燕 荔

（陜西省水利電力勘測設計研究院 西安 710001）

1 問題的提出

西咸新區(qū)是首個以創(chuàng)新城市發(fā)展為主題的國家級新區(qū)，是西安國際化大都市建設的重要城市功能新區(qū)，涇河新城為西咸新區(qū)“一區(qū)五城”之一，也是西安國際化大都市統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展示范區(qū)和循環(huán)經濟園區(qū)。

涇河干流涇河新城段屬平原性河道，該段一是屬于河道寬淺，灘槽分明，主流游蕩多變，河道凹岸受沖刷影響崩退現(xiàn)象明顯，二是由于位于涇河下游，泥沙含量大，顆粒細，淤積嚴重，是“涇渭分明”景象的寫照。為確保涇河新城防洪安全，提升城市形象，營造良好的城市風貌，改善人居環(huán)境以及涇河新城河道段生態(tài)環(huán)境，促進沿岸經濟社會及資源，環(huán)境協(xié)調發(fā)展，擬在該段修建蓄水工程。因此有必要對涇河干流、涇河新城段河道泥沙淤積進行研究，以利于分析河道主槽段修建蓄水工程是否可行，提出相對合理的水沙調度運行方式，為政府決策部門提供有益的技術支撐。

2 蓄水工程布置

為了改善涇河新城河道內生態(tài)環(huán)境及兩岸人居環(huán)境，在該段涇河主槽上擬修建兩座蓄水工程，利用主槽及部分灘地形成兩級連續(xù)的蓄水梯級景觀水面。根據(jù)河道的地形條件及工程特性，1#攔河建筑物布置為升臥式水閘，共18孔，單孔寬度18m，總寬度381m，閘門擋水高6m；2#攔河建筑物布置為閘壩結合，主槽采用升臥式水閘，閘門擋水高6m，共7孔，單孔寬度18m，總寬度150m，左側灘地采用橡膠壩，壩高3m，壩長 350.5m。1#蓄水區(qū)蓄水位374.93m，蓄水長度5.79km；2#蓄水區(qū)蓄水位368.83m，蓄水長度4.26km，蓄水總長度約10.05km，蓄水水面寬200m～900m，蓄水總面積為387.60萬m2。

蓄水工程利用兩岸灘地形成兩岸濱河生態(tài)公園，左岸濱河生態(tài)公園951.36畝，子堤工程長4.03km；右岸濱河生態(tài)公園1138.57畝，子堤工程長4.73km。

圖1 工程斷面入庫水量情況

圖2 工程斷面入庫沙量情況

圖3 思路方式框架圖

3 泥沙沖淤計算技術路線

3.1 基礎資料分析

涇河上有張家山水文站的實測水沙資料，計算到工程斷面處1956年～2009年共54年的多年平均徑流量為16.25億m3，多年平均輸沙量為17209萬t。工程斷面長系列徑流量情況見圖1，沙量情況見圖2。

該系列包含了豐、平、枯水沙系列段，但系列過程年際分配不均勻，水沙枯豐交替變化，而兩個閘壩群庫容較小，該系列不適用于涇河泥沙淤積計算。應選取適合工程特點的水沙代表段，進行涇河兩個梯級閘壩的泥沙沖淤計算。

3.2 選用水沙系列

選用的水沙系列應反映豐、平、枯水年的水沙特點，并應盡量具有自然連續(xù)性并有較完整的資料，汛期、枯水期水沙量及年內分配比例與壩址處長系列基本一致。

根據(jù)上述原則選用1974年～1995年共22年的水沙代表系列，作為計算兩個梯級閘壩泥沙沖淤計算的基本資料。

3.3 研究河道及控制水位

水沙基本資料為1974年～1995年，計算時段為天，2#閘壩工程上游進口水沙資料為1#閘壩工程出庫的水沙過程。

計算范圍為壩址1#、2#閘壩工程約16.09km河段，劃分30個斷面。上游邊界為工程起點D10斷面，下游邊界為2#閘壩壩址斷面D39。下游控制水位為1#閘壩工程為374.93m、2#閘壩工程為368.83m。

3.4 技術路線

3.4.1 思路方式

涇河泥沙主要集中在汛期，非汛期沙量相對較少，但蓄水工程需要較多的蓄水天數(shù)，而工程的庫容又較小，因此，汛期敞泄，以保持有效的庫容，但同時蓄水天數(shù)就減少，故還應以流量和沙量作為限制條件，運用汛期和非汛期聯(lián)合水沙調度的基本思路進行計算。

根據(jù)河流的水沙條件，結合工程特點，確定實現(xiàn)汛期與非汛期水沙調度的方式見框圖3。

3.4.2 實現(xiàn)手段

涇河是渭河北岸最大的一條支流，亦是我省關中地區(qū)三大河流之一，屬于多沙河流，多年平均來沙量1.72億t，對于這種多沙河流上的河道，一維水沙數(shù)學模型[1]具有計算速度快，范圍廣等優(yōu)點，該模型基本方程由水流、泥沙等四大方程組成，用這幾個方程式聯(lián)立求解能反映水沙作用的復雜性，模型基本方程如下：

水流連續(xù)方程

水流動量方程

泥沙連續(xù)方程

河床變形方程

式中：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為動量修正系數(shù)，α為泥沙非平衡恢復飽和系數(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單位流程上的側向輸沙率，qs單位流程上的側向流量，t為時間步長，x為空間步長[2]。

將來水、來沙過程劃分為若干時段，使每—時段的水流接近于恒定流。同時，將河道劃分為若干河段，使每一河段內的水流接近于均勻流，然后按恒定均勻流進行求解。

根據(jù)《水電水利工程泥沙設計規(guī)范（DL/T 5089-1999），采用泥沙數(shù)學模型進行沖淤計算時對數(shù)學模型及參數(shù)應使用本河流或相似河流的實測沖淤資料進行驗證，缺乏實測沖淤資料時可利用設計工程所在河段天然河道沖淤資料進行檢驗。用長系列1974年～1995年共22年的實測日平均流量過程、輸沙率過程和懸移質級配過程對數(shù)學模型中的參數(shù)進行了率定和驗證。建立了適用于涇河梯級閘壩的一維恒定不平衡輸沙數(shù)學模型，用以分析與研究該梯級閘壩的泥沙淤積運行方式。

表1 涇河1#閘壩不同水沙調度運行結果表

4 不同水沙調度運行方式及結果分析

根據(jù)上述泥沙淤積計算的技術路線，主要進行了以下比選工作。以1#閘壩工程為例：

4.1 敞泄時間比選

6月～9月來沙量占全年的95.24%，月～9月來沙量占全年的85.76%，分別計算汛期6月～9月和7月～9月敞泄排沙時的河道沖淤及水面線抬高情況。經分析后，推薦汛期6月～9月敞泄排沙方案（方案Ⅰ）。

4.2 排沙流量比選

在汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月，保持水位374.93m不變情況下，進行了入庫流量大于Q排=95m3/s，Q排=280m3/s，Q排=430m3/s，Q排=814m3/s等排沙流量方案的比選，當計算時段流量大于設置排沙流量時，敞泄排沙。分析比較以上各種方案，推薦Q排=95m3/s（方案Ⅱ）。

4.3 排沙沙限比選

汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月在正常蓄水位不變情況下，Q排=95m3/s；進行了不設排沙沙限、沙限為QS排=3.35kg/m3，Q排=5kg/m3等方案的比選，當計算時段含沙量大于設置排沙沙限時，敞泄排沙。分析比較以上各種方案，推薦QS排=3.35kg/m3（方案Ⅲ）。不同水沙調度運行方式結果見表1。

5 推薦的水沙調度方式

通過不同調度方式的比選，方案Ⅱ比方案Ⅰ排沙比大，剩余庫容相對較大，方案Ⅱ比方案Ⅰ較優(yōu)；而方案Ⅱ和方案Ⅲ，兩者在排沙比和累計淤積量方面的對比，結果差異不是很大，但工程蓄水天數(shù)方案Ⅱ比方案Ⅲ多，方案Ⅱ優(yōu)于方案Ⅲ。

綜上所述：推薦閘壩工程的水沙調度運行方式為：汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月保持水位374.93m不變情況下，入庫流量大于95m3/s時，敞泄排沙。

根據(jù)推薦的水沙調度方式的泥沙淤積計算結果，結合10年淤積床面，計算蓄水工程百年一遇洪水回水水面線比建堤防水面線增高了0.03m～1.41m。淤積10年水面線水位相對較高，投資增大。為降低水面線、減少投資，建議采用清淤措施降低水面線以減少投資。

6 結論

通過涇河梯級閘壩水沙調度運行方式的研究，可以得出：

本工程成敗的關鍵是蓄水區(qū)泥沙淤積及排沙問題，為此，通過不同水沙調度運行方式的研究，提出適合工程特點的調度方式，為工程優(yōu)化設計方案，完善工程的運行管理提供相對合理的技術支撐。

在類似于涇河這種多泥沙河流上修建蓄水工程，由于所建工程庫容較小，泥沙淤積可減少閘壩工程的壽命，通過建立水沙調度模型，進行多方案優(yōu)化比選，提出相對合理的泥沙調度運行方式，以便最大限度的減少閘壩蓄水工程泥沙淤積量，并提高蓄水水面天數(shù)，提出防淤減淤措施以利工程優(yōu)化設計。陜西水利

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

[2]夏雙喜.多沙河流水庫一維水沙數(shù)學模型研究及應用.西安:西安理工大學碩士學位論文，2008年3月