册田水库泥沙淤积研究

2020-08-05赫振平

山西水利 2020年2期

赫振平

（册田水库管理中心，山西大同 037300）

在河道上兴建水库必然会改变河流的水流条件和泥沙运动状态，水库淤积研究就是为了掌握水库的淤积特性和冲淤的动态发展，有效控制水库泥沙淤积，延长水库使用寿命，提高水库的效益，为水库调度运行以及除险加固提供科学依据。党的十九大指出，必须树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，要求把水库生态调度纳入到现行的水库运行管理当中，水库淤积研究也成为水库生态调度，保护河流生态系统的一个重要课题[1]。

同时，由于2018年册田水库除险加固工程设计对水库原始的特征水位、水闸高度等作了较大的修正，水库非常溢洪道六孔闸门由旧闸的6 孔12m×9.6m（b×h）弧形闸门变更为12m×7.6m，门高降低了2m，水库设计洪水位由957.57m 变更为957.07m，这些较大改动的基础数据之一就是通过推算远期水库泥沙淤积库容进行调洪演算得到的。因此，为慎重起见，对水库的泥沙淤积重新进行复核计算。

1 工程概况

册田水库位于海河流域永定河水系，是桑干河干流上山西省出境控制性工程。坝址以上控制流域面积1.67万km2，占下游官厅水库以上总流域面积的38.5%。水库大坝为均质土坝，坝顶高程962m，最大坝高42m，总库容5.8 亿m3，是山西省唯一一座全国重点防汛水库。

水库始建于大跃进时期的1958年，当时规划的主要任务是农业灌溉、发电以及为下游官厅水库防洪拦沙延长其使用寿命。1992年第一次除险加固工程完成后，水库的任务转变为以防洪为主，同时兼顾大同市供水、灌溉，为北京市输水的任务。2018年除险加固工程对原设计指标进行了调整，正常蓄水位956m，设计洪水标准为100年一遇，相应水位957.07m，校核洪水为2000年一遇，相应水位960.04m。

桑干河是山西省五大主要河流之一，流域多年平均降水量380.8mm，河道平均纵坡3.3‰，河床糙率0.03，河型为宽浅式的游荡型河流。流域多年平均实测输沙量303万t，多年平均输沙模数547 t/(km2·a)，输沙主要集中在汛期，约占年输沙总量的80%。册田水库坝址上游桑干河干流总长241km，河床土质为粉砂土，稳定性差，干流属于不稳定河槽（冲淤河槽），各支流除浑河由细泥沙组成外，其余由砂卵石组成。

2 泥沙淤积分析

水库淤积是一个长期的过程，水库淤积是入库径流对水中不同粒径泥沙分选的结果。一方面，在水库回水末端区由于水的流速迅速递减，卵石、粗沙等推移质首先淤积，随后悬移质中的大部分床沙质沿程沉淀形成三角洲，过三角洲后由于水面扩大水流的紊动强度锐减，悬移质中剩余的床沙质淤积在坝前，当洪水的含沙量较大时，也可能形成异重流，如果适当利用，可大大减少水库的淤积；另一方面，淤积过程使水库回水曲线不断抬高，淤积末端逐渐向上游伸延，但整个发展过程随时间和距离逐渐减缓；最终，在回水末端以下，直到拦河坝前的整个河段内，河床将建立起一种新的平衡[2]。

2.1 库区淤积形态

2.1.1 纵向淤积形态

由水库泥沙淤积纵断面变化（见图1）分析，水库淤积纵向形态大致可分成4 个区：

第一区：坝前约10km，多年处于库水位变动范围的下部，本区为水库的主要淤积区，受库水位与河道地形的限制，泥沙淤积成漏斗状，坝前淤积最为严重、最大淤积厚度达25m，淤积高程达945m。此区平均淤积宽度约1350m，淤积量约占总淤积的47%。

第二区：坝前10～18km，本区位于库水位变动范围之内，淤积面基本和原始河道底坡平行，属带状淤积的输沙平衡区，最大淤积厚度10.1m，平均宽度约1560m，淤积量约占总淤积的26%。

第三区：坝前18～25km，本区位于库水位变动的上部，是丰水年库水位运行区，属淤积三角洲。在1985年以前淤积三角洲位于第二区中部，以后淤积三角洲逐渐后移。主要是由于水库建成后被评定为全国首批43 座病险库之一，水库在建库后的前30年时间里一直保持低水位运行，运行水位为945m～951m 之间，1992年水库第一次除险加固工程完成后，逐步提高蓄水位，水库开始维持在较高水位运行。本区最大淤积厚度7.9m，平均宽度约1480m，淤积三角中部凸出约1.2m，淤积量约占总淤积的20%。

第四区：坝前25～32km，此区虽然处于坝顶高程以下库区范围，但是由于水库水面从未上升至此区，本区主要属天然河道的冲淤，淤积最大厚度约4.8m，断面最小平均淤积厚度约1.6m，淤积量约占库区总淤积量的7%。

图1 册田水库泥沙淤积纵断图

2.1.2 横向淤积形态

水库淤积的横向形态基本上是对原河道断面的冲淤变化。由于自1995年以后，除1996年最大入库洪峰为506m3/s，1998年为201m3/s，2003年为310m3/s 外，最大入库洪峰均在100m3/s 以下，因此库区两岸处于稳定状态，河道的水流形态基本没有大的改变，淤积断面逐年上抬，在最高蓄水位以下水库淤积横向产生平衡的效果。

第一、二、三区淤积形态在横向上基本呈均匀性的水平状，宽度逐年增宽；第四区由于处于库水面以上，受水库回水影响较小，因此河道横断面存在明显的深泓线，淤积横向冲刷状态较为明显，淤积厚度比其他三区大为减少。库尾固定桥横断面淤积变化见图2，库尾固定桥断面平均淤积厚度约1.6m，淤积速率约3 cm/年。由于近年来天然径流与入库洪峰的逐年减小，第四区的深泓线深度一般为1m 以下、最大不超出2m，这些深泓线与冲沟在第二区就基本上消失了。

2.2 淤积的时效性

2.2.1 淤积速率

由水库年淤积、径流、洪峰、降雨量过程线图3 可知，年淤积速率减小趋势明显，20 世纪60年代年平均淤积量为1294万m3，70年代为523万m3，80年代为320万m3，90年代为57.2万m3，2000—2009年为57.7万m3。特别是从1983—2009年26年间，水库淤积维持在较低水平，其年均值仅为57.5万m3，仅为建库初期的4.4%，说明库区淤积速率总趋势急剧减小的同时也愈来愈趋于平缓。

2.2.2 淤积过程峰值

由水库淤积、径流、洪峰、降雨量过程线（见图3）可知，与水库天然径流的峰区相对应水库淤积明显存在两个峰区，其中，1967—1969年3年淤积量为6370万m3，1978—1981年4年淤积量为4718万m3，两次淤积总量约占水库总淤积的50%。水库从1960年开始拦洪至1983年的24年间累计淤积量占总淤积量的94.1%，水库的淤积从此开始减少且平缓，1983年以后26年的累计淤积量仅占总淤积的5.9%。

图2 库尾（固定桥）横断面淤积变化图

图3 淤积、径流、洪峰、降雨量过程线

2.2.3 淤积分高程的时间分布

由淤积分高程分布图4 可知，在1982年以前水库淤积主要集中在954m 以下，954m 以下淤积约占当时总淤积量的93%。分析原因，主要是1960年水库开始拦蓄洪水，至1975年15年间，当时大坝坝顶高程仅为953.6m，水库蓄水水位维持在940m～944m之间；1975年水库二期扩建工程完工后，大坝加高至961.5m 高程，至1980年库水位一般为950m～953m，这是前期淤积分布在954m 以下的主要原因；1982年以后，由于库水位的逐年提高，水库淤积主要集中在954m 以上，至1997年库水位上升至正常水位956m（期间1995年10月达到历史最高水位956.52m），同时这一时段的径流与洪峰均有较大的减小，因此淤积逐步后移，这是后期水库淤积主要分布在954m 以上的主要原因。

图4 淤积分高程分布图

2.3 水库输沙量分析

桑干河输沙有悬移质、推移质和跃移质，水文观测资料仅限于悬移质。水库入库泥沙数据[3]是由册田水库库尾固定桥水文站实测入库水量及悬移质输沙量乘以册田水库流域面积与固定桥流域面积（15803km2）之比求得，推移质按实测悬移质的10%计算。经统计计算，水库从1960 开始拦洪，至2004年45年间入库泥沙系列均值为1041万t，变差系数为1.9。其中，最大来沙年发生于径流量最大的1967年，入库泥沙为12041万t（其中悬移质11149万t，推移质892万t），占45年总入库泥沙量的25.7%。

由表1 可知，水库平均入库泥沙（悬移质与推移质之和）从20 世纪60年代的3203万t，至2004年减少到43万t，减少比例为98.6%；平均径流量由26714万t，减少至6219万m3，约减少76.7%。

表1 水库年入库输沙量与平均径流量表

河道输沙量随不同年代入库径流量逐渐减少，入库泥沙（悬移质与推移质之和）总的趋势呈现减少趋势，而且入库泥沙的减小幅度逐渐变大，同时入库泥沙比的年径流减小幅度更大。含沙率随天然径流的的减小而减小，平均含沙率由20 世纪60年代的119.8 kg/m3减少至6.9 kg/m3，约减少94.2%。因此，入库泥沙与径流的含沙率大为减小这一现象说明，从20 世纪70年代以来桑干河中上游流域进行的大规模的水土保持与河道治理工作作用明显，成效显著。

2.4 相关分析

由于水流是泥沙的载体，有必要根据相关系列开展入库水沙量相关分析。表2、表3 中天然径流为经还原计算后的入库径流，实测径流和入库洪峰为水库库尾固定桥水文站实测值，降雨量为库区上游艾庄水文站实测年降雨量。水库年淤积量与天然径流、实测入库径流、年最大洪峰、拟降雨量的相关系数见表2。

由表2 中各数据的相关性分析可知，除年降雨量的相关性较差外，其余四者总体上相互均有较好的线性相关关系。

表2 相关性计算

表3 回归分析计算

由回归分析得出如下关系式：

式中，V（t）为年淤积量，万m3；Q1为年还原后在天然径流量，万m3；Q2为年实测径流量，万m3；Q3为年入库最大洪峰，m3/s；Q4为年降雨量，mm。

通过径流、洪峰、降雨量对水库淤积的回归分析，求出其复相关系数R 为0.8809，表明它们之间的关系为高度正相关。由表3 可知，入库洪峰系列的回归系数为0.7226，其统计量参数p 值为3.43E-05，可以认为模型在α=0.000034 的水平上显著，其置信度达99.9966%，说明水库淤积与入库洪峰的相关性较其他三者更为显著；降雨量系列的回归系数为-0.3487，说明水库淤积与年降雨量呈弱的负相关性，也说明此雨量站不能近似地代表全流域的降雨情况，而降雨量系列的衰减情况并不明显，说明天然径流与入库洪峰逐年减小，主要是桑干河中上游人类活动影响所致。

3 库容特性与泥沙淤积预测

3.1 库容特性[4]

选择原始库容、1969年、1982年、1999年以及2009年的库容成果，绘制成水库库容演变曲线图（见图5）。历年库容数据表明，册田水库从1960年开始蓄水拦洪，前期淤积速率极快，至1982年水库淤积已基本形成冲淤相对平衡状态，1982年以后水库的淤积很小，至2009年总淤积量占总库容的39%。其中，正常蓄水位以下淤积20900万m3，占兴利库容的55%；设计水位库容损失21593万m3，约减小50%；校核水位库容损失22383万m3，约减少40%，显示出水库低水位库容的损失严重。

图5 水库库容演变曲线图

3.2 水库淤积预测

3.2.12018 年除险加固工程设计中淤积预测

在2018年水库除险加固工程设计中，水库入库泥沙选用1952—1998年实测入库输沙量系列，采用沙量平衡法和水沙关系法相互辅佐应证进行计算，由于近年来水库来沙量很小，出于对工程安全的考虑，计算时未加入1998年以后的输沙系列。入库泥沙和水库淤积的预测见表4，其中2030年数据为本文按设计中2010年和2020年的数据推算。

3.2.2 由水库淤积系列预测

水库从1960年开始拦洪，1964年开始正式对水库淤积测量，至1999年只有少数几年未进行淤积测量，水库淤积的测量方法采用断面法进行，于2009年采用断面法与水下地形测量对水库淤积进行了测量，没有测量数据几年的淤积量采用径流相关法进行插值。由水库累积淤积量及其预测图6 可知，1983年为淤积变化的分界点，之前24年的累计淤积量占总淤积量的94.11%，这也与桑干河年际径流的突变点的结论相一致[5]。因此，采用1983—2009年的淤积系列进行分析预测，得出如下水库淤积模型，预测数据见表5。

表4 2018年除险加固工程对水库入库泥沙和淤积的预测表

式中，V 为水库累积淤积，亿m3；t 为时间，年。

图6 水库累积淤积量及其预测

3.2.3 由入库输沙量系列预测

2018年除险加固工程设计中1998—2010年的平均入库输沙量是按900万t 计算的，而由实测入库泥沙计算1998—2004年平均量仅为105.6万t，由水库1990—2009年的实测淤积量返推的年入库泥沙为87万t（排沙比取10%），后二者基本接近。

由于1983年既是桑干河流域年际径流的突变分界点，同时也是册田水库库区淤积发生突变的分界点，因此入库输沙量分析采用1983年以后系列进行计算。1983—2004年入库泥沙总量约为5239万t，年平均为238万t，比长系列均值小约1/4，因此计算时不再考虑其递减量，排沙比按文献与2018年设计选取为10%，最后计算得年净淤积率为164.8万m3。

由表5 可知，采用水库淤积数据系列和采用入库输沙量系列计算的结果较为一致，二者2020年的预报值相差5%、2030年相差9%，说明水库在1983年以后，水库淤积进入平衡状态，年际径流、入库洪峰以及含沙量由于受上游人类活动以及本流域与全球水文气象特性变化的影响而发生改变，2018年设计时未考虑这些情况，得出的淤积量较大，偏重于安全。