷；泥沙粗化

0 引言

龚嘴水电站位于四川乐山市境内的大渡河上，是大渡河下游的第二个水电站，水库总库容为3.1亿m3，电站设计水头为48 m，水库纵断面距离约40 km。由于其上游修建了库容约53.9亿m3的瀑布沟水电站，且于2010年投入运行，电站运行初期清水下泄使得下游河道来沙显著降低[1]。龚嘴水库上游还建有库容为3 227万m3的深溪沟水电站，于2011年开始运行。关于上游水库的拦沙对下游河道河床演变的影响，学者们分别从下游河床的冲刷、粗化的机理，冲刷粗化的起动流速、粗化输沙率、粗化层级配、极限冲刷深度及冲刷后水位降落等计算角度进行了研究[2-5]。这些研究对河道的演变特性进行了较为详细的分析。

在瀑布沟大型水库清水下泄冲刷作用下，新建的深溪沟电站水库不具备较大的水沙调节能力，故其淤积进程将推后，水库的运行效益将有所增加，其基本规律可参照其它类似工程。但对于瀑布沟电站下游库区已经基本达到冲淤平衡的龚嘴水库，一方面水库已经基本冲淤平衡，在来沙显著减少条件下，可能会打破既有平衡，产生新的河床变形调整，另一方面本河段处于水库库区，将受水库运行调度和库区壅水的影响，在壅水条件下，库区冲刷将受到抑制。在双重矛盾因素作用下，这种和河道一样会发生冲刷的水库库区，其冲淤调整规律将变得更为复杂，目前尚无资料借鉴。

1 龚嘴上游流量、含沙量特性分析

为分析瀑布沟水库的清水下泄对冲淤平衡的龚嘴水库的影响，需首先分析下泄清水对下游河道河床冲淤的影响。下游各观测站观测了瀑布沟电站运行前后下游河道流量、含沙量的变化情况。毛头码站和沙坪站作为深溪沟、龚嘴水库入库控制站，其水沙条件的变化直接影响深溪沟水库、龚嘴水库的库区冲淤和泥沙出库情况。毛头码站、沙坪站年平均流量、年平均含沙量如图1所示。瀑布沟电站于2010年投入运行，运行时间较短，新的水沙实测资料尚不足以定量分析瀑布沟电站的影响，但根据瀑布沟建成以来下游水文站的实测水文成果，分析其引起的下游梯级入库水沙条件的变化趋势是可行的。

图1 水文测站年平均流量、平均含沙量变化趋势图Fig.1 Variation trend of annual average flow and average sedi⁃ment concentration of hydrometric station

由图1可知，瀑布沟建库前后毛头码站、沙坪站平均流量与建库前较为一致，沙坪站略偏小（2012年偏大），沙坪站2011～2016年的年平均流量较2007～2010年减少了约4%，可见瀑布沟水电站运行调度对下游河道水量调节主要表现在枯季流量的调高和汛期的削峰作用，对平均流量影响不明显。

由历年含沙量变化情况看，近年来有逐渐减小的趋势。对于毛头码站历年含沙量的变化情况，瀑布沟建成后，受瀑布沟电站拦沙影响，下游各水文测站含沙量较瀑布沟建库前总体上普遍减少，且2011～2016年平均含沙量总体上呈逐渐减小趋势。除瀑布沟刚建成的2011年输沙强度略大外（年输沙总量1 535万t），2015～2016年的水流含沙量明显减小，其实测的年输沙总量，2012年为675.4万t，2013年仅183.5万t。

对于沙坪站历年含沙量的变化情况，瀑布沟水电站建成前2007～2009年沙坪站含沙量持续减少，且含沙量与2010年和2011年相当，尚无法据此定量确定瀑布沟水电站的减沙效益。但考虑到水库建成初期，对下游河床冲刷补给，会增加下游泥沙补给，且2012年后沙坪站含沙量显著降低，沙坪站2016年的含沙量较2009年减少了约80%，从而可以认为今后瀑布沟运行对下游河道的减沙效益是确定的，且下游河床冲刷补给会随着瀑布沟电站运行时间的增加而减小。

对照毛头码站含沙量资料，沙坪站含沙量在2012～2016年均较上游的毛头码站有所增加，这说明深溪沟投入运行后水库库区淤积虽使得下游河道来沙减少，但水流含沙量也受河道冲刷补给和水流挟沙力的影响。参照沙坪站在瀑布沟投入运行后的1～2年，含沙量受河床冲刷补给有所恢复的分析结论，可见深溪沟电站投入运行后，虽在库区内形成淤积，减少了下游河道泥沙补给，但出库水流对下游河床的冲刷作用，短期内可成为下游泥沙补给的重要来源，造成沙坪站含沙量较上游毛头码站有所增加，下游泥沙含量较上游有所恢复。当这种冲刷基本达到平衡后，河床沙质的补给也会逐渐减小，且由于上游河床的粗化和比降的调缓，水流的挟沙能力也逐渐降低，水流中的含沙量逐渐减小，从而这种补给作用也会逐渐减弱。但对于电站下游河道冲刷补沙作用强度，补沙时段尚难做定量评估，仍需根据今后更长系列资料进行补充分析。

2 瀑布沟建成前后龚嘴水库河床演变

根据上述龚嘴上游水文特征分析，瀑布沟水库的运行使龚嘴上游的来沙量减小，水流为不饱和输沙，在这种来流情况下，会使已冲淤平衡的龚嘴水库河床进行新的演变调整，而这种调整在水库壅水、大水深、水库调度的影响下，使其边界条件与正常河道产生了明显的不同，且水库内的冲刷也将对电站及其运行产生一定的影响。

2.1 库容变化分析

根据实测资料，绘制了瀑布沟建库前后龚嘴水库库容的变化曲线，如图2所示。从库容曲线可见，2010年以前，龚嘴水库已基本冲淤平衡，库容虽然存在一定的年际冲淤调整，但整体上比较稳定，此时库区泥沙冲淤与一般河道冲淤调整类似。受瀑布沟拦沙影响，2012年以来龚嘴水库库容总体明显增加，当水位为530 m时，2012年的水库库容较2009年水库库容增加约800万m3，表明库区原淤积存在一定程度的冲刷，河床逐渐从河道冲淤调整状态向水库冲淤状态变化。

瀑布沟2010年开始运行，龚嘴水库2012年才出现明显的库容调整，一方面由于高坝大库下游运行初期存在清水冲刷补给，下游河道冲淤调整存在一定的滞后，另一方面也可能与实际来水来沙条件有关。另外在瀑布沟投入运行的同时，深溪沟水库也投入运行，进一步改变了来水来沙过程，使问题变得更为复杂。但从总体趋势来看，未来下游梯级水库冲刷趋势明显，对恢复水库库容、增加发电效益是有利的。

图2 龚嘴水库2006～2016年库容曲线Fig.2 Storage capacity curve of Gongzui reservoir from 2006 to 2016

2.2 床沙组成采样分析

床沙级配反映了床沙的粗化、细化过程，与库区的冲刷和粗化相对应。在水库下游河道中，对于清水下泄使其冲刷粗化的机理，一方面是河床泥沙冲刷补给过程中分选作用造成的；另一方面，上游的粗颗粒进入下游河段后，不一定能被当地水流所挟带，而在河床上发生粗细颗粒的交换，导致河床的粗化[6]。

在冲淤平衡的水库中，对龚嘴水库历年断面泥沙采样数据（图3）进行分析，采样包含每个断面的左岸、中部、右岸的床沙数据。水库每个断面在2010年之前，基本达到冲淤平衡，在坝前12 km范围内中值粒径在0.075～2 mm范围；在12 km以上的库区，多数测量断面中值粒径大于2 mm，最高可达到70 mm左右。在2010年之后，受瀑布沟运行后的减沙影响，库区明显向冲刷粗化发展，2011年以来，不论中值粒径还是最大粒径，均较以前床沙粒径有所增加，2012年以来，由于全库区的冲刷，该粗化趋势更加明显。在年际间逐步粗化的同时，沿程粒径表现为细化过程，从库尾到坝前泥沙逐渐细化，这与水库淤积形态有关。2015年库尾泥沙粒径较2013年有所减小，而越靠近坝前断面，泥沙粒径则有所增加。从2013～2015年坝前断面的泥沙粒径粗化情况看，除了表层淤积物冲刷外移导致泥沙粒径增加影响外，还存在着库尾泥沙向坝前的搬运。库尾粗颗粒泥沙堆丘式地向坝前搬运将导致过坝、过机泥沙粒径的增加，增加了对过流面的冲刷破坏作用。若能结合水库运行实际，实时空库拉沙，腾空一部分深水库容承载上游清水冲刷下泄的泥沙，对避免该不利影响有利，而且由于今后相当长时段内来沙减少，腾空的调节库容将长时间有效，这对提高水库发电效益是有利的。

2.3 库区纵横断面冲淤变化

由上述库容曲线及床沙采样分析可知，龚嘴水库在2010年之前已基本达到冲淤平衡。为研究瀑布沟建库前后龚嘴水库的冲淤情况，测量了其河床2004～2016年间平均断面深泓点的高程变化，以实测资料绘制了各年份深泓高程的变化曲线图，如图4所示，该图清楚地反映了河床的冲淤情况。

由图4可知，龚嘴水库河床深泓高程在2010年以前年际间存在着小幅的冲淤交替，已基本稳定。2004～2009年深泓高程基本没有变化，即在瀑布沟水库运行前，龚嘴水库冲淤变化并不明显，且在这种冲淤深度情况下对水库的库容影响不大。

图3 龚嘴水库沿程断面床沙中值粒径及最大粒径沿程分布Fig.3 Distribution of median and maximum grain size of bed sediment of Gongzui reservoir

图4 龚嘴水库历年深泓线变化过程图Fig.4 Talweg of Gongzui reservoir over the years

深泓高程在2011年表现为库尾段发生冲刷，而坝前段则产生淤积。2011年之后，河床整体上表现为冲刷下切。与2010年前历年平均断面深泓点高程相比较，2011年库区地形在库区中段距坝15 km至坝前断面淤积，淤积厚度普遍在2～4 m，距坝15～36 km则以冲刷为主，在瀑布沟下泄清水冲刷至所测的距坝36～40 km之间则未发生冲刷，2012年后则表现为全河段的整体冲刷，且冲刷深度呈逐年增加的趋势。

从床沙粒径分布情况可以得出，产生该变化的原因可能是瀑布沟减沙作用传递到龚嘴库区，对已形成粗化保护层的库尾变动回水区河段，不饱和来沙的冲刷作用无法打破粗化层或河槽深泓基岩出露无法冲刷。由于2011年库区中段的冲刷、近坝段的淤积，且冲刷深度小于淤积深度，说明在水库壅水和电站泄水的影响下，且由于库区受壅水状态影响的不同，库尾段冲刷的泥沙和水流携带的泥沙在近坝段落淤，库区河段冲刷呈堆丘式向坝前运动，在库中段产生的冲刷，又在近坝段产生淤积，这种堆丘式的床沙运移同样也反映在泥沙粒径的分布情况上。而随着上游减沙作用的延续，冲刷逐渐向坝前发展，2012～2016年，库区冲刷已发展至坝前，导致全河段整体冲刷，从而造成深泓高程的降低和库容的增加、床沙颗粒的粗化。龚嘴水库库区的冲刷在上游大库清水下泄1年后才发展至库中段，这种渐进式的冲刷发展状态，除了与上游水库下泄清水冲刷发展的渐进性有关，还与水库壅水抑制冲刷作用有关。

从库区断面冲淤（图5）情况看，龚嘴水库自瀑布沟建成后以冲刷为主，尤其随着瀑布沟下游减沙导致其库区断面逐年冲刷发展。断面冲刷主要以滩面冲刷为主，低含沙水流对前期淤积的边滩淤积物冲刷作用明显，断面有扩大的趋势，对水库调节库容恢复有利。同时从历年断面冲淤情况看，2011年应为瀑布沟下游冲刷发展到龚嘴库区的一个临界点，该年库尾断面以冲刷为主，坝前断面则有所淤积，2011年以后则全库区以冲刷发展为主。

通过水库12 km以下的床沙粒径分布情况得出，水库表层泥沙粒径在0.075～2 mm之间，属于沙质河床。根据韩其为等[7]的研究，水库初、中期清水下泄时，下游沙质河道沙质河床冲刷被抑制的原因主要依赖于相对冲刷深度△h/h（冲刷深度△h与原来水深的比值）。相对冲刷深度越小，说明河床冲刷速率越慢。而水库水深远远大于河道水深，故对于冲淤平衡的水库的冲刷速率要明显小于河道的冲刷速率。

河床的冲刷下切会使库区水位下降，而河床的粗化则会壅高水位，由于水文资料观测年限较短，二者的相互作用对库区水位的影响有待进一步研究。

3 结语

为研究冲淤平衡、清水冲刷下的河床演变，通过实测资料，分析了上游大坝的运行对下游水库来沙、水库库容、水库床沙组成和库区河道边界的冲淤变化等，并得出以下几点结论：

（1）龚嘴水库入库控制站沙坪站含沙量受到瀑布沟减沙影响有所减少，但由于区间有较大支流汇入并受到上游梯级下泄清水冲刷补给作用影响，沙坪站含沙量较上游毛头码站尚有所增加。

（2）受到瀑布沟拦沙影响，龚嘴水库库区河道总体以冲刷为主，库容较2010年前有明显增加，且由于河道冲淤调整的滞后，库容的调整存在明显的滞后。库区河道深泓点2012年后普遍以冲刷为主。由于瀑布沟下游清水冲刷补给作用，龚嘴库区河道冲刷滞后于瀑布沟蓄水时间，2011年总体呈冲淤交替状态。

图5 龚嘴水库沿程断面历年冲淤图Fig.5 Erosion and deposition of Gongzui reservoir over the years

（3）库区河道床沙呈逐年粗化的趋势，库尾河段粗化更为明显，库尾泥沙呈堆丘式向坝前移动，这也将增加对过流断面的冲刷破坏作用。

（4）河床的冲刷下切会使库区水位下降，而河床的粗化则会壅高水位，由于水文资料观测年限较短，二者的相互作用对库区水位的影响有待进一步研究。

（5）长河段多梯级电站河道演变耦合分析涉及到的影响参数较多，且对于复杂的泥沙冲淤调整问题，随着水库运行时间增长，将伴随着新的冲淤调整。随着今后监测资料的丰富，可对此河床演变机理做进一步研究。

[1]刘怀汉,茆长胜,何明宪.坝下沙卵石河段演变及治理对策研究[C].“三峡工程建成后对长江中游的影响”专题论坛——2007中国科协年会分论坛之十论文集. 2007.

[2]Wang Z,Chen Z,Li M and et al.Variations in downstream grain-sizes to interpret sediment transport in the middlelower Yangtze River,China:A pre-study of Three-Gorges Dam[J].Geomorphology,2009,113(3):217-229.

[3]Stevaux J C,Martins D P and Meurer M.Changes in a large regulated tropical river:The Paraná River downstream from the Porto Primavera Dam,Brazil[J].Geomorphology,2009, 113(3):230-238.

[4]Salant N L,Renshaw C E and Magilligan F J.Short and long-term changes to bed mobility and bed composition un⁃der altered sediment regimes[J].Geomorphology,2006,76 (1):43-53.

[5]Heitmuller F T and Hudson P F.Downstream trends in sed⁃iment size and composition of channel-bed,bar,and bank deposits related to hydrologic and lithologic controls in the Llano River watershed,central Texas,USA[J].Geomorphol⁃ogy,2009,112(3):246-260.

[6]黄颖.水库下游河床调整及防护措施研究[D].武汉:武汉大学,2005.

[7]韩其为,何明民.三峡水库修建后下游长江冲刷及其对防洪的影响[J].水力发电学报,1995(3):34-46.

Influence of large-sized reservoir construction on sedimentation of downstream reservoir with ero⁃sion-deposition balance and characteristics of sediment over dam

GAO Zhi-liang,SHEN Dingbin,KE Hu and XIONG Xiao-hu

China Guodian Dadu River Hydropower Development Co.,Ltd.

The reservoir area of Gongzui has basically reached the erosion-deposition balance.The in⁃fluence of clear water scour from new large reservoir on sedimentation of Gongzui reservoir is dis⁃cussed.The changes of reservoir capacity,sediment composition and reservoir section before and after scour are analyzed,combined with measured data.The results show that there is obvious scour in reser⁃voir section,and the sediment is pushed forward to dam in the form of mound,which indicates that scour is beneficial to the recovery of reservoir capacity.But the recovery of reservoir capacity has a cer⁃tain lag.Besides,the moving and coarsening of reservoir sediment would lead to an increase in the size of sediment over dam and generator set,which would aggravate the erosion on overflow surface and tur⁃bine.

erosion-deposition balance;clear water scour;coarsening of sediment

TV145

：B

：1671-1092（2017）04-0036-06

2017-06-14

高志良（1986-），男，河南周口人，硕士，主要从事水库大坝安全监测与管理。

作者邮箱：gzlhhu@126.com