田 贊

(四川華電西溪河水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

我國江河為社會的發(fā)展和民生需求帶了充沛的水資源，但在整體上仍存在著水資源分配不均的現(xiàn)象。一般情況下，夏季降雨較多，河流徑流量大，而秋冬季降雨較少，河流徑流量小，部分河流還會發(fā)生斷流的現(xiàn)象[1-2]。這一情況不能滿足全國人民的用水需求，所以常通過修建水庫的方式來對水資源進行再次分配。通過水庫能夠?qū)恿鲝搅髁康募竟?jié)變化進行有效調(diào)節(jié)，蓄洪補枯，在最大程度上滿足民生、工業(yè)用水需求，發(fā)揮水庫的發(fā)電、灌溉、防洪等作用。然而水庫的修建也存在一些負(fù)面影響，如河流受到水工建筑的阻礙，其流速降低，水勢減緩，泥沙被水流所攜帶的數(shù)量大大減少，更多泥沙沉積在大壩等水工建筑物前[3-4]，并且泥沙的淤積會直接造成河道水庫庫容的減少，會在一定程度上降低水庫的興利庫容，直至水庫淤滿泥沙，對水庫的綜合效益造成了嚴(yán)重的影響。河道中淤積泥沙，會使洪水位不斷升高，擴大了洪水帶來的危害性，同時會對水利工程的安全造成較大的影響，大大降低水庫使用壽命，提高了維護成本[5]。而汛期期間水流速度大，攜帶泥沙數(shù)量多，所以汛期的排沙十分關(guān)鍵。張金良等[6]提出了新的泥沙調(diào)控度指標(biāo)和汛期徑流調(diào)控度指標(biāo)，分析了某水庫的汛期水沙調(diào)控能力。侯素珍等[7]研究了控制水位和水庫敞泄這兩種方式在某水庫汛期排沙中的應(yīng)用效果，為水庫運行方式的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。除此之外，水庫的運行方式也會對其泥沙淤積造成較大的影響。

基于此，為了降低泥沙淤積對水庫造成的破壞程度，保證水庫的正常運轉(zhuǎn)，掌握水庫運行方式和汛期水位變化對水庫泥沙淤泥的影響規(guī)律，依托水庫分別對正常蓄水位下水庫泥沙淤積過程和淤積量進行模擬計算，分析水庫汛期水位變化與水庫泥沙淤積過程和泥沙淤積量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)水庫泥沙淤積厚度會隨著汛期水位的降低而減小，能夠通過控制汛期水位的方式來降低水庫泥沙淤積厚度，為水庫運行提供指導(dǎo)。

1 工程概況

某水庫總庫容為22.52億m3，該水庫兼具灌溉、防洪、發(fā)電、蓄水等功能，主要功能為蓄水、灌溉和防洪，輔助功能為發(fā)電，根據(jù)水利工程等級水庫被劃分為大(1)型水利工程。水庫死水位和正常蓄水位分別為1772和1822m，對應(yīng)的庫容分別為8.7億和21.3億m3，31.85萬hm2為水庫灌溉范圍，能夠提供51.4億m3的灌溉用水量，22.52億kW·h為其平均多年發(fā)電量，正常情況下4.05‰為其庫區(qū)河床比降。該地區(qū)發(fā)電利用和灌溉用水在水庫建成后都得到了很大的改善。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)水庫河床寬度范圍為255～445m，地形較為平緩，起伏不大。河床上部大部分是卵礫石與砂礫石，小部分夾有砂層透鏡體，河床基巖面在壩址處有從右向左傾斜的趨勢。

2 建立數(shù)值模型

2.1 設(shè)置運行方式

為了確保水庫能夠正常運行，起到興利和排沙的作用，擬定兩種水庫運行方式，分別為：①運行方式一：在水庫前50a，自5月時從1822m正常蓄水位開始降水，降水一個月，水位在6月份降為1815m，之后維持此水位直到9月中旬。從9月下旬逐漸進行蓄水，水位慢慢提高到1822m后，保持正常蓄水位運行，并維持此水位直至次年4月。在水庫后50a，自4月時從1822m正常蓄水位開始降水，在7和6月汛期內(nèi)控制水位，使其處于排沙水位1772m附近，從8月開始蓄水，同時于蓄水期間進行排沙，在水位回升到1822m后維持此水位直到次年3月。②運行方式二：100a期間運行形式保持一致，都在4月時從1822m正常蓄水位開始降水，在7和6月汛期內(nèi)控制水位處于排沙水位1772m附近，另外保證水庫起到興利作用，從8月開始蓄水，在水位回升到1822m后維持此水位直到次年3月。

2.2 模型地形設(shè)置

采用水文工程模擬軟件來對水庫泥沙數(shù)學(xué)模型進行模擬，上游50km至壩址為模型模擬范圍，建立模型的具體步驟為：第一步先建立DEM，然后在軟件中對模塊進行處理，構(gòu)建要素圖層；第二步導(dǎo)出圖層數(shù)據(jù)；第三步將相關(guān)系數(shù)輸進軟件中，如擴散系數(shù)和曼寧系數(shù)等。

2.3 設(shè)置邊界條件

泥沙邊界條件和水流邊界條件為模型的主要邊界條件。通過輸入上游來沙條件來設(shè)置泥沙邊界條件，單位為t，通過含沙量和水流流量來對泥沙重量進行計算。對于水流邊界條件，上、下游分別選擇流量和各工況時的水位來作為邊界條件。模型參數(shù)中河道各斷面糙率設(shè)置為0.027～0.044，模型如圖1所示。

圖1 模型示意圖

3 2種水庫運行方式的泥沙淤積模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬的方式對2種運行方式下水庫的泥沙淤積過程進行計算，能夠得到不同運行時間下的水庫淤沙高程變化趨勢，如圖2—3所示。

圖2 各年份水庫在運行方式一下的水庫淤沙高程

從圖2—3中能夠得出，2種運行方式下水庫泥沙的沉降淤積形態(tài)在整體上均表現(xiàn)為三角洲型，屬于較為典型的三角洲型淤積水庫。此種淤積形式發(fā)展速度快，在運行10a時就呈現(xiàn)出較為明顯的三角洲型式淤積形態(tài)，隨著水庫運行時間的增長淤積形態(tài)也更加明顯，同時洲頭逐漸向壩前靠近。除此之外，隨著運行時間的增長，2種運行方式下水庫泥沙淤積速度逐漸增大。這是由于，在水庫運行50a內(nèi)時，泥沙三角洲還未堆積至壩址部位，在壩前的淤積量不大，深泓高程沒有發(fā)生較大變化，泥沙淤積厚度增大速度較??；而隨著水庫的持續(xù)使用，三角洲的坡頂慢慢靠近壩址部位，提高了壩前泥沙淤積速度，淤積速度最快區(qū)間為運行80～90a，運行方式一和運行方式二在此10a間淤積新增厚度分別高達30.8和16.96m，深泓高程仍處于快速增大期，未達到平衡狀態(tài)。對比圖2和圖3能夠發(fā)現(xiàn)，在100a運行時間下運行方式一的深泓高程和淤積厚度分別為1744.7和82.3m，大于運行方式二的1723.45和61.05m。除此之外，水庫壩址在第一種運行方式下的泥沙淤積高程較大，會在很大程度上影響水輪機的正常運轉(zhuǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)堵塞排沙底孔的情況，需要先打開排沙底孔泄水來避免排沙底孔被淤泥覆蓋。而水庫壩址在第二種運行方式下的泥沙淤積高程較小，泥沙淤積不會對水電站進水造成較大影響，在100a后排沙底孔仍會被堵塞，同樣需先打開排沙底孔泄水來避免排沙底孔被淤泥覆蓋[8]。對比之下，運行方式二不會對水電站進水口造成較大影響，更適合水庫的運行。

圖3 各運行年限水庫在運行方式二下的水庫淤沙高程

圖4 運行方式不同時淤損率對比圖

圖5 運行方式不同時水庫庫容對比圖

圖6 運行方式不同時泥沙淤積量對比圖

4 汛期水位對水庫泥沙淤泥的影響

以上述第二種運行方式為基礎(chǔ)，通過調(diào)整汛期壩前水位的方式來分析汛期水庫泥沙淤積的變化趨勢，對后期運行方案的優(yōu)化、水庫發(fā)電值的提高有重要意義。此次選擇2種計算方案來分析汛期水位變化對水庫泥沙淤泥的影響，第一種計算方案為初始方案，即上述運行方式；第二種計算方式為在上述運行方式下，把汛期壩前水位從1772m分別調(diào)整為1766、1769、1775和1778m，汛期外各月份運行方式仍與原始方式保持一致。通過計算對比不同運行方式下水庫泥沙淤積量和淤積過程的變化趨勢，分析水庫泥沙淤積受到汛期壩前水位變化的影響規(guī)律。通過模型計算，得出6、7月份汛期壩前水位為1766、1769、1772、1775和1778m，汛期外各月份和原始方案一致時，不同年份正常蓄水位下水庫淤損比、剩余庫容以及淤積量變化情況，具體如4—6所示。

對比正常蓄水位下不同運行方式時的庫容淤損比、剩余庫容以及淤積量能夠得出，水庫泥沙淤積和剩余庫容的變化趨勢大致相同，均表現(xiàn)為淤積量和庫容淤損比隨著水庫運行時間的增長而增長；剩余庫容隨著水庫運行時間的增長而降低。在水庫運行時間相同時，其淤積量和庫容淤損率隨著汛期水位的增高而增大，即汛期水位越高，水庫的泥沙淤積量和庫容淤損率就越高；對應(yīng)的，隨著汛期水位的提升，水庫剩余庫容則呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。

將1766m的汛期水位作為標(biāo)準(zhǔn)，對比其余4種汛期水位的泥沙淤積量，發(fā)現(xiàn)1778、1775、1772、1769m所對應(yīng)的泥沙淤積增量分別為12425萬、8664萬、5529萬和2542萬m3，由此能夠得出，限制汛期水位能夠在一定程度上降低正常蓄水位以下泥沙淤積量。從5種汛期水位的泥沙淤積變化曲線圖中能夠得出，1766m為汛期水位時，水庫的淤積曲線最為平緩，泥沙淤積增加率較低。由此能夠推斷出，水庫在此種運行方案下的泥沙淤積達到?jīng)_淤平衡狀態(tài)的速度更快。

5 結(jié)論

為分析水庫汛期水位對泥沙淤泥的影響，通過數(shù)值模擬的方式，設(shè)置2種運行方式和5種不同的汛期水位計算水庫泥沙淤積變化過程，得出以下結(jié)論。

(1)水庫運行時間相同時，淤積量和庫容淤損率隨著汛期水位的增高而增大；隨著汛期水位的提升，水庫剩余庫容呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。在100a運行時間下運行方式一的深泓高程和淤積厚度大于運行方式，更適合水庫的運行。

(2)將1766m的汛期水位作為標(biāo)準(zhǔn)，汛期水位為1778、1775、1772、1769m時對應(yīng)的泥沙淤積增量分別為12425萬、8664萬、5529萬和2542萬m3，故限制汛期水位能夠在一定程度上降低正常蓄水位以下泥沙淤積量。

(3)庫泥沙淤積量和淤積過程影響因素復(fù)雜，文章僅考慮了汛期水位變化及運行方式的影響，其他因素等綜合因素并未考慮，因此結(jié)論需進一步全面分析。