水库泥沙淤积测量及断面流速特性分析

杜亚平

(山西省水文水资源勘测总站运城站，山西 运城 044000)

0 引言

水库的泥沙淤积关系着水库的安全和寿命，淤积测量是研究水库水文变化规律，保证水库安全运行的重要基础性工作[1]。水库运行过程受库区水势和尾水影响，泥沙在水库淤积是必然趋势[2]。淤积不仅减少有效库容，降低防洪能力，甚至严重影响水库效益的发挥。本文通过开展龙渠水库泥沙淤泥性形态和库区典型断面流速分布测量分析工作，进而掌握水库淤泥特性。

1 工程概况及测量仪器

1.1 水库现状

龙渠水库位于山西省晋城市沁水县沁河干流上，是以城市生活和工业供水、农村人畜饮水为主，兼顾防洪、发电等综合利用的大(Ⅱ)型水利枢纽工程。水库枢纽包括：拦河大坝、导流泄洪洞、供水发电洞和溢洪道等。龙渠水库采用100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。正常蓄水位759.0 m，防洪高水位759.78 m，设计洪水位760.80 m，校核洪水位762.63 m，死水位728.2 m。

1.2 ADCP仪器

ADCP工作原理是采用收发兼容的声学换能器，同一个换能器在发出一组超声波后，等待接收从不同距离的水中悬浮颗粒发射回来的超声波信号；然后分段接收不同距离水流的速度和方向。对于安装在水面或海底的垂直方向发射的测量，通常会采用一种称为底跟踪的技术，在发射的途中遇到河底，会有一个很强信号的反射，用这种方法可以判断是否测到了河底或水面。使用ADCP获得断面流速数据及水深等数据，完成淤积测量工作。

2 水库淤积分析

通过测量断面水深数据的采集工作，利用ArcGIS软件生成水库库区的DEM数据，按照DEM库容分析理论结合水库淤积形态判别公式得到现状、历史库容对比图，见图1。

图1 历史—现状库容变化对比图

2.1 水库淤积形态

水库淤积形态判别指数计算采用式(1)：

a=V/(W·J)

(1)

式中：J为河道纵比降；W为总入库沙量，m3；V为总库容，m3。

历史多年平均悬移质年输沙量为264.9万t，多年平均含沙量为5.54 kg/m3，多年平均推移质年输沙量为39.7万t。本此测量总库容为37410.10万m3(校核洪水位762.63 m)。带入公式计算，计算值a为2.82，大于2.2，表示淤积形态为典型的三角洲淤积。

2.2 库容数据对比分析

从图1和库容变化情况(表1)可以看出，水库运行13年间，总库容共减少了1989.90万m3，相对原始库容损失率达5.05%。图表中还显示有局部水位有库容增加，具体为库底高程由699.75 m降低至696.06 m，水位为715 m及720 m时，说明主河槽内存在局部冲刷现象，但总体表现为淤积状态。

表1 库容变化情况表

2.3 纵横断面分析

由表2可知，龙渠水库淤积体形态为三角洲淤积。但在坝前0+000即断面001处，主河槽淤积较为明显，河底高差为1.213 m，这是由于龙渠水库在距离大坝2.5 km处进入主库区，主库区淹没范围较大，有部分水下高坮被淹没，高坮被主流冲刷至坝前所致，河道纵比降由0.242%变缓至0.241%。

表2 纵断面数据对比表

龙渠水库库区属于河道型水库，干流河道属于弯曲型河道，弯道较多，犹如一条蜿蜒盘旋的飞龙。在河道转弯位置，弯道表层水流向凹岸一侧运动，随后潜入河底向凸岸运动，底层的水流运动相反，先向凸岸运动，随后翻至水面向凹岸运动，因此河流弯道上呈现不同的淤积现象。凹岸，附近无泥沙淤积，甚至有略微冲刷现象，凸岸，淤积则较为明显。

002断面位于龙渠河支流出口处，主河槽稍有冲刷，两岸有淤积，左岸淤积大于右岸。003、004、龙3断面，有均匀冲淤变化。005和008断面，左岸冲刷，右岸淤积。3断面因位于沁河主流冲顶面，两岸及河槽均有冲刷。分析表明，水库有淤积又有冲刷，但淤积大于冲刷，总体为淤积趋势。

2.4 典型断面流场分布

选取典型断面利用ADCP对原流场分布进行测量。数据采集过程包括开始河岸数据采集、河道断面走航数据采集以及结束河岸数据采集，其中为了满足数据分析要求，开始河岸和结束河岸需至少采集十组及以上数据，且在开始河岸和结束河岸采集时船只需尽量静止在水面。利用测量数据绘制断面流速等值线图，绘图结果见图2～图5。

图2 断面001流速分布图

图3 断面004流速分布图

图4 断面006流速分布图

图5 断面008流速分布图

由典型断面流速等值线图可知，典型库区断面流速分布整体偏小，主要流速大小分布在0.00 m/s～0.04 m/s，在断面中只有部分区域出现流速大于此范围，但整体数量较少，库区流速较小原因主要是库区内无流动水流产生，虽有发电供水存在，但对整体库区流场大小影响较小。库区河道断面流速整体较坝前断面流速大，流场变化较复杂，但河道断面截面面积却比坝前断面截面面积小得多，这也是河道断面流速偏大的原因之一。

3 结论

水库蓄水是提高水资源利用率的有效方法，但泥沙淤积问题严重威胁水库的使用寿命和功能的充分发挥。使用ADCP仪器测量对断面淤积形态和库容变化进行测量分析，绘制典型断面流场分布图，以期为龙渠水库的合理运行及管理提供理论依据。龙渠水库运行至今，经过13年时间，河床变形，河道比降变缓，总库容共淤积1989.90万m3，相对原始库容损失率达5.05%，年均淤积量为153.07万m3。同时，库区河道流场变化较复杂，常年来沙使库容减少，对水库影响较大。为充分发挥水库的综合效益，应注重流域内的水土保持，减少上游水土流失，加强水库泥沙淤积测验工作，及时了解水库库容的损失及泥沙淤积分布规律，以制定水库合理调水、调沙及库区整治方案，保证水库功能的正常运用，进而合理高效利用水资源。