山口反调节水库泥沙监测资料分析

2019-03-14

水资源开发与管理 2019年2期

(伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000)

天然河流修建拦河建筑物后，原有的输水泄洪平衡遭到破坏，库区内将产生泥沙淤积，对水库产生一些不利影响，淤积泥沙占用有效库容，降低水库的防洪和兴利能力。水库淤积计算的任务是分析水库淤积对防洪、发电、航运、引水及淹没等的影响，并为研究水库运行方式、确定泄洪排沙设施规模提供依据。天然河道一般与长期来水、来沙条件相适应，处于相对冲淤平衡状态。水库壅水后，库区流速变缓，挟沙能力减小，含沙水流进入水库，泥沙不断落淤，经过长期淤积过程，又达到新的相对平衡状态。水库淤积易造成如下情况：ⓐ常侵占调节库容，逐步降低其综合利用效益；ⓑ淤积末端上延抬高回水位，增加淹没损失；ⓒ变动回水区易使宽浅河段主流摆动或移位，影响航道和港口；ⓓ坝前淤积将增加作用于建筑物上的泥沙压力，并有碍船闸及取水口正常运行。

1 山口水库概况

山口水电站位于新疆特克斯河干流上，为特克斯河干流梯级开发的最末一级，距上游恰海水库约16km，距上游大莫河河口约9km。山口水电站工程属大(2)型Ⅱ等工程，水库入库径流由恰海水库出库径流过程和大莫河天然径流过程两部分组成，主要承担发电任务，其次是反调节任务。山口水库，位于下游，水库调节方式为日不完全调节，调节库容仅为0.2亿m3，调节能力较弱，且运行水位距汛限水位仅为0.50m。水库运行后，出库泥沙输沙量较天然河道输沙能力大大降低，携带泥沙颗粒较细。莫河是反调节水库的一条小支流，该支流属山溪性河流，随着暴雨及融雪性洪水的冲刷夹带，汛期河道泥沙含量较大，河道坡度大，泥沙基本全部进入反调节水库。本文所分析的水库入库站地处山溪性河流，山区河流比降大、水流湍急、输沙能力强，河流以侵蚀为主，不会淤积。但汇入水库入库口以下，河流纵坡变缓，河道明显展宽，输沙能力减小，水流搬运物质大量堆积形成冲积洪积扇，造成了下游水库的坝前淤积。

2 水库淤积量计算

水库泥沙淤积计算是水库工程设计的重要组成部分 ,直接影响到工程的设计质量。

山口反调节水库的入库泥沙来量，可分为上游水库的出库泥沙和小莫河水文站的入库泥沙。

2.1 上游水库出库泥沙

山口水库出库泥沙计算利用该反调节水库上游水文站1962—1968年、1977—1987年、1989—2002年共计32个完整年的悬移质泥沙监测资料作为设计依据。

计算上游水文站实测多年平均悬移质输沙率为187.9kg/s，多年平均悬移质输沙量为593.08万t，实测最大悬移质日输沙率为15700kg/s，实测多年平均悬移质含沙量为0.762kg/m3。插补处理后的1957—2002年多年平均输沙率为198.7kg/s，多年平均含沙量为0.763kg/m3，多年平均悬移质输沙量为627万t。上游恰海水库建成运行后，由于改变了天然河道的泥沙输移特性,河流中一定量的泥沙将在水库淤积，其出库悬移质泥沙量占入库悬移质泥沙量的比例为16%，多年平均出库悬移质泥沙年输沙量为92.03万t，其多年平均悬移质泥沙年内分配状况见表1。

2.2 小莫河水文站入库泥沙

小莫河水文站是山口反调节水库的入库站，该反调节水库调节库容约2000万m3，调节类型为日不完全调节水库，该站到达水库的传播时间约为30min，小莫河水文站所监测的莫河属于山溪性河流，汛期5—8月是泥沙含量较集中的月份，其输沙量占年输沙量的88.22%，河道坡陡流急、泥沙粒径大、沙量集中，河流径流小，年径流量分配不均匀。

莫河流域属水文资料缺乏地区，无泥沙资料，与其相邻的流域地质条件、植被、降水及河流流向相近，故以邻近水文站的31年泥沙实测资料为依据进行泥沙估算。邻近水文站输沙模数为85.8t/km2，按照面积比拟法估算小莫河水文站入库多年平均悬移质输沙量为49.41万t。其多年平均悬移质泥沙年内分配状况见表2。

表1 上游水库出库多年平均悬移质泥沙特征值

表2 小莫河水文站入库多年平均悬移质泥沙特征值

2.3 水库泥沙年总输沙量

总输沙量是指在一定时间内通过某一水体截面的总输沙量，其大小取决于河流的流量和含沙量。河流输送的河床沙与河流的流量密切相关，在大多数情况下，水流中的冲积物数量是不饱和的，不仅取决于该段河段的水流状况，还取决于上游流域的泥沙补给状况。因此，必须依靠实测数据来确定沉积物总量以及冲积物体积。实测数据主要包括水文站实测泥沙数据、流域实测泥沙数据和水库淤积数据。

a.根据水文站实测泥沙数据计算总输沙量。河上所有重要的水文站都测量了不同流量下的泥沙输移速率数据，利用水流输沙速率与流量频率之间的关系，计算出通过断面的输沙总量。在使用这种方法时，首先应注意在泥沙测试中，经常会遗漏近底泥沙的数量，需要进行校正；其次，实测的泥沙输沙率关系群普遍分散，难以画出合适的关系曲线。流量与流量频率之间的关系可以根据径流的来源、季节或类型分别确定。

b.基于流域因子计算总产沙量。流域内的泥沙蓄积量与影响流域土壤侵蚀的因素有一定的相关性，可从悬沙量与流域因子的关系对总输沙量进行估算。

c.根据水库泥沙蓄积量计算总输沙量。河流上的水库部分或全部截留了上游的泥沙，因此可以估计水库的总泥沙荷载。

山口反调节水库入库悬移质泥沙总量，为上游水库出库泥沙和小莫河水文站入库悬移质泥沙来量之和，故该水库多年平均悬移质输沙率为44.82kg/s，相应年输沙量为141.44万t，以此估算推移质泥沙输沙量，按山区河流β=0.15计，得多年平均推移质输沙量为22.63万t，多年平均输沙总量为164.06万t。

3 泥沙监测资料分析

3.1 泥沙监测方法

反调节水库的断面较为复杂，中间有支流汇入，如从监测水库淤积范围入手较为困难，故以小莫河水文站断面单沙、断沙泥沙监测资料作为主要依据。上游水库调节库容较大，泥沙淤积设计为100年，来水较丰的年份也通常无弃水，可视为泥沙下泄量极少。

小莫河水文站的泥沙监测主要以20m、30m、40m、50m垂线积深法断沙取样，以主泓30m垂线单沙取样。

3.2 监测数据

反调节水库自2011年开始进行全年泥沙监测，其中2011年径流量较多年平均径流量偏枯6%，年总输沙量为64.5万t，2012年径流量较多年平均径流量偏枯36%，年总输沙量为53.8万t。即实测数据在径流量未达到多年平均径流量的情况下，实际泥沙年总输沙量已大于多年平均输沙量49.41万t，由此不能准确了解水库在运行后的泥沙淤积状况。

3.3 悬移质泥沙颗粒级配

2011年6—8月，对小莫河水文站进行了悬移质泥沙颗粒级配的比测工作，比测位置位于水边和起点距40m处，总共进行了6个点对的比测，证实泥沙的颗粒相对较细，平均中值粒径界于0.017～0.021mm之间，约80%的泥沙组成成分为泥土和黏土，其中黏土约占25%。

4 泥沙淤积分析

山口反调节水库入库多年平均悬移质输沙量为141.44万t，其中支流小莫河入库49.41万t，占比34.94%；通过对比2011年、2012年实测数据，小莫河入库悬移质输沙量较设计分别偏大30.5%、8.9%。根据小莫河2011年总输沙量计算出山口反调节水库库沙比93.9，相对原设计库沙比103.4减小9.5,按规范标准划分，均属于泥沙淤积不严重。

根据对小莫河水文站多年泥沙监测的分析，汛期5—8月是泥沙含量较集中的月份，其中输沙量占年输沙量的88.22%，根据淤积计算分析，水库运行初期，平均排沙比为73.7%，水库运行50年时，排沙比为75.6%。取2011年小莫河年总输沙量64.5万t计算水库运行50年时的总库容，因泥沙淤积造成库容损失0.16亿m3,较原设计总库容损失0.14亿m3，损失增大0.02亿m3，对于死库容为0.50亿m3山口水库损失较小。

由此可看出，水库运行50年内，因小莫河入库悬移质输沙量的变化导致的泥沙淤积增大对调节库容的影响是较小的。