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        黃河劉家峽水庫(kù)壩前沙壩對(duì)水沙和水庫(kù)調(diào)度的響應(yīng)研究

        2021-11-29 07:25:48蘇加林楊經(jīng)會(huì)王福運(yùn)李新杰
        西北水電 2021年5期
        關(guān)鍵詞:異重流沙壩沙量

        王 婷,周 恒,蘇加林,楊經(jīng)會(huì),王福運(yùn),高 垠,李新杰

        (1.黃河水利科學(xué)研究院,鄭州 450003;2. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;3. 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,長(zhǎng)春 130061)

        0 前 言

        水流交匯現(xiàn)象普遍存在于自然界和人類工程的多種水力系統(tǒng)中。干支流交匯河段不僅存在交匯口上游壅水、下游回流等水力學(xué)問(wèn)題,還存在壅水區(qū)和回流區(qū)的泥沙淤積,以及交匯區(qū)下游河床調(diào)整等泥沙問(wèn)題[1-3]。對(duì)于修建在多沙河流上的水庫(kù),泥沙問(wèn)題尤為突出,支流高含沙洪水入?yún)R可引起局部地形大幅度調(diào)整,甚至有產(chǎn)生較大規(guī)模的沙壩而形成二級(jí)水庫(kù)的可能,從而在一定程度上制約了水庫(kù)綜合效益的發(fā)揮[4-7]。若支流位于水庫(kù)回水區(qū),支流洪水可直接形成高含沙異重流匯入干流庫(kù)區(qū),并分別向上游與下游擴(kuò)散,不僅局部流場(chǎng)復(fù)雜,而且局部地形隨之發(fā)生大幅度調(diào)整[4-7]。本文將利用具有支流異重流入?yún)R的典型黃河劉家峽水庫(kù)的相關(guān)資料,分析支流異重流入?yún)R區(qū)沙壩的演化過(guò)程及其與水庫(kù)調(diào)度、水沙條件及支流淤積形態(tài)的響應(yīng)關(guān)系,以期為黃河劉家峽水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度提供參考。

        1 劉家峽水庫(kù)概況

        劉家峽水庫(kù)是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉、防凌、養(yǎng)殖等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程,位于甘肅省永靖縣境內(nèi)黃河干流上,壩址控制流域面積181 766 km2。水庫(kù)1968年10月正式蓄水,水庫(kù)正常蓄水位1 735.00 m,汛期防洪限制水位1 726.00 m,死水位1 694.00 m[8]。庫(kù)區(qū)由黃河干流、支流大夏河和洮河庫(kù)區(qū)3部分組成。其中,洮河是一條多沙河流,于大壩上游1.5 km處匯入干流,洮河渾水多以異重流形式進(jìn)入黃河干流,在干流形成沙壩;水庫(kù)高水位時(shí),沙壩阻擋泥沙在庫(kù)區(qū)的輸送;低水位時(shí),沙壩攔蓄了其上游的蓄水,使電站不能正常引水發(fā)電。干支流庫(kù)區(qū)平面地形見(jiàn)圖1。

        圖1 劉家峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)平面圖

        2 干流沙壩演變過(guò)程

        劉家峽水庫(kù)運(yùn)用以來(lái),受水庫(kù)蓄水運(yùn)用和入庫(kù)水沙條件等的影響,庫(kù)區(qū)干流縱剖面形成了三角洲淤積形態(tài)。淤積縱剖面由三角洲頂坡段、前坡段、過(guò)渡段及壩前段組成。其中,壩前段由于洮河庫(kù)段泥沙淤積發(fā)展形成沙壩,劉家峽水庫(kù)黃河干流深泓點(diǎn)淤積縱剖面見(jiàn)圖2。可以得到,黃淤9-2以下是干流沙壩段,黃淤14斷面以上是淤積三角洲段;黃淤14至黃淤9-2是三角洲與沙壩之間的過(guò)渡段,基本為水平,是干流異重流淤積與倒灌淤積段。

        圖2 劉家峽水庫(kù)黃河干流深泓點(diǎn)淤積縱剖面圖

        洮河口沙壩是洮河來(lái)水來(lái)沙在洮河及壩前地形、水庫(kù)運(yùn)用條件下形成的一種特殊淤積形態(tài)。圖3、4為壩前段沙壩縱剖面及沙壩高程變化過(guò)程??梢缘贸鏊畮?kù)運(yùn)用初期,壩前淤積面較低,泥沙主要淤積在壩前段,壩前沙壩不明顯,1972—1980年沙壩高程迅速抬升,高程達(dá)到1 690.70 m,增高幅度達(dá)到29.50 m,影響范圍迅速變大;之后,沙壩抬升速度有所減緩,但發(fā)展仍然較快,1988年高程達(dá)1 699.99 m,之后沙壩高程有所降低,2000年以后緩慢增加。2011年高程達(dá)到1 700.58 m,沙壩上游迎水坡高差達(dá)到24.37 m。

        圖3 黃河干流壩前段沙壩縱剖面圖

        圖4 沙壩頂部高程變化過(guò)程圖

        3 沙壩影響因素分析

        洮河口沙壩的形成與來(lái)水來(lái)沙條件、洮河淤積形態(tài)及水庫(kù)調(diào)度過(guò)程密切相關(guān)。

        3.1 入庫(kù)水沙對(duì)沙壩形成的影響

        劉家峽水庫(kù)壩前沙壩的形成與洮河來(lái)沙密不可分。劉家峽水庫(kù)1968—2010年年均入庫(kù)沙量4 947萬(wàn)t,洮河沙量2 141萬(wàn)t,洮河沙量占總?cè)霂?kù)沙量的43.3%。洮河泥沙主要來(lái)自汛期幾次沙峰,由于洮河狹窄,汛期沙峰極易形成異重流,洮河異重流運(yùn)動(dòng)入?yún)R至干流后,分別流向干流下游和倒灌干流上游,在交匯區(qū)異重流流速驟降,水流中泥沙快速落淤,在干支流交匯口形成沙壩。

        圖5 沙壩增長(zhǎng)高度與洮河來(lái)沙量關(guān)系圖

        圖5給出了劉家峽水庫(kù)部分年份壩前沙壩與洮河來(lái)沙量關(guān)系??梢缘贸鰤吻吧硥翁叨扰c洮河紅旗站沙量呈正相關(guān)關(guān)系,在洮河來(lái)沙量較大的年份,沙壩抬升速度較快。由于受水庫(kù)調(diào)度影響,各年變化有所不同。水庫(kù)蓄水初期,洮河壩前淤積面較低,洮河入庫(kù)沙量基本淤積在洮河及壩前段,沙壩不明顯或增長(zhǎng)較慢,如1971—1972年共來(lái)沙2 699萬(wàn)t(見(jiàn)表1),淤積2 250萬(wàn)m3,其中洮河淤積653萬(wàn)m3,壩前段(黃0~黃3)淤積70萬(wàn)m3,黃3~黃9-1淤積1 530萬(wàn)m3,分別占2 a總淤積的29%、3%、68%。1973年洮河入庫(kù)泥沙較多,為5 229萬(wàn)t,當(dāng)年汛期未能及時(shí)開(kāi)啟泄水道排沙,排沙約1 480萬(wàn)t,大量泥沙過(guò)機(jī),同時(shí)也使得壩前(黃1)淤積面迅速抬高,干流壩前沙壩逐步形成雛形。之后,沙壩高程不斷抬升。1976年和1979年來(lái)沙分別為3 819萬(wàn)t和6 531萬(wàn)t,2 a排沙也較大,分別為2 270萬(wàn)t、3 470萬(wàn)t,與其他年份相比,當(dāng)年沙壩抬升并不是太大。1981年和1988年進(jìn)行過(guò)低水位拉沙,雖然當(dāng)年來(lái)沙不少,但沙壩抬升幅度不大。

        表1 部分年各站沙量對(duì)比 /萬(wàn)t

        3.2 支流淤積形態(tài)對(duì)沙壩的影響

        受劉家峽水庫(kù)蓄水影響,1971年洮河淤積縱剖面呈現(xiàn)明顯的三角洲淤積形態(tài)見(jiàn)圖6。1971年三角洲頂點(diǎn)位于洮6斷面(TH06),距洮河口8.4 km(距壩9.9 km),高程1 701.41 m。淤積三角洲頂點(diǎn)高程取決于水庫(kù)運(yùn)用水位及洮河來(lái)水來(lái)沙條件。由于泥沙主要來(lái)自汛期,因此,三角洲頂點(diǎn)淤積位置主要受汛期運(yùn)用水位的影響。1981年三角洲頂點(diǎn)位于洮4斷面(TH04),距洮河口3.7 km(距壩5.2 km),頂點(diǎn)高程1 705.15 m,1983年位于洮3斷面(TH03),距洮河口2.6 km(距壩4.1 km),頂點(diǎn)高程1 710.90 m。隨著泥沙淤積逐漸發(fā)展,總的趨勢(shì)是三角洲頂點(diǎn)逐漸向壩前推進(jìn),頂點(diǎn)高程逐漸抬升。

        圖6 洮河淤積縱剖面(深泓點(diǎn))圖

        壩前沙壩變化過(guò)程與洮河淤積三角洲淤積形態(tài)變化有較好的同步性,沙壩高程與洮河三角洲頂點(diǎn)高程關(guān)系見(jiàn)圖7。隨著洮河淤積三角洲向壩前推進(jìn),前坡段迅速淤積抬升,三角洲頂點(diǎn)不斷抬升,干流壩前沙壩也隨之抬升。壩前運(yùn)用水位較高時(shí),洮河泥沙主要淤積在洮河庫(kù)區(qū)上段,壩前沙壩抬升也較慢。

        圖7 沙壩高程與洮河三角洲頂點(diǎn)高程關(guān)系圖

        3.3 水庫(kù)調(diào)度對(duì)沙壩的影響

        洮河泥沙主要來(lái)自汛期幾次沙峰,汛期沙峰極易形成異重流入?yún)R干流,異重流屬于超飽和輸沙,沿程淤積。汛期沙峰在形成異重流以及異重流向壩前運(yùn)行速度、泥沙落淤等與運(yùn)行水位密切相關(guān)。

        圖8點(diǎn)繪了沙壩抬升高度與7—9月平均水位關(guān)系。可以得出,除個(gè)別年份由于入庫(kù)沙量等特殊原因外,沙壩抬升高度與7—9月壩前平均水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即,水位越低,沙壩抬升高度越大;水位越高,沙壩抬升高度越小。分析發(fā)現(xiàn),汛期水位較低時(shí),支流洮河回水較短,含沙水流很快運(yùn)行至壩前(干流庫(kù)區(qū)),泥沙主要淤積在干流,壩前攔門沙淤積速度相對(duì)較大;如1988年之前,水庫(kù)最低水位基本在1 695.00~1 710.00 m之間變化,汛期水位相對(duì)也較低,水庫(kù)運(yùn)用至1988年,攔門沙高程迅速抬升至1 699.99 m,抬升38.83 m。汛期水庫(kù)高水位運(yùn)用時(shí),支流洮河回水較長(zhǎng),含沙水流在向壩前運(yùn)行的過(guò)程中沿程落淤,入?yún)R干流泥沙較少,壩前攔門沙淤積速度相對(duì)較緩,這一點(diǎn)從1989以后水庫(kù)運(yùn)用也可以得到。1989年以后,7—9月運(yùn)用水位較高,沙壩高程變化較小。

        圖8 沙壩抬升高度與7—9月平均運(yùn)用水位關(guān)系圖

        需要說(shuō)明的是,雖然1974、1980-1982、1988年運(yùn)用水位不高,但沙壩抬升較小,這主要是因?yàn)?974、1980、1982年洮河來(lái)沙較少,其中1980年來(lái)沙僅820萬(wàn)t;1981年和1988年主要是進(jìn)行了低水位拉沙運(yùn)用。1981年和1988年水庫(kù)低水位拉沙運(yùn)用說(shuō)明,在來(lái)沙較大的年份,開(kāi)展低水位拉沙運(yùn)用能夠有效減小攔門沙壩抬升速度。

        3.4 沙壩對(duì)水沙和水庫(kù)調(diào)度的響應(yīng)機(jī)制

        由前面分析可以得到,支流倒灌進(jìn)入干流形成沙壩與干支流水沙條件、邊界條件、水庫(kù)運(yùn)用等因素有關(guān),不同因素影響程度不同。根據(jù)實(shí)測(cè)資料,通過(guò)多元線性擬合得到沙壩抬升高度與干支流來(lái)水來(lái)沙條件、水庫(kù)調(diào)度等因素關(guān)系:

        (1)

        式中:hL為沙壩歷年抬升高度,m;ΔH為劉家峽水庫(kù)運(yùn)用年最高水位與平均水位差,m;WsH為紅旗站來(lái)沙,億t;WH為紅旗站來(lái)水量,億m3;LT為洮河淤積三角洲頂點(diǎn)距壩里程,km;WsX為循化站來(lái)沙量,億t;WX為循化站來(lái)水量,億m3。A為常數(shù),取8.25×1016,沙壩抬升高度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖9。

        圖9 沙壩抬升高度實(shí)測(cè)值與公式(1)計(jì)算值對(duì)比圖

        由于洮河三角洲頂點(diǎn)發(fā)展與水庫(kù)運(yùn)用水位及洮河來(lái)水來(lái)沙密切相關(guān),不考慮水庫(kù)水位變化及洮河三角洲頂點(diǎn)距壩里程的變化,只考慮干、支流來(lái)水來(lái)沙條件,通過(guò)多元線性擬合得到:

        (2)

        式中:hL為沙壩歷年抬升高度,m;WsH為為紅旗站來(lái)沙,億t;WH為紅旗站來(lái)水量,億m3;WsX為循化站來(lái)沙量,億t;WX為循化站來(lái)水量,億m3。A為常數(shù),取9.12×1012,沙壩抬升高度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)圖10。

        圖10 沙壩抬升高度實(shí)測(cè)值與公式(2)計(jì)算值對(duì)比圖

        4 結(jié) 論

        (1)劉家峽水庫(kù)壩前攔門沙壩的形成與支流水沙條件、支流淤積形態(tài)及水庫(kù)調(diào)度等因素有關(guān)。

        (2) 隨著入庫(kù)沙量增大,庫(kù)區(qū)淤積增大,攔門沙壩抬升幅度增加。

        (3) 隨著汛期運(yùn)用水位抬升,支流洮河回水長(zhǎng)度增加,洮河入庫(kù)泥沙主要淤積在洮河內(nèi)部,干流淤積較少,壩前攔門沙抬升幅度也隨之減小。

        (4) 隨著洮河淤積三角洲向壩前推進(jìn),前坡段迅速淤積抬升,干流壩前沙壩也隨之抬升。通過(guò)多元回歸得到沙壩抬升高度與入庫(kù)水沙關(guān)系。結(jié)合入庫(kù)水沙情況及庫(kù)區(qū)地形,尤其是洮河,通過(guò)調(diào)度能夠減緩水庫(kù)壩前攔門沙壩抬升速度。

        隨著人類活動(dòng)對(duì)黃河流域的影響日益顯著,研究黃河干支流攔門沙坎的時(shí)空變化及其沖淤演變規(guī)律,對(duì)預(yù)測(cè)攔門沙坎未來(lái)演變趨勢(shì),提高水庫(kù)調(diào)度水平具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

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