涇河干流河道泥沙淤積對修建蓄水工程的影響分析

燕 荔

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 西安 710001）

1 問題的提出

西咸新區(qū)是首個以創(chuàng)新城市發(fā)展為主題的國家級新區(qū)，是西安國際化大都市建設(shè)的重要城市功能新區(qū)，涇河新城為西咸新區(qū)“一區(qū)五城”之一，也是西安國際化大都市統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展示范區(qū)和循環(huán)經(jīng)濟園區(qū)。

涇河干流涇河新城段屬平原性河道，該段一是屬于河道寬淺，灘槽分明，主流游蕩多變，河道凹岸受沖刷影響崩退現(xiàn)象明顯，二是由于位于涇河下游，泥沙含量大，顆粒細，淤積嚴重，是“涇渭分明”景象的寫照。為確保涇河新城防洪安全，提升城市形象，營造良好的城市風(fēng)貌，改善人居環(huán)境以及涇河新城河道段生態(tài)環(huán)境，促進沿岸經(jīng)濟社會及資源，環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，擬在該段修建蓄水工程。因此有必要對涇河干流、涇河新城段河道泥沙淤積進行研究，以利于分析河道主槽段修建蓄水工程是否可行，提出相對合理的水沙調(diào)度運行方式，為政府決策部門提供有益的技術(shù)支撐。

2 蓄水工程布置

為了改善涇河新城河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境及兩岸人居環(huán)境，在該段涇河主槽上擬修建兩座蓄水工程，利用主槽及部分灘地形成兩級連續(xù)的蓄水梯級景觀水面。根據(jù)河道的地形條件及工程特性，1#攔河建筑物布置為升臥式水閘，共18孔，單孔寬度18m，總寬度381m，閘門擋水高6m；2#攔河建筑物布置為閘壩結(jié)合，主槽采用升臥式水閘，閘門擋水高6m，共7孔，單孔寬度18m，總寬度150m，左側(cè)灘地采用橡膠壩，壩高3m，壩長 350.5m。1#蓄水區(qū)蓄水位374.93m，蓄水長度5.79km；2#蓄水區(qū)蓄水位368.83m，蓄水長度4.26km，蓄水總長度約10.05km，蓄水水面寬200m～900m，蓄水總面積為387.60萬m2。

蓄水工程利用兩岸灘地形成兩岸濱河生態(tài)公園，左岸濱河生態(tài)公園951.36畝，子堤工程長4.03km；右岸濱河生態(tài)公園1138.57畝，子堤工程長4.73km。

圖1 工程斷面入庫水量情況

圖2 工程斷面入庫沙量情況

圖3 思路方式框架圖

3 泥沙沖淤計算技術(shù)路線

3.1 基礎(chǔ)資料分析

涇河上有張家山水文站的實測水沙資料，計算到工程斷面處1956年～2009年共54年的多年平均徑流量為16.25億m3，多年平均輸沙量為17209萬t。工程斷面長系列徑流量情況見圖1，沙量情況見圖2。

該系列包含了豐、平、枯水沙系列段，但系列過程年際分配不均勻，水沙枯豐交替變化，而兩個閘壩群庫容較小，該系列不適用于涇河泥沙淤積計算。應(yīng)選取適合工程特點的水沙代表段，進行涇河兩個梯級閘壩的泥沙沖淤計算。

3.2 選用水沙系列

選用的水沙系列應(yīng)反映豐、平、枯水年的水沙特點，并應(yīng)盡量具有自然連續(xù)性并有較完整的資料，汛期、枯水期水沙量及年內(nèi)分配比例與壩址處長系列基本一致。

根據(jù)上述原則選用1974年～1995年共22年的水沙代表系列，作為計算兩個梯級閘壩泥沙沖淤計算的基本資料。

3.3 研究河道及控制水位

水沙基本資料為1974年～1995年，計算時段為天，2#閘壩工程上游進口水沙資料為1#閘壩工程出庫的水沙過程。

計算范圍為壩址1#、2#閘壩工程約16.09km河段，劃分30個斷面。上游邊界為工程起點D10斷面，下游邊界為2#閘壩壩址斷面D39。下游控制水位為1#閘壩工程為374.93m、2#閘壩工程為368.83m。

3.4 技術(shù)路線

3.4.1 思路方式

涇河泥沙主要集中在汛期，非汛期沙量相對較少，但蓄水工程需要較多的蓄水天數(shù)，而工程的庫容又較小，因此，汛期敞泄，以保持有效的庫容，但同時蓄水天數(shù)就減少，故還應(yīng)以流量和沙量作為限制條件，運用汛期和非汛期聯(lián)合水沙調(diào)度的基本思路進行計算。

根據(jù)河流的水沙條件，結(jié)合工程特點，確定實現(xiàn)汛期與非汛期水沙調(diào)度的方式見框圖3。

3.4.2 實現(xiàn)手段

涇河是渭河北岸最大的一條支流，亦是我省關(guān)中地區(qū)三大河流之一，屬于多沙河流，多年平均來沙量1.72億t，對于這種多沙河流上的河道，一維水沙數(shù)學(xué)模型[1]具有計算速度快，范圍廣等優(yōu)點，該模型基本方程由水流、泥沙等四大方程組成，用這幾個方程式聯(lián)立求解能反映水沙作用的復(fù)雜性，模型基本方程如下：

水流連續(xù)方程

水流動量方程

泥沙連續(xù)方程

河床變形方程

式中：Q為斷面流量，S為斷面平均含沙量，U為斷面平均流速，B為斷面水面寬度，Z為斷面水位，S*為斷面平均挾沙力，g為重力加速度，αe為動量修正系數(shù)，α為泥沙非平衡恢復(fù)飽和系數(shù)，ω為泥沙顆粒沉速，γ'為泥沙干容重，d為泥沙粒徑，A0泥沙沖淤面積，K流量模數(shù)，qL單位流程上的側(cè)向輸沙率，qs單位流程上的側(cè)向流量，t為時間步長，x為空間步長[2]。

將來水、來沙過程劃分為若干時段，使每—時段的水流接近于恒定流。同時，將河道劃分為若干河段，使每一河段內(nèi)的水流接近于均勻流，然后按恒定均勻流進行求解。

根據(jù)《水電水利工程泥沙設(shè)計規(guī)范（DL/T 5089-1999），采用泥沙數(shù)學(xué)模型進行沖淤計算時對數(shù)學(xué)模型及參數(shù)應(yīng)使用本河流或相似河流的實測沖淤資料進行驗證，缺乏實測沖淤資料時可利用設(shè)計工程所在河段天然河道沖淤資料進行檢驗。用長系列1974年～1995年共22年的實測日平均流量過程、輸沙率過程和懸移質(zhì)級配過程對數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)進行了率定和驗證。建立了適用于涇河梯級閘壩的一維恒定不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型，用以分析與研究該梯級閘壩的泥沙淤積運行方式。

表1 涇河1#閘壩不同水沙調(diào)度運行結(jié)果表

4 不同水沙調(diào)度運行方式及結(jié)果分析

根據(jù)上述泥沙淤積計算的技術(shù)路線，主要進行了以下比選工作。以1#閘壩工程為例：

4.1 敞泄時間比選

6月～9月來沙量占全年的95.24%，月～9月來沙量占全年的85.76%，分別計算汛期6月～9月和7月～9月敞泄排沙時的河道沖淤及水面線抬高情況。經(jīng)分析后，推薦汛期6月～9月敞泄排沙方案（方案Ⅰ）。

4.2 排沙流量比選

在汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月，保持水位374.93m不變情況下，進行了入庫流量大于Q排=95m3/s，Q排=280m3/s，Q排=430m3/s，Q排=814m3/s等排沙流量方案的比選，當(dāng)計算時段流量大于設(shè)置排沙流量時，敞泄排沙。分析比較以上各種方案，推薦Q排=95m3/s（方案Ⅱ）。

4.3 排沙沙限比選

汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月在正常蓄水位不變情況下，Q排=95m3/s；進行了不設(shè)排沙沙限、沙限為QS排=3.35kg/m3，Q排=5kg/m3等方案的比選，當(dāng)計算時段含沙量大于設(shè)置排沙沙限時，敞泄排沙。分析比較以上各種方案，推薦QS排=3.35kg/m3（方案Ⅲ）。不同水沙調(diào)度運行方式結(jié)果見表1。

5 推薦的水沙調(diào)度方式

通過不同調(diào)度方式的比選，方案Ⅱ比方案Ⅰ排沙比大，剩余庫容相對較大，方案Ⅱ比方案Ⅰ較優(yōu)；而方案Ⅱ和方案Ⅲ，兩者在排沙比和累計淤積量方面的對比，結(jié)果差異不是很大，但工程蓄水天數(shù)方案Ⅱ比方案Ⅲ多，方案Ⅱ優(yōu)于方案Ⅲ。

綜上所述：推薦閘壩工程的水沙調(diào)度運行方式為：汛期6月～9月敞泄，非汛期10月～5月保持水位374.93m不變情況下，入庫流量大于95m3/s時，敞泄排沙。

根據(jù)推薦的水沙調(diào)度方式的泥沙淤積計算結(jié)果，結(jié)合10年淤積床面，計算蓄水工程百年一遇洪水回水水面線比建堤防水面線增高了0.03m～1.41m。淤積10年水面線水位相對較高，投資增大。為降低水面線、減少投資，建議采用清淤措施降低水面線以減少投資。

6 結(jié)論

通過涇河梯級閘壩水沙調(diào)度運行方式的研究，可以得出：

本工程成敗的關(guān)鍵是蓄水區(qū)泥沙淤積及排沙問題，為此，通過不同水沙調(diào)度運行方式的研究，提出適合工程特點的調(diào)度方式，為工程優(yōu)化設(shè)計方案，完善工程的運行管理提供相對合理的技術(shù)支撐。

在類似于涇河這種多泥沙河流上修建蓄水工程，由于所建工程庫容較小，泥沙淤積可減少閘壩工程的壽命，通過建立水沙調(diào)度模型，進行多方案優(yōu)化比選，提出相對合理的泥沙調(diào)度運行方式，以便最大限度的減少閘壩蓄水工程泥沙淤積量，并提高蓄水水面天數(shù)，提出防淤減淤措施以利工程優(yōu)化設(shè)計。陜西水利

[1]韓其為,何明民.水庫淤積與河道演變的一維數(shù)學(xué)模型[J].泥沙研究,1987,（3）,9～15.

[2]夏雙喜.多沙河流水庫一維水沙數(shù)學(xué)模型研究及應(yīng)用.西安:西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008年3月