浅析双塔水库淤积形态分析

耿延军

（甘肃省疏勒河流域水资源利用中心,甘肃 玉门 735211）

1 工程概况

双塔水库位于酒泉市瓜州县城以东约48 km 的疏勒河干流中游段,是一座以灌溉为主,兼顾城乡和生态供水、防洪、工业、发电、养殖等综合利用的大（2）型平原水库,坝址以上流域面积20197 km2,多年平均径流3.41 亿m3,平均流量10.82 m3/s,推移质年输沙量9.34 万t,悬移质年输沙量186.9 万t,多年平均含沙量6.263 kg/m3。双塔水库主要建筑物有：主坝、1#、2#副坝,输水洞,1#溢洪道、2#溢洪道、泄洪渠、输水渠等。主坝为粘土心墙砂砾石坝,坝顶长1040 m,坝顶宽10.0 m,最大坝高26.80 m。设计库容2.4 亿m3,调洪库容1.325 亿m3,灌溉调节库容1.2 亿m3。水库经过60 年运行,淤积较严重,先后经历4 次除险加固。在水库上游24 km 处设有潘家庄水位站,有64 年的水文资料。根据离水库最近的瓜州气象站（1985 年～2014 年）多年观测资料统计：多年平均气温9.3℃,多年平均降水量47.9 mm,多年平均蒸发量3300 mm。

2 入库水沙资料

2.1 来水量分析

经对1952 年～2006 年的双塔水库水文资料分析,多年平均流量为10.82 m3/s,多年平均径流量3.41 亿 m3。疏勒河双塔水库坝址处水量各月分配状况见表1。由表1 可见,汛期6 月～9 月入库平均流量14.274 m3/s,入库水量占全年水量44.2%。其中7 月、8 月两月入库流量较大,平均流量19.734 m3/s,入库水量占全年水量30.88%,8 月入库平均流量最大,为21.484 m3/s,入库水量占全年水量16.8%。

表1 双塔水库设计年径流年内分配成果表

2.2 来沙量分析

双塔水库上游来水发源于祁连山脉的疏勒河流域,距上游330 km 以下河流两岸光山秃岭,植被较差,水土流失较为严重,是泥沙的主要来源地之一；此外,河流出山以后,进入走廊平地,走廊平地荒漠戈壁广布,在河水冲刷作用下河床深切,两岸局部河段岸坡失稳塌落入河,也是河道泥沙的另一个来源。

疏勒河中下游的潘家庄水文站流域面积 18496 km2,据该站实测资料统计,多年平均悬移质输沙率 59.2 kg/s,多年平均悬移质输沙量 186.9 万t,多年平均侵蚀模数为 101 t/（km2·a）。河道来沙主要集中于汛期,6 月～9 月悬移质输沙量 163.7 万t,占年输沙量的87.6%,其中 7 月～8 月输沙量 151.62 万t,占年输沙量的 81.12% 。

疏勒河潘家庄水文站实测泥沙资料各月分配状况见表2。

表2 疏勒河潘家庄水文站月、年输沙量表

双塔水库在潘家庄水文站下游24 km 处,之间地质变化不大,因此双塔水库坝址（流域面积 20197 km2）侵蚀模数采用潘家庄水文站实测的101 t/（k2·a）,计算坝址悬移质输沙量为204 万t。根据试验测算,推移质按悬移质的25%得到双塔水库坝址处推移质输沙量计算为 51.0 万t,合计多年平均来沙量255 万t。

悬移质泥沙干容重采用 l.3 t/m3,推移质泥沙干容重采用l.6 t/m3,计算得到双塔水库多年平均悬移质输沙量为156.9 万m3,推移质输沙量为31.9 万m3,年均入库沙量为188.8 万m3。

3 双塔水库的淤积形态分析

3.1 四次实测地形法测库容入库泥沙量

双塔水库自1960 年3 月建成蓄水至今,采取4 次（1960 年、1974 年、2005 年和2017 年）实测库容曲线,根据双塔水库校核洪水位 1331.8 m 对应的总库容,不同时期总库容变化情况及不同时段年均库内淤积量成果见表3。

表3 双塔水库历次总库容成果及不同时段库内淤积量成果表

由表3 可见,双塔水库1960 年至1974 年15 年中年均库内淤积量为 277.3 万m3,1960 年～2005 年46 年中年均库内淤积量为200.7 万m3,1960 年～2017 年58 年中年均库内淤积量为208.6 万m3,没有表现出一般水库随着淤积年限的增长库内年均泥沙淤积量会由于排沙比的增大而逐步减少的规律；从三个不同时段库内平均淤积量来看,1960 年～1974 年15 年中年均库内淤积量为277.3 万m3,1974 年～2005 年31 年中库内年均淤积量163.5 万m3,2005 年～2017 年12 年中库内年均淤积量 239 万m3,也无明显的规律。

由于双塔水库近两次的库容曲线施测精度较高,2005 年～2017 年12 年中库内年均淤积量 239 万m3,达到较大的淤积量,从水库防洪安全的角度综合考虑,采用1960 年～1974 年库内多年平均淤积量 277 万m3,作为预测将来双塔水库库容变化的库内平均淤积量,这是以上各种时段中年均库内淤积量最大的一个值。

3.2 双塔水库的淤积形态分析

3.2.1 横断面切割

双塔水库建成至今己有60 年,共有四次库容成果,但前两次库容成果的基础断面和地形资料缺失,利用后两次实测地形图切割横断面。

双塔水库属平原湖泊型水库,河宽变化较大,切割有25 个横剖面,库尾横25 断面距离坝址为10.862 km,各断面在双塔水库的位置分布见图1,各断面关系分别见表4。

图1 双塔水库库区横断面分布示意图

表4 双塔水库各断面情况表

双塔水库横l 断面原始河床高程 1305.0 m（采用坝下游最低地面高程数据）至库尾横25 断面深泓点高程1332.23 m之间高差为 27.23 m,库区原始河床坡降2.5‰。

（1）公式判定

①采用如下判别式,分析淤积形态:

式中：α为淤积形态判别参数,如α＜0.3,为锥体淤积；以α＞0.3,为三角洲淤积。V为总库容,亿m3。W为总入库水量,亿m3。

双塔水库截止2017 年9 月,总库容12098 万m3,坝址处多年平均总水量为34563 万m3。

α=v/w=0.35,α＞0.3,为三角洲淤积形态。

②采用如下淤积形态判别式:

K=V/（WSJ0）,如K＜2.2 为锥体淤积,K＞2.2 三角洲或带状淤积。

式中：V为总库容,万m3；WS为年均总淤积量,万m3；J0为库区比降,万分率。

总库容为12098 万m3、坝址年均总淤积量为238.83 万m3、库区比降为25.0,经计算水库K=2.03＜2.2,为锥体淤积形态。

由以上两个判别公式计算结果可见,计算结果接近临界值参数,说明截止 2017 年9 月,双塔水库的淤积形态已由三角洲淤积形态基本转化成锥体淤积形态。

（2）实测纵剖面判定

将表4 中2005 年9 月和 2017 年9 月各断面深泓点连接成库区淤积纵剖面,见图 2。

从图2 可见,双塔水库的淤积末端均位于距离坝址7492.38 m 的横18 断面及以后断面,河槽有冲有淤,处于天然状态。坝前冲刷漏斗位于横3 断面,2017 年的漏斗平底段高程基本与输水洞底坎高程1315.4 m 齐平,长度约150 m,漏斗截止于1321.0 m 高程,垂直高度约5.0 m。库区横14～横18 为三角洲顶坡段,横11～横14 为三角洲前坡段。随着坝前淤积高程的逐步增大,双塔水库的整体淤积形态正向锥体淤积形态转化,这与公式判定结果是一致的。

图2 2005 年与2017 年淤积纵剖面对比图

3.2.2 冲淤平衡分析

（1）平衡比降的计算

①类比法

采用具有实测资料的刘家峡水库寺沟峡河段进行类比。这一河段的原始河床比降J0为 3.4‰,建库后平衡比降J为1.1‰,J/J0=0.32。双塔水库库区的原始河床比降为2.5‰,求得平衡比降J为0.8‰。

②采用公式J/J0=0.79×（30× 汛期平均入库流量×J0）-0.17 计算,双塔水库汛期6 月～9 月平均入库流量为14.4 m3/s,原始河床比降J0为2.5‰,求得平衡比降J为0.62‰。

③采用公式J/J0=0.79×（坝前水深×多年平均入库流量×J0）-0.17 计算,截止 2017 年9 月,双塔水库坝前水深为14.3 m,多年平均入库流量为10.96 m3/s,原始河床比降J0为 2.5‰,求得平衡比降J为 0.71‰。

综合以上三种方法成果,确定双塔水库的平衡比降为0.62‰。

（2）造床流量

目前国内在实际工作中计算造床流量的方法很多,常用的有马卡维也夫法、平滩水位法和2 年一遇洪峰流量法。本次造床流量的计算采用2 年一遇洪峰流量法进行计算,双塔水库2年一遇洪峰流量为66.8 m3/s,因此造床流量为66.8 m3/s。

（3)冲淤平衡分析

如前所述,双塔水库的淤积末端位于距离坝址7492.38 m的横18 断面，横18 断面的河床高程为1328.94 m,截止2017 年9 月,水库坝前主槽淤积高程为1322.30 m,坝前至横18 断面的区间比降为0.89‰。经测算,当坝前主槽淤积高程达到1323.6 m 时,此区间河槽底部比降正好是 0.71‰,与分析确定的双塔水库平衡比降 0.71‰一致。由此可见双塔水库主河槽己接近冲淤平衡。但坝前主槽淤积高程由 2005 年的1321.94 m 淤高至2017 年的1322.3 m 用时12 年,每年仅淤高0.03 m。即使不考虑今后水库排沙比会逐步增大的影响，坝前主槽淤积高程达到1323.6 m 还至少需要43 年。

综上,双塔水库主河槽冲淤平衡正逐步形成,处于发展塑造中。

3.2.3 淤积上延判断

（1）公式计算

（2）纵横断面套绘

①纵剖面套绘

图2 中2005 年与2017 年纵剖面套绘成果表明,双塔水库运行60 年来,淤积末端没有超过横18 断面,发生“翘尾巴”现象。虽然水库在前40 年运行中（2000 年之前）,最高运行水位都低于正常蓄水位1330.3 m,但在后20 年接近正常蓄水位运行中,横18 断面以后各断面河槽有冲有淤,没有形成淤积上延的状况。

②横断面套绘

选取库区末端的横18 断面和横20 断面,利用2005 年9 月和2017 年9 月实测库区地形图切割两个典型断面,并将两个时段的两个断面分别套绘,见图3 和图4。从套绘图来看,自2005 年～2017 年的12 年中,库尾横18 断面和横20 断面没有发生主槽位置、高程的明显迁移变化,横20 断面的右岸坡有局部冲刷塌落现象。其它横断面套绘结果与两个典型断面基本一致。

图3 横18 断面2005 年与2017 年实测套绘图

图4 横20 断面2005 年与2017 年实测套绘图

综上分析,双塔水库由于运行水位变幅很小,基本不会发生淤积上延问题。

4 结语

本文通过公式法和实测纵剖面对平原水库淤积形态进行判定,便于在水库实际运行管理中适时采用冲淤方法,延长平原水库的使用寿命,对同类水库管理有一定的借鉴作用。