杜亞平

(山西省水文水資源勘測總站運(yùn)城站，山西 運(yùn)城 044000)

0 引言

水庫的泥沙淤積關(guān)系著水庫的安全和壽命，淤積測量是研究水庫水文變化規(guī)律，保證水庫安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)性工作[1]。水庫運(yùn)行過程受庫區(qū)水勢和尾水影響，泥沙在水庫淤積是必然趨勢[2]。淤積不僅減少有效庫容，降低防洪能力，甚至嚴(yán)重影響水庫效益的發(fā)揮。本文通過開展龍渠水庫泥沙淤泥性形態(tài)和庫區(qū)典型斷面流速分布測量分析工作，進(jìn)而掌握水庫淤泥特性。

1 工程概況及測量儀器

1.1 水庫現(xiàn)狀

龍渠水庫位于山西省晉城市沁水縣沁河干流上，是以城市生活和工業(yè)供水、農(nóng)村人畜飲水為主，兼顧防洪、發(fā)電等綜合利用的大(Ⅱ)型水利樞紐工程。水庫樞紐包括：攔河大壩、導(dǎo)流泄洪洞、供水發(fā)電洞和溢洪道等。龍渠水庫采用100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核。正常蓄水位759.0 m，防洪高水位759.78 m，設(shè)計(jì)洪水位760.80 m，校核洪水位762.63 m，死水位728.2 m。

1.2 ADCP儀器

ADCP工作原理是采用收發(fā)兼容的聲學(xué)換能器，同一個(gè)換能器在發(fā)出一組超聲波后，等待接收從不同距離的水中懸浮顆粒發(fā)射回來的超聲波信號；然后分段接收不同距離水流的速度和方向。對于安裝在水面或海底的垂直方向發(fā)射的測量，通常會采用一種稱為底跟蹤的技術(shù)，在發(fā)射的途中遇到河底，會有一個(gè)很強(qiáng)信號的反射，用這種方法可以判斷是否測到了河底或水面。使用ADCP獲得斷面流速數(shù)據(jù)及水深等數(shù)據(jù)，完成淤積測量工作。

2 水庫淤積分析

通過測量斷面水深數(shù)據(jù)的采集工作，利用ArcGIS軟件生成水庫庫區(qū)的DEM數(shù)據(jù)，按照DEM庫容分析理論結(jié)合水庫淤積形態(tài)判別公式得到現(xiàn)狀、歷史庫容對比圖，見圖1。

圖1 歷史—現(xiàn)狀庫容變化對比圖

2.1 水庫淤積形態(tài)

水庫淤積形態(tài)判別指數(shù)計(jì)算采用式(1)：

a=V/(W·J)

(1)

式中：J為河道縱比降；W為總?cè)霂焐沉浚琺3；V為總庫容，m3。

歷史多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為264.9萬t，多年平均含沙量為5.54 kg/m3，多年平均推移質(zhì)年輸沙量為39.7萬t。本此測量總庫容為37410.10萬m3(校核洪水位762.63 m)。帶入公式計(jì)算，計(jì)算值a為2.82，大于2.2，表示淤積形態(tài)為典型的三角洲淤積。

2.2 庫容數(shù)據(jù)對比分析

從圖1和庫容變化情況(表1)可以看出，水庫運(yùn)行13年間，總庫容共減少了1989.90萬m3，相對原始庫容損失率達(dá)5.05%。圖表中還顯示有局部水位有庫容增加，具體為庫底高程由699.75 m降低至696.06 m，水位為715 m及720 m時(shí)，說明主河槽內(nèi)存在局部沖刷現(xiàn)象，但總體表現(xiàn)為淤積狀態(tài)。

表1 庫容變化情況表

2.3 縱橫斷面分析

由表2可知，龍渠水庫淤積體形態(tài)為三角洲淤積。但在壩前0+000即斷面001處，主河槽淤積較為明顯，河底高差為1.213 m，這是由于龍渠水庫在距離大壩2.5 km處進(jìn)入主庫區(qū)，主庫區(qū)淹沒范圍較大，有部分水下高坮被淹沒，高坮被主流沖刷至壩前所致，河道縱比降由0.242%變緩至0.241%。

表2 縱斷面數(shù)據(jù)對比表

龍渠水庫庫區(qū)屬于河道型水庫，干流河道屬于彎曲型河道，彎道較多，猶如一條蜿蜒盤旋的飛龍。在河道轉(zhuǎn)彎位置，彎道表層水流向凹岸一側(cè)運(yùn)動(dòng)，隨后潛入河底向凸岸運(yùn)動(dòng)，底層的水流運(yùn)動(dòng)相反，先向凸岸運(yùn)動(dòng)，隨后翻至水面向凹岸運(yùn)動(dòng)，因此河流彎道上呈現(xiàn)不同的淤積現(xiàn)象。凹岸，附近無泥沙淤積，甚至有略微沖刷現(xiàn)象，凸岸，淤積則較為明顯。

002斷面位于龍渠河支流出口處，主河槽稍有沖刷，兩岸有淤積，左岸淤積大于右岸。003、004、龍3斷面，有均勻沖淤變化。005和008斷面，左岸沖刷，右岸淤積。3斷面因位于沁河主流沖頂面，兩岸及河槽均有沖刷。分析表明，水庫有淤積又有沖刷，但淤積大于沖刷，總體為淤積趨勢。

2.4 典型斷面流場分布

選取典型斷面利用ADCP對原流場分布進(jìn)行測量。數(shù)據(jù)采集過程包括開始河岸數(shù)據(jù)采集、河道斷面走航數(shù)據(jù)采集以及結(jié)束河岸數(shù)據(jù)采集，其中為了滿足數(shù)據(jù)分析要求，開始河岸和結(jié)束河岸需至少采集十組及以上數(shù)據(jù)，且在開始河岸和結(jié)束河岸采集時(shí)船只需盡量靜止在水面。利用測量數(shù)據(jù)繪制斷面流速等值線圖，繪圖結(jié)果見圖2～圖5。

圖2 斷面001流速分布圖

圖3 斷面004流速分布圖

圖4 斷面006流速分布圖

圖5 斷面008流速分布圖

由典型斷面流速等值線圖可知，典型庫區(qū)斷面流速分布整體偏小，主要流速大小分布在0.00 m/s～0.04 m/s，在斷面中只有部分區(qū)域出現(xiàn)流速大于此范圍，但整體數(shù)量較少，庫區(qū)流速較小原因主要是庫區(qū)內(nèi)無流動(dòng)水流產(chǎn)生，雖有發(fā)電供水存在，但對整體庫區(qū)流場大小影響較小。庫區(qū)河道斷面流速整體較壩前斷面流速大，流場變化較復(fù)雜，但河道斷面截面面積卻比壩前斷面截面面積小得多，這也是河道斷面流速偏大的原因之一。

3 結(jié)論

水庫蓄水是提高水資源利用率的有效方法，但泥沙淤積問題嚴(yán)重威脅水庫的使用壽命和功能的充分發(fā)揮。使用ADCP儀器測量對斷面淤積形態(tài)和庫容變化進(jìn)行測量分析，繪制典型斷面流場分布圖，以期為龍渠水庫的合理運(yùn)行及管理提供理論依據(jù)。龍渠水庫運(yùn)行至今，經(jīng)過13年時(shí)間，河床變形，河道比降變緩，總庫容共淤積1989.90萬m3，相對原始庫容損失率達(dá)5.05%，年均淤積量為153.07萬m3。同時(shí)，庫區(qū)河道流場變化較復(fù)雜，常年來沙使庫容減少，對水庫影響較大。為充分發(fā)揮水庫的綜合效益，應(yīng)注重流域內(nèi)的水土保持，減少上游水土流失，加強(qiáng)水庫泥沙淤積測驗(yàn)工作，及時(shí)了解水庫庫容的損失及泥沙淤積分布規(guī)律，以制定水庫合理調(diào)水、調(diào)沙及庫區(qū)整治方案，保證水庫功能的正常運(yùn)用，進(jìn)而合理高效利用水資源。