水洞溝水庫典型斷面實測數據分析

楊 程，李春光，呂歲菊

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川750021;2.北方民族大學數值計算與工程應用研究所，寧夏銀川750021;3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏銀川750021;4.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏銀川750021)

新中國成立以來我國共建設各種水庫85000余座，泥沙淤積使水庫的有效庫容逐年減小，特別是北方水庫，淤積速度和淤積量已經達到了令人吃驚的地步。于是，充分挖掘水庫的蓄水能力，進行水庫泥沙淤積防治技術的研究，特別是水庫運行前淤積情況的預測，對水庫的管理運行和水環境保護具有重要意義［1－3］。

1 研究區概況

水洞溝發源于寧夏靈武市與鹽池縣的交界處，屬黃河一級支流。水洞溝水庫位于水洞溝下游，是內蒙古上海廟能源化工基地、寧夏紅墩子能源化工基地供水工程調蓄水庫。水庫以黃河為取水水源，設計總庫容1039萬 m3，供水規模設計一期(2015年)20萬m3/d，二期(2020年)40萬m3/d。水庫運行時僅有少部分泥沙通過取水塔被帶走，大部分泥沙沉積在庫區，使得水庫壽命迅速縮短，因此通過實測水庫的地形、含沙量等，研究水庫的使用壽命、淤積規律以及水庫的運行管理和優化調度是非常必要的。

2 斷面布設及測量儀器

通過對水洞溝水庫進行現場勘測，選擇并布設典型斷面，利用高精GPS、RiverCAT(“河貓”)系統、采樣器等，設置斷面樁號、測量地形高程和岸邊水位、采集水樣等，并對含沙量進行測量和分析。

2.1 斷面布設

共布設了24個斷面，其中橫向15個、縱向9個。水洞溝水庫橫、縱斷面設置見圖1、2。圖中x、y為地理坐標，其中x軸以正東方向為正，y軸以正北方向為正，坐標值均為相對值。進水口和取水口含沙量變化較大，附近區域斷面布設較其他地方密集。

2.2 測量儀器

主要測量設備有“河貓”系統、ESE－50Box－50回聲測深儀、深水采樣器、激光測距儀、烘干箱、電子天平、濾紙、干燥器等。

3 實測結果及分析

用快艇拖曳“河貓”系統沿測量斷面航行一次，系統將自動存儲距岸邊距離、斷面底高程、流場等數據。測量結束后對實測數據進行分析處理，即可得到各斷面庫底地形圖。

3.1 橫向斷面地形圖及分析

15個橫斷面庫底地形圖見圖3—6。

由圖3—6知，最大水深由斷面左岸移向斷面中間，然后再移回斷面左岸，各斷面右岸為淺灘，水深較淺。結合圖2中進、取水口位置分析可知:①斷面C01—C06的最大水深在左岸附近，最大水深18 m左右，取水口位于斷面S02和S03之間，此處水深較大利于取水，且流速較小、含沙量較小，取出的水易于凈化，能減少水處理成本、提高運行效率;②斷面C07—C11最大水深逐漸靠近斷面中心位置，左岸附近水深仍有5～12 m，進水口設在此處能起到消能作用，減少對進水口兩岸的沖刷;③斷面C12—C15最大水深逐漸靠近左岸;④水庫正式投入運行后，左岸和取水口處將被沖刷，右岸將淤積。

3.2 縱向斷面地形圖及分析

縱向斷面庫底地形圖見圖7、8。

縱斷面中S01是基準面，受測量當日水位限制，僅對S02—S08共7個縱斷面進行了測量。由圖7、8知，隨著斷面逐漸變寬(從不足90 m擴大到850 m左右)，最大水深位置逐漸移向斷面中間，最大水深為18.5 m左右。根據實測的各斷面數據，利用斷面法［4－7］計算幾種不同水位條件下的庫容，見表1。

表1 不同水位下的庫容

3.3 等高線及三維地形圖

根據所測各斷面的庫底高程并結合各斷面樁點，利用插值法得到水洞溝水庫整體庫底地形圖(圖9—10)，其中圖9為水洞溝水庫等高線圖(黑色粗線表示實測的水位)，圖10為水洞溝水庫三維地形圖。

由圖9—10可以看出:從北向南(即從主壩到尾壩方向)，庫底高程分布不均勻;最小庫底高程開始時靠近水庫左岸，然后逐漸移向水庫中心;水庫左岸地勢高且在靠近主壩處較陡，而右岸地勢相對低且平坦。

3.4 淤積量預測

在進水口和取水口采集水樣，測得其含沙量分別為1.031、0.021 kg/m3。按照規劃，計入水庫蒸發滲漏損失和輸水損失，水洞溝水庫一期需從黃河取水8176萬m3/a，二期需從黃河取水16352萬m3/a。若淤積泥沙密度按1400 kg/m3計，依據實測含沙量和設計年取水量可得各時期末水庫淤積量，見表2。經計算得到水庫30年使用期末，總淤積量將達309.65萬m3。

表2 各時期末水庫淤積量

4 結語

在水洞溝水庫橫向、縱向選擇并設置了24個典型斷面，受測量時水位限制，利用“河貓”系統等測量儀器對其中22個斷面的水深、庫底高程、含沙量等進行了實測，對實測數據進行整理分析，得到了水庫運行初期的地形資料。利用實測數據，采用斷面法計算了幾種水位下的庫容，其中最大允許水位1180 m時庫容約為1016萬m3，與設計庫容1039萬m3非常接近，驗證了實測數據的可靠性。同時，依據在進水口、取水口測得的含沙量及設計取水量，對水庫使用期庫區淤積的泥沙量進行了預測，為進一步研究水庫的淤積情況提供了必要的原始數據，也為確保水庫的合理運行及長期、穩定、有效地向上海廟、紅墩子能源化工基地供水提供了基礎數據。

［1］魏炳乾，燕荔，楊川.水庫泥沙淤積量測算方法研究綜述及展望［J］.自然災害學報，2007，16(6):63 －69.

［2］劉畫眉，程禹平，賴冠文.水庫淤積量的一個估算方法［J］.廣東水利水電，2007(z1):18 －19，30.

［3］張振克，陳云增，田海濤，等.黃河流域水庫攔截泥沙量的計算及泥沙分布特征［J］.中國水土保持，2008(4):20－22.

［4］李秋梅，張顯雙，樸富林.小型水庫多年淤積量測算研究［J］.中國水土保持，1999(4):13 －14.

［5］劉煒，牛占，陳濤.斷面法水庫庫容計算模型的幾何分析［J］.人民黃河，2006，28(10):72 －73.

［6］舒彩文，談廣鳴.河道沖淤量計算方法研究進展［J］.泥沙研究，2009(4):68－73.

［7］高圣益，李成國.水庫庫容測量技術研究［J］.人民長江，2007，38(10):98 －99.