太平沟水利枢纽泥沙淤积计算及治理对策

刘心玲，于得万

(1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021；2.吉林省水利水电规划设计院，吉林 长春 130021)

1 工程概况

太平沟水利枢纽工程位于图们江左岸的支流珲春河上游，坝址坐落在珲春河上距离珲春市春化镇里化村太平沟屯南4km处，其坝址地理坐标为东经131°2′43″，北纬43°13′20″，控制珲春河流域面积为902km2。

珲春河发源于汪清县复兴镇杜荒子以西的秃秃岭。河流由西向东，流至太平沟附近逐渐折向南，在马滴达处折向西流，有兰家趟子河汇入，并先后有头、二、三、四道沟等较大支流汇入，最后在珲春市板石乡河口屯西北汇入图们江，珲春河是图们江左岸的一级支流。本流域除河谷有部分耕地外，其余全部为山地，山坡生长树木均为次生林木，林木茂盛。坝址以上河段顺直，断面尚规整，水流通畅，无回流和死水现象，河床为砾石和卵石组成，床面较平整。太平沟水利枢纽竣工蓄水后，河流会有一部分泥沙淤积在枢纽的坝前和库尾。本文通过对太平沟水库泥沙淤积分析计算，对枢纽内的泥沙提出处理措施，增加枢纽的使用寿命，更好地发挥枢纽工程的防洪和兴利效益。

2 来沙量计算

太平沟水利枢纽工程坝址处无水文观测资料，多年平均输沙量计算根据太平沟水利枢纽工程坝址下游桃源洞水文站1958～1987年实测逐日平均悬移质输沙率表计算。枢纽工程坝址以上多年平均悬移质输沙模数为87.9t/km2，多年平均推移质输沙量按多年平均悬移质输沙量的20%计算，成果见表1。

表1 太平沟水利枢纽工程泥沙计算表

珲春河流域上设有桃源洞水文站，该站有1958～1987年30年泥沙观测资料，太平沟水利枢纽工程与桃源洞水文站为同一流域上、下游，地形地貌流域特征基本一致，因此，本次太平沟水利枢纽工程各月泥沙计算，依据桃源洞水文站多年平均泥沙年内分配比计算太平沟水利枢纽工程泥沙的各月计算成果。桃源洞站历年各月平均悬移质输沙量统计见表2。

通过表2可以看出，历年各月平均输沙量较少，而且泥沙主要来自于6～9月，6～9月占多年平均各月输沙量的85.1%，桃源洞站1958～1987年共计30年输沙量资料，3月份来沙量最小，8月份来沙量最大。6～9月最大来沙为1.875万t，月最小来沙为0.269万t，6～9月最大来沙为最小来沙的7倍。桃源洞站历年各月最大输沙量和历年各月最大平均流量关系见表3。

表2 桃源洞站多年平均各月泥沙年内分配表

表3 桃源洞站历年各月最大输沙量和历年各月最大平均流量关系表

从表3中可以看出历年各月最大来沙量基本上来自6～9月大洪水月份，流量大输沙量也大，说明桃源洞水文站水沙关系基本是一一对应的。

3 正常高水位下泥沙淤积计算

太平沟水利枢纽工程为大型水库，正常蓄水位为265.0m，相应库容为15070×104m3，死水位为236m，相应库容为629×104m3，兴利库容为14441×104m3。枢纽库区正常高水位下泥沙分析计算成果见表4。

表4 枢纽库区正常高水位下泥沙计算表

3.1 泥沙分布形态及范围分析依据

根据《泥沙设计手册》中库容和泥沙量之比来判断泥沙分布的形态和范围。公式如下：

(1)

式中，Kt—库容与泥沙比值；V—正常高蓄水位对应的枢纽工程容积，m3；WS—枢纽每年来沙量，m3。

经计算，太平沟水利枢纽的库沙比Kt为2476。当Kt>100时，泥沙对枢纽的正常运行影响很小。根据太平沟水利枢纽工程针对6～9月编制的调度方案，6～9月来水比枢纽的泄洪能力小的时候，将来水全部泄出，6～9月来水比泄流能力大时，全部开启枢纽的泄洪设备泄洪。所以，虽然枢纽在6～9月的输沙量最大，但是随着枢纽的全部泄洪，枢纽库区沙量绝大部分都会排除到坝址下游，很少一部分泥沙滞留淤积在枢纽工程库区，因此，来沙淤积对枢纽运行基本无影响。

3.2 泥沙分布形态分析

(1)珲春河上游流域生长茂密的次生林，下垫面较好，属少沙河流。采用《泥沙设计手册》中的公式(用于少沙河流)进行分析计算，成果见表5。

公式如下：

(2)

当φ>0.04为三角洲淤积；当φ<0.04为带状淤积。

表5 库区正常高水位泥沙计算表

通过计算得出φ值为0.027，小于0.04，判定为带状淤积。所以，根据罗敏逊公式计算分析α值。

(2)采用罗敏逊公式计算：

(3)

式中，WS—水库多年平均入库沙量，t；Δh—水库历年平均坝前水位变幅，m；γ0—淤积物干容重，t/m3；V—正常高水位以下库容，m3。

当43.8≥α>5.3为锥体淤积；3.94≥α>1.1为带状淤积；1.75≥α>0.777为三角洲淤积。

表6 太平沟水利枢纽工程淤积分析α系数判别表

通过计算，α=1.85，手册中3.94≥α>1.1为带状淤积，所以结果属于带状淤积。根据两种方法分析，太平沟水利枢纽工程竣工蓄水后，水库的泥沙分布呈带状，成果见表6。

3.3 淤积量计算

根据2014年9月吉林省水文水资源局主编刊印出版的《吉林省水文计算手册》成果中输沙模数分区图查算。太平沟水利枢纽工程位置流域重心处年平均悬移质侵蚀模数80t/(km2·a)，多年平均推移质输沙量按多年平均悬移质输沙量的20%计算，多年平均侵蚀模数为96t/(km2·a)。太平沟水利枢纽工程多年平均入库沙量为8.659万t，其中悬移质为7.216万t，推移质为1.443万t。

本次枢纽泥沙量计算采用多年平均库容淤损率方法计算[2]，成果见表7。公式如下：

(4)

其中K、m值按下列要求选取：

(5)

式中，av—年平均库容淤损率，%；R—年平均入库沙量，m3；V正—正常高水位以下库容，m3；V总—总库容，m3；ΔWS—年平均淤积量，m3；W入—年平均来水量，m3。

经计算，太平沟水利枢纽50年的淤积量为304.9×104m3。

4 泥沙淤积治理对策

太平沟水利枢纽工程是山区河道型蓄水工程，必须对库区两岸进行修复改造，防止水土流失，因此，采取以下方法和对策减少枢纽的淤积。

(1)在枢纽坝址处下游建立泥沙观测站，为枢纽工程分析库区泥沙淤积提供科学数据。

(2)加强枢纽坝址上游水土保持。水土保持是防治和治理太平沟水利枢纽工程流域泥沙淤积的根本途径，在太平沟水利枢纽工程上游周围山坡植树造林做好水保措施，防止水土流失。

(3)做好汛期洪水调度，在泄洪闸旁修建排沙闸满足枢纽汛期排沙要求。

(4)异重流排沙。太平沟水利枢纽工程属于山区性河道蓄水工程，河道陡比降大，有利于进行异重流排沙。

在枢纽蓄水期间，当汛期入库大洪水形成潜入库底的异重流时，迅速打开排沙闸门泄洪，将一部分泥沙排走，减少枢纽库区的泥沙淤积。

5 结语

太平沟水利枢纽工程竣工蓄水后，天然河道变成了大型水库的库区，必然改变了天然河道的水沙特性，但是通过以上泥沙淤积分析计算，在正常高水位为265.0m时，每年的淤积量只占正常高水位下枢纽库容的0.97%，如果枢纽工程运行50年后的泥沙淤积体积仅占正常高水位以下库容的2.02%，因此，说明太平沟水利枢纽工程的建设库区泥沙淤积不大。

采用《泥沙设计手册》中泥沙淤积公式进行分析计算，方法简单易行，此公式更适合于山丘区河道型蓄水枢纽工程。

通过泥沙淤积治理对策，可使本枢纽的运行寿命延长50年，进一步提高本枢纽的防洪和兴利能力，使其能长期发挥效益。

表7 正常高水位下泥沙淤积计算表 单位：104m3