田世民,鄧從響,謝寶豐,張曉華

(1.中國水利水電科學研究院,北京 100038;2.黃河水利科學研究院水利部泥沙重點實驗室,河南鄭州 450003; 3.水利部小浪底水利樞紐建設管理局調(diào)度中心,河南鄭州 450000)

龍劉水庫聯(lián)合運用對寧蒙河道沖淤的影響

田世民1,2,鄧從響3,謝寶豐3,張曉華2

(1.中國水利水電科學研究院,北京 100038;2.黃河水利科學研究院水利部泥沙重點實驗室,河南鄭州 450003; 3.水利部小浪底水利樞紐建設管理局調(diào)度中心,河南鄭州 450000)

通過對水流連續(xù)方程、水流動量方程和河床變形方程進行離散化處理,建立寧蒙河道的水文水動力學沖淤計算模型,利用該模型對龍劉水庫聯(lián)合運用對寧蒙河道沖淤的影響進行了計算和分析。選取龍劉水庫聯(lián)合運用初期的1987—1990年為計算時段,在相似的引水條件下研究龍劉水庫運用對河道沖淤的影響,計算水沙未還原、水沙均還原、只還原水不還原沙和只還原沙不還原水等4種水沙條件下寧蒙河道的沖淤狀況。結(jié)果表明,龍劉水庫聯(lián)合運用對寧蒙河道起到了增淤的作用,龍劉水庫運用后,其蓄水所引起的河道淤積效應大于其攔沙所引起的河道減淤效應。

龍劉水庫;寧蒙河道;河道沖淤;水庫聯(lián)合運用

寧蒙(寧夏—內(nèi)蒙古)河道屬于沖積性河道,自寧夏中衛(wèi)縣南長灘入境,至內(nèi)蒙古準格爾旗馬柵鄉(xiāng)出境(圖1),全長為1 203.8 km[1]。寧夏河段下河沿—青銅峽河道長124km,河道迂回曲折,河心灘地多,平均比降0.078％;青銅峽—石嘴山河段長194.6 km,河道平均比降為0.02％。內(nèi)蒙古河段石嘴山—烏達公路橋為峽谷型河道,河長37km,平均河寬400m,河道比降為0.056％;烏達公路橋—三盛公為過渡河段,河長105km,平均河寬1800m,河道比降為0.015％;三盛公—三湖河口屬游蕩性河段,河長220.7km,河寬2500～5000 m,河道比降為0.014％;三湖河口—昭君墳為過渡河段,河長為126.4 km,河寬為2000～7000m,河道比降為0.0117％;昭君墳—頭道拐河段屬彎曲性河段,長173.8 km,河寬1 200～5000m,河道比降為0.0125％;頭道拐—河口鎮(zhèn)河段長10.3km,河寬900～2000m,河道比降為0.0156％,其下為峽谷型河段。

自龍羊峽水庫和劉家峽水庫(簡稱龍劉水庫,下同)聯(lián)合運用后,寧蒙河道不斷發(fā)生淤積,有研究者認為龍劉水庫的聯(lián)合運用造成了寧蒙河道的淤積[2-7]。但也有研究者認為龍劉水庫雖然攔蓄了上游水,但同時也攔截了部分泥沙,從某種意義上講對寧蒙河道的沖刷有著積極作用,而寧蒙河道的淤積也與工農(nóng)業(yè)用水的增加導致引水增加,從而導致河道內(nèi)輸沙用水減少有關(guān)。為了辨識龍劉水庫聯(lián)合運用后對寧蒙河道沖淤的影響,本文通過建立寧蒙河道沖淤計算模型,對水沙未還原、水沙均還原、只還原水不還原沙和只還原沙不還原水等4種水沙條件下寧蒙河道的沖淤狀況進行計算,分析寧蒙河道沖淤對龍劉水庫攔沙和蓄水的敏感性,對龍劉水庫聯(lián)合運用后對寧蒙河道的沖淤影響進行定量研究。同時,為了消除社會經(jīng)濟發(fā)展引起的沿程引水的增加對河道淤積的影響,選擇龍劉水庫運用初期(1987—1990年)作為研究時段,在該時段內(nèi)認為沿程引水年際變化不大,在相似的引水條件下考慮水庫對沖淤的影響。

圖1 寧蒙河道示意圖

1 龍劉水庫修建前后寧蒙河道沖淤特性

1.1 龍劉水庫運用情況

劉家峽水庫是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉、防凌、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水利水電樞紐工程,修建于1958年,于1968年10月開始蓄水,1969 年11月正常運用。水庫校核洪水位以下總庫容為64億m3,相應設計洪水位以下總庫容為57億m3,興利庫容為41.5億m3,為不完全年調(diào)節(jié)水庫。水庫入庫控制站為干流循化站、支流洮河紅旗站和大夏河折橋站,出庫控制站為小川站。

龍羊峽水庫修建于1976年,1986年10月下閘蓄水,壩址在劉家峽水庫壩址以上333 km。水庫校核洪水位為2605 m,相應庫容為276.3億m3,調(diào)節(jié)庫容為193.6億m3,具有多年調(diào)節(jié)功能,以發(fā)電為主,并配合劉家峽水庫擔負下游河段的防洪、灌溉和防凌任務。水庫入庫控制站為干流唐乃亥站,出庫控制站為貴德站。

1986年以后龍劉水庫轉(zhuǎn)入聯(lián)合運用階段,聯(lián)合運用的基本原則是:聯(lián)合調(diào)度,補償調(diào)節(jié)。劉家峽水庫根據(jù)綜合用水要求安排年內(nèi)的調(diào)節(jié),龍羊峽水庫在保持年際出庫水量基本穩(wěn)定的前提下,年內(nèi)根據(jù)劉家峽水庫的運行進行補償調(diào)節(jié)。水庫進出口水文站對徑流、泥沙以及級配等水文因子有著長系列的觀測資料。

1.2 水沙變化特點

龍劉水庫聯(lián)合運用后,寧蒙河道的水沙條件發(fā)生了顯著改變[2-4]。寧蒙河道典型水文站不同時期年內(nèi)水沙變化見表1?？梢钥闯?寧蒙河道下河沿、石嘴山、頭道拐等水文站全年和汛期的水沙量隨著劉家峽和龍羊峽水庫的修建和投入運用而不斷減少,且年內(nèi)分配也發(fā)生了變化。各水文站在水庫運用之前(1952—1968年)汛期來水量占年來水量的比例約為61％～63％,劉家峽水庫單庫運用期間(1969—1986 年)減少為53％～55％,龍羊峽和劉家峽聯(lián)合運用后(1987—2009年)又下降到38％～43％。天然情況下汛期來沙量占年來沙量的比例為80％～87％,劉家峽單庫運用期間降為74％～84％,兩庫聯(lián)合運用期間進一步下降到58％～78％。同時,受水庫調(diào)節(jié)的影響,輸送大沙量的流量數(shù)量級減小,且各水文站的最大洪峰流量也減小,見圖2。

表1 不同時期下河沿—頭道拐河段主要水文站水沙量年內(nèi)分配變化

1.3 河道沖淤特點

從相關(guān)文獻的研究結(jié)果來看,天然情況下(1960年以前)寧蒙河道的河床處于微淤狀態(tài),各斷面的水位是略有抬升的。1960—1968年隨著鹽鍋峽水庫、三盛公水庫以及青銅峽水庫相繼投入運用而攔截泥沙,再加上該時期寧蒙河道年徑流量大于多年均值,河道表現(xiàn)為沖刷[8],年均沖刷約0.585億t。1968年劉家峽水庫投入運用后,由于劉家峽水庫的調(diào)節(jié)能力有限,水庫對徑流量的調(diào)節(jié)不明顯,但水庫的攔沙作用較為顯著,從劉家峽水庫單庫運用的資料分析來看,寧蒙河道發(fā)生沖刷,年均沖刷0.302億t。1987年以后龍羊峽水庫和劉家峽水庫聯(lián)合運用,龍羊峽水庫調(diào)節(jié)能力較大,對河道徑流量的影響作用較大,又由于龍羊峽水庫處于黃河的主要產(chǎn)水區(qū),其攔沙影響相對較弱,由此導致寧蒙河道由沖刷變?yōu)橛俜e,年均淤積0.394億t。表2為不同時期寧蒙河道的年均沖淤量。

圖2 寧蒙河道各水文站歷年最大洪峰流量

表2 寧蒙河道不同時期年均沖淤量億t

2 寧蒙河道沖淤計算方法

2.1 模型建立

通過對水流連續(xù)方程、水流動量方程和河床變形方程進行離散化處理,并依據(jù)黃河實測資料求得有關(guān)參數(shù),進行沿程洪水推演及水流泥沙計算,建立寧蒙河道的水文水動力學沖淤計算模型,其計算方法和步驟簡介如下:

步驟1推求沿程各斷面流量。當來水量小于河段平灘流量時,只進行主河槽輸沙計算,當來水量大于平灘流量時,采用馬斯京根公式進行沿程洪水推演:

式中:流量Q的第1個下標為斷面序號,第2個下標為計算時段序號;C0、C1、C2為洪水演進系數(shù),根據(jù)實測洪水資料推求得到C0=0.05,C1=0.9,C2= 0.05(青銅峽—頭道拐各站的洪水演進系數(shù)相同)。

步驟2計算灘槽流量。由洪水演進求得各斷面流量后,對漫灘洪水進行灘地、主槽流量分配及相應水力因子計算。利用曼寧公式可得

式中:Q為全斷面過流量;Qc和Qt分別為主槽和灘地過流量;Bc和Bt分別為主槽和灘地寬度;Jc和Jt分別為主槽和灘地比降;nc和nt分別為主槽和灘地糙率;Ht為灘地水深;ΔH為灘槽高差,初始值由已知平灘流量給定,計算中隨灘槽沖淤而調(diào)整。由式(2)通過假設灘地水深試算求得灘槽流量。

步驟3分配灘槽泥沙。根據(jù)黃河的實際情況,假設水流在某一出口擴散入灘,在下一個河段又回歸入槽,分流時槽內(nèi)渾水流入灘地,隨后灘地澄清的水流返回主槽。入灘水流含沙量與主槽含沙量有關(guān),同時與河槽斷面含沙量分布有關(guān),在一維計算中不能給出斷面含沙量分布,假定入灘地含沙量St與主槽含沙量Sc成比例,即Sc=KSt,根據(jù)實測資料,K值取1.5～2,據(jù)此進行灘槽泥沙分配。

步驟4計算出口斷面輸沙率。依據(jù)1960—2009年寧蒙河道各水文站斷面實測資料,擬合各河段輸沙率的經(jīng)驗公式。將寧蒙河道全年分為封凍期、桃汛期以及常水期等3個不同時期,分別擬合輸沙率與流量及上站含沙量的經(jīng)驗公式,據(jù)此計算各出口斷面輸沙率。各河段不同時期輸沙率計算公式如下:

a.石嘴山站。式中:QS為本站點的輸沙率;Q本為本站點的流量;S上為上一站的含沙量;Q上為上一站的流量。

步驟5計算灘槽淤積量。根據(jù)各斷面進出口輸沙率求得該河段灘地和主槽的沖淤量,并假設沖淤在該河段范圍內(nèi)均勻分布,得到新的灘槽高差和平灘流量,并進入下一計算時刻。

需要說明的是,以上計算斷面為青銅峽、石嘴山、巴彥高勒、三湖河口以及頭道拐等水文站測驗斷面,灘槽的劃分采用多年平均數(shù)據(jù),河道斷面概化處理見圖3(圖中Hc為主槽水深,Bt1、Bt2分別表示左右灘地寬度)。

圖3 河道計算斷面概化示意圖

2.2 模型驗證

為了驗證模型的合理性,以青銅峽水庫壩下游為進口,利用1981—1990年水沙資料,采用該模型計算了寧蒙河道的沖淤情況,計算結(jié)果見表3和圖4,計算得到的全河段和分河段的沖淤量計算值與實測值基本一致,同時計算和實測的逐年沖淤量和累積沖淤量也基本吻合,說明模型能夠合理地反映寧蒙河道的沖淤特性,可以進行長系列的河道沖淤計算。

表3 1981—1990年沖淤量實測值和計算值對比 億t

3 龍劉水庫運用初期寧蒙河道沖淤計算

龍劉水庫投入運用后,改變了寧蒙河道的水沙條件,引起河道沖淤的變化,為了研究龍劉水庫對寧蒙河道的沖淤演變影響,對寧蒙河道的水沙條件進行還原,并利用模型計算不同水沙條件下的河道沖淤,分析龍劉水庫運用前后寧蒙河道的沖淤特點。

首先將水和沙都進行還原,將龍羊峽水庫進出庫水文站(唐乃亥、貴德)、劉家峽水庫進出庫水文站(進口站為循化、紅旗和折橋站,出口站為小川站)的流量和輸沙率差值按傳播時間換算到青銅峽水庫,其中龍羊峽水庫出庫流量到青銅峽水庫的傳播時間為4 d,劉家峽水庫出庫流量到青銅峽水庫的傳播時間為2 d,得到水庫還原后的水沙條件。利用該水沙條件通過模型計算水庫還原后1987—1990年的沖淤情況。

此外,為了研究寧蒙河道沖淤分別對龍劉水庫蓄水和攔沙的敏感性,利用上述還原方法計算只還原水不還原沙和只還原沙不還原水兩種水沙條件下的河道沖淤情況,分析水庫攔沙和蓄水單因素對河道沖淤的影響。不同還原方案下的水沙特征見表4,各方案的計算結(jié)果見表5和表6。

圖4 1981—1990系列年沖淤量計算值與實測值的對比

表4 1987—1990年不同還原方案下的水沙特征

從表5可以看到,水沙還原后青銅峽—石嘴山河段由沖刷變?yōu)橛俜e,該河段作為寧蒙河道的調(diào)整河段,當上游來沙少時河段發(fā)生沖刷,而當上游來沙多時,該河段淤積。全河段由淤積1.609億t變?yōu)橛俜e1.394億t,淤積量減少0.215億t。表明除去龍劉水庫的影響后,水沙條件更有利于寧蒙河道的沖刷,但各河段的沖淤分布將有所調(diào)整。

將水沙還原前、水沙還原后、只還原水不還原沙以及只還原沙不還原水等4種不同水沙條件下的河段沖淤量進行比較,見表6。1987—1990年由于龍劉水庫的調(diào)節(jié)作用,寧蒙河道共減水77.15億m3,減沙1.85億t。如果只考慮龍劉水庫的減水作用,即當來沙量仍然保持4.476億t時,來水量由916.65億m3減至839.5億m3,減少77.15億m3,此時寧蒙河道淤積3.407億t,比水庫運用前增淤2.013億t。如果只考慮龍劉水庫的減沙作用,即當來水量仍保持916.65億m3時,來沙量由4.476億t減至2.626億t,減少1.85億t,此時寧蒙河道沖刷0.375億t,比水庫運用前減淤1.769億t。說明龍劉水庫運用后,其蓄水所引起的河道淤積效應大于其攔沙所引起的河道減淤效應。

表5 1987—1990年寧蒙河道不同水沙條件下沖淤量計算結(jié)果億t

表6 1987—1990年不同水沙條件下全河段總沖淤量

4 結(jié) 語

對水流連續(xù)方程、水流動量方程和河床變形方程進行離散化處理,通過分析黃河實測資料求得有關(guān)參數(shù)和輸沙率公式,進行沿程洪水推演及水流泥沙計算,建立寧蒙河道水文水動力學沖淤計算模型,通過長系列水沙條件驗證表明,模型計算結(jié)果與實際過程基本吻合,說明了模型的合理性,可用于模擬寧蒙河道的沖淤特性。

選取龍劉水庫運用初期1987—1990年作為計算時段,在相似的引水條件下,通過計算水沙未還原、水沙均還原、只還原水不還原沙和只還原沙不還原水等4種水沙條件下的沖淤量得出寧蒙河道的沖淤特性:水沙還原后寧蒙河道全河段由淤積1.609億t減少為淤積1.394億t,淤積量減少0.215億t,表明除去龍劉水庫的影響后,水沙條件更有利于寧蒙河道的沖刷,即在沿程引水不變的情況下,龍劉水庫對寧蒙河道的影響仍然是增淤的。由于龍劉水庫的調(diào)節(jié)作用,寧蒙河道共減水77.15億m3,減沙1.85億t。如果只考慮龍劉水庫的減水作用,此時寧蒙河道淤積3.407億t,比水庫運用前增淤2.013億t;如果只考慮龍劉水庫的減沙作用,此時寧蒙河道沖刷0.375億t,比水庫運用前減淤1.769億t。說明龍劉水庫運用后,其蓄水所引起的河道淤積效應大于其攔沙所引起的河道減淤效應。

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Effects of joint operation of the Longyangxia and Liujiaxia Rservoirs on scouring and sedimentation of the Ningxia-Inner Mongolia Reach

//TIAN Shimin1,2,DENG Congxiang3,XIE Baofeng3,ZHANG Xiaohua2(1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;2.Ministry of Water Resources Key Laboratory of Yellow River Sediment Research,Yellow River Institute of Hydraulic Research,Zhengzhou 450003,China;3.Xiaolangdi Dam Project Construction and Management Bureau,Zhengzhou 450000,China)

Based on the empirical generalization of the flow continuity equation,the flow momentum equation and the riverbed deformation equation,a computational model was established for the research on the scouring and sedimentation of the Ningxia-Inner Mongolia Reach in the upper Yellow River.The effects of joint operation of the Longyangxia and Liujiaxia Reservoirs on the fluvial processes of the Ningxia-Inner Mongolia Reach were estimated and analyzed using this model. Taking the early operation stage of the two reservoirs(1987—1990)as calculating period,the scouring and sedimentation of the Ningxia-Inner Mongolia Reach was calculated under four kinds of water and sediment conditions.The results show that,joint operation of the Longyangxia and Liujiaxia Rservoirs increases the sedimentation of the Ningxia-Inner Mongolia Reach,the effect of sedimentation increase due to water storage is greater than the effect of deposition reduction resulting from sediment retaining.

Longyangxia and Liujiaxia Rservoirs;Ningxia-Inner Mongolia Reach;scouring and sedimentation;joint reservoir operation

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.013

TV851

A

10067647(2013)03005905

2012-07-02 編輯:駱超)

國家“973”基礎研究項目(2011CB403303,2010CB951102);水利部公益性行業(yè)專項(201001013)

田世民(1981—),男,河南偃師人,高級工程師,博士,主要從事河流水沙綜合管理研究。E-mail:tsm1981@163.com