燕 荔 彭穗萍

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況

南溝門(mén)水庫(kù)工程位于陜西省延安市黃陵縣境內(nèi)，由葫蘆河南溝門(mén)水庫(kù)、洛河引洛入葫馬家河引水樞紐和輸水隧洞三部分組成。

南溝門(mén)水庫(kù)位于洛河支流葫蘆河下游，距黃陵縣城約20km。工程由攔河壩、泄洪洞、引水發(fā)電洞、溢洪道組成。

引洛入葫工程是在洛河干流中游洛川縣西北的馬家河村，修建馬家河引洛入葫引水樞紐，將洛河干流非灌溉期含沙量小于3%的水量引入南溝門(mén)水庫(kù)，與南溝門(mén)水庫(kù)共同完成在不影響交口河斷面綜合用水要求情況下，為水庫(kù)受水對(duì)象的工業(yè)及當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)生活供水，結(jié)合移民安置向隆太塬灌區(qū)提供灌溉水量。

2 研究水庫(kù)泥沙淤積的目的

據(jù)南溝門(mén)水庫(kù)的參證站張村驛站懸移質(zhì)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均含沙量9.1kg/m3，汛期平均含沙量 19.7kg/m3，實(shí)測(cè)最大含沙量為537kg/m3。

據(jù)馬家河引水工程的參證站交口河站實(shí)測(cè)懸移質(zhì)資料統(tǒng)計(jì)，多年平均含沙量為156kg/m3，汛期含沙量占全年的97.8%，實(shí)測(cè)最大含沙量為1200kg/m3。

由于南溝門(mén)水庫(kù)的來(lái)沙量相對(duì)較大，為泥沙問(wèn)題相對(duì)較嚴(yán)重的水庫(kù)，而水庫(kù)的建設(shè)任務(wù)主要是供水，需要保持較大的調(diào)節(jié)庫(kù)容，以保證工程的供水任務(wù)。因此，需要研究水庫(kù)泥沙運(yùn)行方式，并且要考慮泥沙的調(diào)度。在維持水庫(kù)綜合利用要求條件下，盡量減少調(diào)節(jié)庫(kù)容淤積量，保持水庫(kù)長(zhǎng)期使用，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，使水庫(kù)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

3 泥沙調(diào)度運(yùn)行方式分析

根據(jù)水庫(kù)蓄水運(yùn)用方式，引馬家河水量與南溝門(mén)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)節(jié)結(jié)果，進(jìn)行在不降低水庫(kù)供水效益條件下，水庫(kù)相機(jī)排沙運(yùn)用的可能性及條件分析。

南溝門(mén)水庫(kù)蓄水運(yùn)用方式。引馬家河水量、南溝門(mén)水庫(kù)多年平均棄水量占?jí)沃房捎脧搅髁康?2%，發(fā)生棄水的年份為21年，占總調(diào)節(jié)年數(shù)49年的42.9%，但發(fā)生最大棄水年份的最大流量為36.42m3/s。

在不降低水庫(kù)供水效益條件下，水庫(kù)相機(jī)排沙運(yùn)用的可能性及條件：①水庫(kù)要有足夠的下泄水量；②下泄水量要有足夠的流量。

設(shè)計(jì)水平年2020年南溝門(mén)水庫(kù)壩址多年平均可用徑流量為11822.76萬(wàn)m3，加上實(shí)際引用馬家河水量4424.28萬(wàn)m3，而工程受水對(duì)象的工業(yè)與城鎮(zhèn)生活“以供定需”需水量為11940萬(wàn)m3，滿(mǎn)足河道的生態(tài)基流水量為946.4萬(wàn)m3，需給洛惠渠灌區(qū)補(bǔ)水 1465.16萬(wàn) m3，隆太塬灌區(qū)需水1053.28萬(wàn)m3，在滿(mǎn)足水庫(kù)供水效益條件下，水庫(kù)沒(méi)有多余的水量進(jìn)行蓄清排渾、相機(jī)排沙，減少泥沙淤積。

由此，在水庫(kù)滿(mǎn)足供水效益條件下，南溝門(mén)水庫(kù)工程，采用蓄水?dāng)r沙[1]的水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用方式。

4 泥沙模型建立

葫蘆河和洛河都屬于多沙河流，對(duì)于這種多沙河流上的水庫(kù)，一維水沙數(shù)學(xué)模型[2]具有計(jì)算速度快、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適用于長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)系列河床演變(泥沙沖淤)過(guò)程計(jì)算，該模型基本方程由水流、泥沙等四大方程組成，用這幾個(gè)方程式聯(lián)立求解能反映水沙作用的復(fù)雜性，模型基本方程如下：

水流連續(xù)方程

水流動(dòng)量方程

泥沙連續(xù)方程

河床變形方程

其中Q為斷面流量，S為斷面平均含沙量，U為斷面平均流速，B為斷面水面寬度，Z為斷面水位，S*為斷面平均挾沙力，g為重力加速度，αe為動(dòng)量修正系數(shù)，α為泥沙非平衡恢復(fù)飽和系數(shù)，ω為泥沙顆粒沉速，γ’為泥沙干容重，d為泥沙粒徑，A0泥沙沖淤面積，K流量模數(shù)，qL單位流程上的側(cè)向輸沙率，qs單位流程上的側(cè)向流量，t為時(shí)間步長(zhǎng)，x為空間步長(zhǎng)[3]。

對(duì)于黃河流域高含沙水流，由此建立的數(shù)學(xué)模型必須經(jīng)過(guò)實(shí)際資料的驗(yàn)證，才能用來(lái)進(jìn)行有關(guān)工程計(jì)算。進(jìn)行驗(yàn)算的實(shí)測(cè)資料，與所研究的對(duì)象須屬于同一類(lèi)型，并且有相似的水文、地理?xiàng)l件。即使同一模型，研究的對(duì)象不同，也要進(jìn)行驗(yàn)證，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整有關(guān)參數(shù)，甚至調(diào)整模型，以便能較準(zhǔn)確的模擬所研究的問(wèn)題。

以南溝門(mén)水庫(kù)庫(kù)區(qū)1#～26#斷面河道為例，用長(zhǎng)系列1958年～2007年共60年的水庫(kù)與馬家河水沙資料對(duì)數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證。建立了適用于南溝門(mén)水庫(kù)的一維恒定不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，用以分析與研究該水庫(kù)的泥沙淤積運(yùn)行方式。

圖1 南溝門(mén)水庫(kù)不同運(yùn)用年限庫(kù)區(qū)泥沙淤積縱剖面圖

圖2 南溝門(mén)水庫(kù)不同運(yùn)行年限庫(kù)容曲線(xiàn)

5 水庫(kù)基礎(chǔ)資料

5.1 水沙系列

經(jīng)分析，南溝門(mén)水庫(kù)工程采用的入庫(kù)水沙系列為1958年7月～2007年6月、1958年7月～1969年6月共60年的水沙系列以及馬家河相對(duì)應(yīng)的引水量與含沙量系列作為研究水庫(kù)淤積過(guò)程的入庫(kù)水沙系列。

5.2 水庫(kù)運(yùn)行方式

南溝門(mén)水庫(kù)在滿(mǎn)足供水效益條件下，引馬家河水量，水庫(kù)從死水位開(kāi)始蓄庫(kù)，壩址來(lái)水滿(mǎn)足工程用水，水庫(kù)蓄庫(kù)，水庫(kù)蓄到正常蓄水位848m后，多余洪水量從泄水建筑物排泄；壩址來(lái)水不滿(mǎn)足工程用水，引馬家河水量，水庫(kù)供水，水位降落，直到水庫(kù)水位降到死水位824m，完成整個(gè)蓄供水周期。

5.3 計(jì)算邊界條件

計(jì)算的起始時(shí)間為第1年的7月1日，終止時(shí)間為第60年的6月30日，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為60年。時(shí)間步長(zhǎng)劃分為7月～8月以天為計(jì)算時(shí)段，其余月份以月為計(jì)算時(shí)段；研究范圍為庫(kù)區(qū)26.5km河段，劃分?jǐn)嗝婀?6個(gè)。上游邊界為庫(kù)區(qū)入口的26#斷面，下游邊界為南溝門(mén)壩址斷面。上游進(jìn)口水沙資料為設(shè)計(jì)水沙系列，下游控制水位為壩前控制水位。

6 泥沙淤積結(jié)果

根據(jù)南溝門(mén)水庫(kù)工程水沙條件、計(jì)算邊界條件，采用建立的泥沙模型，對(duì)修建南溝門(mén)水庫(kù)后泥沙運(yùn)行情況經(jīng)不同運(yùn)行方式分析，結(jié)果如下：

6.1 庫(kù)區(qū)泥沙淤積量及排沙比結(jié)果

水庫(kù)運(yùn)用10年、30年及60年時(shí)，庫(kù)區(qū)泥沙淤積量分別為943.6萬(wàn)m3、2783.3萬(wàn)m3及7694.5萬(wàn)m3。南溝門(mén)水庫(kù)庫(kù)區(qū)泥沙淤積速度比較均勻，泥沙淤積過(guò)程較長(zhǎng)，水庫(kù)運(yùn)用60年累計(jì)淤積量為7694.5萬(wàn)m3。多年平均入庫(kù)沙量為192.8萬(wàn)t，多年平均出庫(kù)沙量為25.9萬(wàn)t，多年平均排沙比為13.5%，多年平均淤積量為128.2萬(wàn)m3。

6.2 庫(kù)區(qū)河床縱剖面計(jì)算結(jié)果

南溝門(mén)水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)為三角洲淤積，水庫(kù)淤積平衡年限為50年左右。當(dāng)水庫(kù)運(yùn)用10年末，壩前泥沙淤積平均高程為802.65m；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)用30年末，壩前泥沙淤積平均高程達(dá)到806.12m；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)用至50年末，壩前泥沙淤積平均高程達(dá)到813.16m；當(dāng)水庫(kù)運(yùn)用至60年末，干流淤積三角洲尚未推進(jìn)至壩前，壩前泥沙淤積平均高程達(dá)到814.24m。庫(kù)區(qū)泥沙淤積縱剖面圖見(jiàn)圖1。

6.3 不同淤積年限庫(kù)容

南溝門(mén)水庫(kù)修建后，在蓄水?dāng)r沙運(yùn)用方式下，水庫(kù)運(yùn)用10年末，調(diào)節(jié)庫(kù)容可保留95%左右；水庫(kù)運(yùn)用30年末，調(diào)節(jié)庫(kù)容可保留85%以上；水庫(kù)運(yùn)用60年末，調(diào)節(jié)庫(kù)容可保留59%左右。水庫(kù)運(yùn)用60年后庫(kù)容為1.0222億m3。水庫(kù)不同運(yùn)用年限的庫(kù)容曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

7 結(jié)論

通過(guò)南溝門(mén)水庫(kù)泥沙淤積運(yùn)行方式的研究，可以得出：

（1）在多泥沙河流上修建蓄水工程后，泥沙淤積可減少水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容，影響水庫(kù)的工程效益發(fā)揮，為此，要采用合理的水沙調(diào)度運(yùn)行方式，減少調(diào)節(jié)庫(kù)容的淤積量，以保持水庫(kù)長(zhǎng)期使用。

（2）以水庫(kù)達(dá)到泥沙淤積基本平衡狀態(tài)時(shí)的淤積高程，作為供水建筑物進(jìn)水口的最低高程，為引水建筑物的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)，以便更合理的進(jìn)行水利樞紐工程的總體布置。陜西水利

[1]韓其為.水庫(kù)淤積[M].北京:科學(xué)出版社,2003,40～80.

[2]韓其為,何明民.水庫(kù)淤積與河道演變的一維數(shù)學(xué)模型[J].泥沙研究,1987,(3),9～15.

[3]夏雙喜.多沙河流水庫(kù)一維水沙數(shù)學(xué)模型研究及應(yīng)用[D].西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008,3.