马莲河高含沙水开发利用模型分析

王 括

（辽宁葠窝水力发电有限责任公司，辽宁 辽阳）

马莲河主要依靠降雨补给，多年平均径流量为4.8 亿m3，但因整个流域水土流失严重，年输沙量达1.34 亿t，最大含沙量1050 kg/m3，占甘肃年入黄河泥沙量的21%。马莲河流域是多沙粗沙区，其中大于0.05 mm 粒径的粗沙，主要来自洪德以上，洪德实测多年平均含沙量高达518.2 kg/m3，水资源主要集中在汛期，汛期多年平均径流量为3.27 亿m3，占多年平均径流量4.32 亿m3的76%，而且多以暴雨洪水的方式出现，陡涨暴落，历来均未作任何截留即直接并入泾河。针对庆阳市发展对水资源利用的需求，如能设法对汛期洪水加以利用，将会大大缓解庆阳市水资源的压力。

文中以马莲河中下游的高含沙水流利用为重点，力求在对马莲河水资源、汛期洪水利用分析的基础上，利用高含沙水流运动一维水动力学模型，模拟推求马莲河流域在洪德站和砚瓦川处建立拦蓄工程后利用部分汛期洪水的计算结果，以便为庆阳市提供汛期洪水利用初步的可行性方案。

1 马莲河汛期水沙过程分析

马莲河中小洪水多为局地暴雨形成，涨水历时短，峰型尖瘦，年年均有发生；特大洪水一般由笼罩面积大、持续时间长的大暴雨形成。无论实测资料还是调查洪水，都表明马莲河是甘肃省洪水最多，洪量最大的河流之一，也是泾河洪水主要来源地。洪水特点是峰高、量大、破坏性强。根据雨落坪、庆阳等水文站的实测资料，马莲河每1.5 年有一次洪峰流量超过1000 m3/s的洪水过程，每3 年有一次洪峰流量超过2000 m3/s 的洪水过程，每6 年有一次洪峰流量超过3000 m3/s 洪水过程，超过5000 m3/s的洪水过程有2 年。

1.1 典型年汛期水沙过程

根据已掌握的资料，对马莲河汛期洪水过程的数据进行整理，并绘制过程线图，选取其中的洪德站、庆阳站和雨落坪站作为主要水文站点来分析马莲河的洪水特征，其中洪德站代表洪水过程为1967 年，为了研究洪水的来水规律，绘制各场洪水的过程线，见图1。

图1 1967 年马莲河洪德站不同月洪水过程

1.2 近两年水沙变化规律

为了分析最近的来水及泥沙的变化规律，根据2006 年和2008 年的日平均数据，绘制洪德、庆阳和雨落坪站汛期的流量及含沙量过程，见图2。

图2 各站流量含沙量过程

由图2 可以看出，汛期洪水利用主要考虑两个部分，一部分为汛期中非大洪水，即汛期基流，这部分水量的含沙量在20 kg以下，另外一部分为大洪水的末端洪水，这部分水量虽然含沙量较高，但是经过沉积后可以利用一部分。

2 马莲河高含沙水利用模型

2.1 因素分析

采用简化的一维水沙动力学模型，主要考虑以下的因素：库区水位- 库容曲线，根据DEM 数据获得；汛期来水来沙过程，根据历史数据获得5 月21～9 月 20 日数据；根据交流结果确定引水水量，不同引水量与利用方式以及泥沙淤积量不一样；根据来水过程，引水量确定拦蓄时机，引水量及引水含沙量；根据引水过程数据确定沉沙池的容量；根据沉沙池容量、引水过程、入流含沙量、出流含沙量确定沉沙池泥沙淤积量。

2.2 洪水利用模型主要水力要素

（1）摩阻流速

式中：u*为摩阻流速，m/s；n 为糙率；g 为重力加速度，m/s2；v 为流速，m/s；R 为水力半径，m；J 水力坡度。

（2）沉速计算

采用斯托克斯公式计算粒径级泥沙的沉速，即：

式中：ρs、ρw分别为沙、水密度，g/cm2；d 为粒径，mm；ω 为泥沙沉速，cm/s；g 为重力加速度，cm/s2；v 为水的运动粘滞系数，cm2/s。

（3）含沙量

式中：S0为堰前断面含沙量，kg/m3；Sr为入口含沙量，kg/m3；L 为长度，m；q 为单宽流量，m3/s；a 为恢复饱和系数；ω 为沉速，cm/s。

（4）宽顶堰出流计算

式中：m 为宽顶堰流量系数，取值0.385；b 为宽顶堰堰顶宽，m；h 为溢流堰的堰顶水深，m。

（5）入池平均含沙量

式中：Qi为实际引用流量，m3/s；Qn为天然河道日平均流量，m3/s；Qd为设计引用流量，m3/s；S 为时段平均入池含沙量，kg/m3。Si为天然河道日平均流量，m3/s；T 为时段天数，d。

3 马莲河高含沙水利用结果

3.1 高含沙水利用方案

在对马莲河水资源、汛期洪水利用分析的基础上，利用高含沙水流运动一维水动力学模型，模拟马莲河流域建立拦蓄工程，利用部分汛期洪水的模型计算结果，得到庆阳市汛期洪水利用初步的可行性方案。根据调查，认为砚瓦川可作为马莲河旁侧调蓄水库，在砚瓦川水库与马莲河之间修建沉砂池，并参照都江堰鱼嘴分流的利用方式和飞沙堰排沙的办法解决沉砂池中泥沙淤积的问题，具体利用方案可以分以下几步：

①在马莲河河道内砚瓦川口具有分叉型河道断面的河段修建低坝或闸，初步降低河道流速，为取水做准备；②在闸前或低坝前旁侧开口形成引水渠，当马莲河的来水含沙量小于14 kg/m3时开始引水；③设计引渠断面为逐步增大的宽浅式断面，以形成靠近河边的缓冲池，达到初步沉沙的效果；④以窄深式断面的引渠将近河处的缓冲池和远河处的沉砂池衔接，防止泥沙在引渠内沉积；⑤以顺着水流方向的鱼嘴状分水岭将沉砂池分成两个深槽A 与B，并分别设闸，而调蓄方式是当A 在汛前取水沉沙时，可让B 关闭；运行一段时间后当A 的沉沙容量不足时，采用B 沉沙；当大汛来临时则打开已经淤满的A 或B 槽的闸门，利用大流量来水将淤沙全部冲入下游河道；⑥经过沉砂池沉沙后的清水进入砚瓦川水库，并作为马莲河的旁侧调蓄水库。马莲河汛期洪水体利用方案见图3。

图3 马莲河汛期洪水体利用方案图

3.2 利用方案的计算结果

根据洪德站、庆阳站、雨落坪站多年平均来水量、洪德站1976 年洪水过程和2006 年、2008 年汛期来水来沙过程，通过还原计算，分别得到洪德站、砚瓦川（采用庆阳站、雨落坪站计算得到）平水年汛期（6 月～9 月）天然来水来沙过程，代入模型，计算结果见表1。

表1 洪德站汛期洪水利用结果

根据表1 结果，两处取水点汛期来水量26910 万m3，其中可以利用的水量5432 万m3，洪水资源利用率20.2%，引水平均含沙量15 kg/m3。由于泥沙前期蓄水，水流变缓，而且沙峰滞后于洪峰，部分泥沙将沉积在河床中，每年28 万t，这部分泥沙需要清淤。根据可利用水量、引水含沙量以及沉沙池出流含沙量的要求，需要建立184 万m3的沉沙池用于洪水泥沙的再沉积。

洪水的利用需要拦蓄工程、引水工程和沉沙池，其中拦蓄工程要求洪德站、砚瓦川两处取水点有效库容分别达到140 万m3、900 万m3，引水工程采用提水和堰流相结合的方式。沉沙池的设计满足相应的库容要求，具体尺寸可以根据当地地形条件确定，此外，在砚瓦川处，也可以在支流建立一个旁侧水库，引水后直接到旁侧水库。

4 结论

通过以上的计算可知，通过一定的工程和非工程措施，庆阳市在两个取水点平水年可利用洪水量分别为592 万m3和4840 万m3，总共可用水量为5432 万m3。其中，汛期洪水的利用主要需要修建以下工程：拦蓄工程，用于拦蓄汛期洪水，建议在河道中修建闸门，便于排沙。引水工程，用于将河道中的水引到沉沙池，需要建立引水口闸门，引水渠道，另外部分点根据需要加引水泵站。沉沙池工程，用于将引水渠道中的水进行沉淀，从而获得自来水厂和工业区的用水要求。