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        麥溝河水庫入庫泥沙沖淤分析及死水位確定

        2023-07-27 03:16:54張振興
        山西水利 2023年3期

        張振興

        (古縣水利局,山西 古縣 042400)

        1 工程所在地概況

        麥溝河水庫擬建于山西省臨汾市古縣石壁鄉(xiāng)左村上游約1.2 km 處,是一座以工、農(nóng)業(yè)供水為主的綜合性水利工程,距離古縣縣城約12 km。擬建麥溝河水庫位于洪安澗河北澗的支流麥溝河下游,壩址以上控制流域面積61 km2,主河道長度18.4 km,平均比降為19.4‰。流域包括三種下墊面地類:黃土丘陵階地、砂頁巖灌叢山地和砂頁巖森林山地,主要任務(wù)是為澗河工業(yè)園區(qū)提供部分工業(yè)用水,并解決水庫下游農(nóng)田灌溉用水問題。

        古縣境內(nèi)水資源總量1.432 億m3,其中地表水0.649 億m3,地下水可采量0.783 億m3。境內(nèi)有澗河、藺河、蔡子河、劉垣河四大水系,其中藺河為沁河支流,其余為汾河一級支流,黃河二級支流。四大水系年平均徑流量1.192 億m3,其中清水總量0.794 億m3,洪水總量0.398 億m3。古縣城北有一眼水位826.84 m的自流水井,靜水位高出地表7.2 m,日涌水量一般為3 460 t,最大涌水量6 469 t。經(jīng)有關(guān)部門鑒定,水質(zhì)含鍶量達(dá)0.99%,屬高鍶偏硅酸優(yōu)質(zhì)天然礦泉水。

        2 徑流與洪水

        2.1 徑流系列

        麥溝河徑流來源主要為大氣降水補(bǔ)給,流域內(nèi)無實(shí)測徑流資料。洪安澗河干流有東莊水文站,該站有1969—2005 年共37 年徑流實(shí)測資料,洪安澗河徑流年內(nèi)分配不均,汛期(7—10 月)水量占年來水量的65.5%左右。多年平均流量以8 月份最大,約占全年的23%;4、5 月流量最小,約占全年徑流量的6.5%。

        2.2 設(shè)計(jì)徑流

        雖然麥溝河流域內(nèi)無實(shí)測徑流資料,但考慮到麥溝河下游洪安澗河干流的東莊水文站具有較好的可靠性,資料系列一致性也可以保證,因此本階段采用無資料地區(qū)設(shè)計(jì)和徑流資料推求設(shè)計(jì)兩種方法進(jìn)行徑流計(jì)算,并進(jìn)行對比分析后取最終設(shè)計(jì)徑流。

        2.2.1 無資料地區(qū)設(shè)計(jì)徑流計(jì)算

        考慮到麥溝河水庫流域內(nèi)無實(shí)測觀測資料,流域面積也較小,本次采用《山西省水文計(jì)算手冊》(以下簡稱《手冊》)對徑流進(jìn)行計(jì)算、復(fù)核。年徑流均值計(jì)算,包括地表年徑流均值計(jì)算和基流均值計(jì)算兩部分。本次地表年徑流均值計(jì)算采用冪函數(shù)模型法和雙曲正切模型法,基流均值計(jì)算采用數(shù)學(xué)模型法。

        (1)地表年徑流均值計(jì)算

        ①冪函數(shù)模型法

        不同水文下墊面條件下,多年平均降水與地表年徑流之間變化規(guī)律可用冪函數(shù)模型表示為:

        b——水文分區(qū)參數(shù)。

        流域平均年降水均值由《手冊》附圖6 可查得1956—2008 年流域平均年降水量為529.3 mm。水文下墊面分區(qū):黃土丘陵階地(43.5%)、砂頁巖灌叢山地(42.1%)和砂頁巖森林山地(14.4%)。經(jīng)加權(quán)計(jì)算,參數(shù)a 值均采用28 mm。b 為水文分區(qū)參數(shù),本工程處于水文分區(qū)中的中區(qū),b 取2.85。

        由公式計(jì)算得設(shè)計(jì)流域多年平均地表徑流量為196 萬m3(32.2 mm)。

        ②雙曲正切模型法

        不同水文下墊面條件下,多年平均降水與地表年徑流之間變化規(guī)律可用雙曲正切模型表示為:

        Zmi——某產(chǎn)流地類可能最大損失量,mm;

        th——雙曲正切函數(shù)符號;

        Zm——可能最大損失量,mm。其他符號含義同上。

        由公式求得設(shè)計(jì)流域多年平均地表徑流量為196萬m3(32.2 mm)。

        (2)基流均值計(jì)算

        本次基流均值采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行計(jì)算。

        c——反映流域水文下墊面綜合補(bǔ)給條件的參數(shù);

        K0——無效相對年降水;

        A——集水面積,km2;其他符號意義同上。

        根據(jù)設(shè)計(jì)流域所在水文分區(qū)(中區(qū)),確定各產(chǎn)流地類相應(yīng)的參數(shù),流域復(fù)合參數(shù)c 和k0值分別為44 mm和0.73。計(jì)算求得基流均值為84 萬m3(13.8 mm)。

        (3)年徑流均值計(jì)算

        年徑流均值由地表年徑流均值與基流均值相加求得,本次采用雙曲正切模型法計(jì)算的地表年徑流成果與基流均值相加,得到年徑流均值為280 萬m3(46 mm)。

        2.2.2 徑流資料推求設(shè)計(jì)徑流

        東莊水文站位于洪安澗河南北兩澗的交匯處,控制流域面積987 km2,上游多為山區(qū),河道上無大型水利項(xiàng)目,自然地理環(huán)境受人類活動影響較小。水文站數(shù)據(jù)資料經(jīng)當(dāng)?shù)厮木终幙l(fā),具有較好的可靠性。并且東莊水文站建站以來未有遷移,資料系列一致性也可以保證,因此可以采用該站數(shù)據(jù)資料進(jìn)行設(shè)計(jì)徑流計(jì)算和復(fù)核。

        東莊水文站控制流域內(nèi)產(chǎn)匯流條件相近,采用東莊水文站1969—2004 年共計(jì)36 年徑流資料推算工程流域徑流。由于該地區(qū)汛期徑流占據(jù)比重較大(約占65.5%),且工程流域無實(shí)測清水流量成果,本階段按照面積比的一次方推求麥溝河水庫壩址處徑流系列。采用P-Ⅲ型曲線適線,成果見表1 及圖1。

        表1 麥溝河水庫壩址設(shè)計(jì)徑流成果表單位:萬m3

        圖1 麥溝河水庫壩址年徑流頻率曲線圖

        2.2.3 合理性分析

        采用有資料和無資料兩種計(jì)算方法對徑流進(jìn)行計(jì)算,其年徑流均值相差不大,可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果是合適的。本次設(shè)計(jì)徑流系列采用下列成果。

        2.3 設(shè)計(jì)洪水

        根據(jù)《手冊》中要求,“對需要設(shè)計(jì)洪水流量過程線的工程,宜采用綜合瞬時單位線法,也可采用推理公式法”。本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,除綜合瞬時單位線法計(jì)算外,還采用了推理公式法進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合《手冊》中東莊水文站洪水成果,采用面積比的0.6次方推算水庫洪峰。計(jì)算結(jié)果見表2。

        表2 麥溝河水庫設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表

        從表2 結(jié)果可以看出,《手冊》中兩種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)洪峰相差不大,水文比擬法結(jié)果略有差異??紤]到東莊水文站流域與工程流域相差較大(987∶61),僅用此方法對結(jié)果進(jìn)行參照對比。本次設(shè)計(jì)出于工程安全角度考慮,并基于《手冊》無資料地區(qū)洪水計(jì)算說明,采用綜合瞬時單位線法計(jì)算成果。

        3 泥沙沖淤

        3.1 泥沙

        3.1.1 泥沙特性

        麥溝河流域?qū)儆谕潦絽^(qū),地形變化較大,地面植被覆蓋率一般。河道輸沙量變化與徑流年內(nèi)分配及多年變化相類似,枯水期河道輸沙量極小,豐水期特大,汛期(7—9 月)輸沙量占全年的80%,年內(nèi)、年際輸沙變化較大。根據(jù)東莊水文站1969—2004 年實(shí)測資料分析,多年平均含沙量53.02 kg/m3,多年平均輸沙模數(shù)1 568 t/km2。

        3.1.2 入庫沙量計(jì)算

        本流域無泥沙實(shí)測資料,為概算水庫泥沙淤積量,在對本流域進(jìn)行調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合附近地區(qū)有關(guān)資料,綜合分析以確定設(shè)計(jì)參數(shù),計(jì)算公式如下。

        式中:R0——本流域多年平均年懸移質(zhì)輸沙量,t;

        γ——本流域多年平均年懸移質(zhì)輸沙模數(shù),t/km2;

        F——本流域集水面積,km2。

        流域附近有東莊水文站,氣候、降水及產(chǎn)沙地類相似。本次設(shè)計(jì)采用東莊水文站多年平均輸沙模數(shù)1 568 t/km2,乘以麥溝河流域面積61 km2,得到麥溝河水庫壩址處多年平均懸移質(zhì)輸沙量為9.56 萬t。

        推移質(zhì)由于無實(shí)測資料,因此根據(jù)山區(qū)河流一般規(guī)律,按照懸移質(zhì)的10%考慮,多年平均推移質(zhì)輸沙量為0.96 萬t。從而得到麥溝河多年平均輸沙量為10.52 萬t。

        3.1.3 泥沙顆粒級配

        東莊水文站泥沙顆粒級配只有1975 年后的資料,多年平均顆粒級配計(jì)算結(jié)果見表3。

        表3 東莊水文站懸移質(zhì)顆粒級配成果表

        3.2 泥沙沖淤分析

        3.2.1 入庫沙量計(jì)算

        根據(jù)泥沙分析計(jì)算,麥溝河水庫多年平均懸移質(zhì)輸沙量為9.56 萬t,推移質(zhì)按懸移質(zhì)的10%推算,輸沙量為0.96 萬t。水庫泥沙懸移質(zhì)干容重1.3 t/m3,推移質(zhì)干容重1.65 t/m3,年入庫淤積沙量約7.94 萬m3,其中懸移質(zhì)約7.36 萬m3,推移質(zhì)約0.58 萬m3。

        水庫運(yùn)行按20 年考慮,不考慮排沙措施情況,20年總來沙量210.4 萬t,合計(jì)158.8 萬m3,其中懸移質(zhì)147.2 萬m3,推移質(zhì)11.6 萬m3??紤]排沙措施條件,水庫運(yùn)行20 年入庫淤積總沙量為126.2 萬t,合95.2 萬m3,其中懸移質(zhì)88.2 萬m3,推移質(zhì)7.0 萬m3。

        3.2.2 沖淤計(jì)算

        (1)排沙比確定

        由于水庫為河槽型水庫,利用異重流排沙的幾率較大,主要排沙粒徑為<0.02 mm 細(xì)顆粒泥沙,且河道比降較大,為19.6%。采用張啟舜排沙比曲線計(jì)算,數(shù)學(xué)表達(dá)式:

        式中:η——水庫排沙比;

        V——正常蓄水位以下淤積后的剩余庫容,萬m3;

        Q——入庫年徑流量,m3/s。

        經(jīng)計(jì)算,水庫排沙比在45%左右,考慮到水庫推移質(zhì)和較大顆粒泥沙,本次設(shè)計(jì)確定水庫排沙比為40%。

        (2)淤積形態(tài)確定

        淤積形態(tài)判別根據(jù)《泥沙設(shè)計(jì)手冊》中對水庫泥沙淤積形態(tài)判別公式:

        式中:V——時段平均庫容,m3,采用正常蓄水位以下庫容;

        WS——時段平均入庫沙量,m3,采用多年平均入庫沙量;

        J0——庫區(qū)河床比降;

        K——水庫泥沙淤積形態(tài)判別參數(shù),當(dāng)K<2.2,為錐體淤積,K>2.2,為三角洲淤積。

        本次設(shè)計(jì)麥溝河水庫正常蓄水位以下庫容為205.47 萬m3,多年平均入庫沙量為7.94 萬m3,庫區(qū)縱坡為19.6‰。經(jīng)計(jì)算K=0.13。初步判定麥溝河水庫為錐體淤積。

        3.2.3 計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)淤積形態(tài)分析及原始庫容,采用平衡比降法對麥溝河水庫進(jìn)行淤積計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表4 和圖2。

        圖2 麥溝河水庫淤積平衡形態(tài)圖

        表4 麥溝河水庫泥沙淤積計(jì)算成果表

        4 死水位確定

        死水位擬定需考慮壩前泥沙淤積高程,以及取水工程布置等因素。根據(jù)水庫特點(diǎn)及水沙特性,暫按淤積平衡時對應(yīng)壩前淤積高程考慮,即上壩址壩前淤積高程794.6 m,考慮取水口預(yù)留高度,確定麥溝河水庫的死水位為796 m,相應(yīng)的死庫容為62.3 萬m3;下壩址壩前淤積高程780.2 m,考慮取水口預(yù)留高度,確定麥溝河水庫的死水位為781.0 m,相應(yīng)的死庫容為68.8 萬m3。

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