水庫泥沙淤積分析及庫容測量

呂 敏

（遼寧省丹東水文局，遼寧丹東118000）

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水庫泥沙淤積分析及庫容測量

呂 敏

（遼寧省丹東水文局，遼寧丹東118000）

摘要：基于國內外研究進展，結合流體力學、水動力學、泥沙淤積理論，對水庫泥沙淤積情況進行分析。并研究了泥沙淤積厚度與回水抬升之間的關系，采用平均斷面法對水庫庫容進行計算，希望為今后水庫淤積研究提供理論參考。

關鍵詞：水庫；淤積；庫容；回水抬升

水庫是我國抗洪抗旱過程中的重要水利設施，現有供水量的35%都由水庫提供［1］。庫容-水位關系曲線是水庫安全調度重要依據，庫容計算的準確度直接關系到水庫和發電機組的安全運行。研究表明，各類水庫病害中，水庫泥沙淤積最為嚴重，特別是水庫尾部的淤積，其導致庫容減小，降低了水庫的可利用率［2～3］。大量的泥沙淤積不僅會引起回水抬高，還會導致內澇、水位增加等災害，因此研究水庫泥沙淤積問題具有重要意義。

雖然在水庫竣工時對水庫容量進行了測量，但隨著水庫底部泥沙淤積，水庫底部的地形不斷發生變化，初始測量數據已經失效，需要對水庫庫容進行重新測量，以保證水庫的安全運行。

二維泥沙輸運方程表明，大粒徑砂礫在水庫尾部沉積，二維模型可以準確的模擬泥沙沿水深、河寬的運動規律［4］。基于國內外研究進展，結合流體力學、水動力學、泥沙淤積理論，對水庫泥沙淤積情況進行分析。并研究了泥沙淤積厚度與回水抬升之間的關系，采用平均斷面法對水庫庫容進行計算，計算結果滿足規范要求。

1　泥沙淤積數學模型

泥沙運動求解主要利用水沙運動規律，在此基礎上應用泥沙輸運方程，對泥沙淤積與回水問題進行理論分析。依據SaintVenant定理，水庫中的泥沙運動應該采用一維泥沙輸運方程進行求解［5］。泥沙流動首先滿足連續性方程：

式中：A—水庫進口河流截面積，m2；Q—入庫流量，m3/s；x—流動距離，m；t—流動時間，s。

其次，泥沙運動還滿足動量方程：

其中：Z—水庫水位，m；g—重力加速度，m3/s2；n—河流的粗糙系數；R—河流的水力半徑，m。

水庫底部變形方程：

其中：γ0—容重，kg/m3；Gsb—水庫進口輸沙率，kg/s；αsk—恢復系數。

計算水庫淤積量前，首先要確定各參量的取值，淤積參數主要包括：粗糙率、沉降速度、挾沙系數、容重等。泥沙淤積速率：

取γs=2646kg/m3；γ=1335kg/m3；Q=0.02 m3/s；尾水水深H=0.44m；含沙量S =1kg/m3，運用有限差分法對水庫淤積問題進行求解［6-7］。7h后的水庫水位情況見圖1。

由圖1可知：泥沙經過7h的沉降后，在水平方向15～45m處已經出現了明顯的泥沙淤積，30m出的淤積量最大。通過對比計算值和試驗值，發現該模型計算結果基本精確，只是在沉積最大位置存在一定偏差。圖2給出了7小時后的泥沙累積淤積量。

圖1　7h后的水庫水位情況

圖2　7h后的泥沙累積淤積量

由圖2可知：沿x軸方向，累積淤積量先快速上升，隨后變成緩慢上升，拐點位于x=35m處。當x＞40m后，泥沙淤積量基本飽和。從試驗值和計算值的對比情況看，兩組數據間基本吻合，可見本文建立的水庫淤積數學模型精確度較高。只是在x＞40m后兩組數據有一定差異，測量值明顯小于理論計算值，說明該計算模型只能用在淤積生長區。

2　庫容淤積測量

由泥沙淤積數值計算可以得出，影響水庫淤積的因素多種多樣，因此需要對庫容進行測量，以驗證計算值的準確度［6～7］。從研究情況看，泥沙淤積與回水末端隨時間的變化曲線十分類似，但是淤積起始點更靠近水庫大壩。研究表明，水庫泥沙淤積量取決于Jc/J0和h/H。圖3水庫三維地形分布情況。

文中的水庫庫容測量采用平均斷面法，其計算式為：

圖3　水庫三維地形分布情況

其中：Vhi，i+1—兩個相鄰斷面間水位為h時的庫容量；Shi—斷面在水位h以下的面積；Di，i+1—兩個斷面間的平均距離；N—斷面總數。

利用上述方法對某水庫進行庫容測定，測量了不同高程下的總庫容變化情況，并將測量數據與2004年的數據進行對比，計算出庫容減少量和庫容損失，具體計算結果見表1。

表1　水庫庫容變化情況

該水庫的設計蓄水位為330m，原設計庫容為25.8億m3，2004年測量得到的庫容為23.12 億m3，2014年測量得到庫容為21.84億m3。水庫運行10年間，庫容一共減小了1.28億m3，損失率高達5.55%。當水位為330m時，水庫水深約為35m，水面寬度以300m計算，則由平面定位誤差導致的庫容量計算誤差在0.35%左右。

該次測量的總庫容包括測試區域和估算區域，對其進行準確度計算，發現斷面距離的計算誤差為2.8%，庫容量的計算誤差為9.8%，由于等高距為25m，因此許多復雜的地形區域在圖3中不能清楚的表示，目前仍不能評估由此帶來的計算誤差。

3　結語

雖然在水庫竣工時對水庫容量進行了測量，但隨著水庫底部泥沙淤積，水庫底部的地形不斷發生變化，初始測量數據已經失效，需要對水庫庫容進行重新測量，以保證水庫的安全運行。基于國內外研究進展，結合流體力學、水動力學、泥沙淤積理論，對水庫泥沙淤積情況進行分析。并研究了泥沙淤積厚度與回水抬升之間的關系，采用平均斷面法對水庫庫容進行計算，計算結果滿足規范要求。

（1）泥沙經過7h的沉降后，在水平方向15～ 45m處已經出現了明顯的泥沙淤積，30m出的淤積量最大，計算模型在沉積最大位置存在一定偏差。

（2）沿x軸方向，累積淤積量先快速上升，隨后變成緩慢上升，拐點位于x=35m處。試驗值和計算值基本吻合，是在x＞40m后測量值明顯小于理論計算值，說明該計算模型只能用在淤積生長區。

（3）水庫運行10年間，庫容一共減小了1.28 億m3，損失率高達5.55%。許多復雜的地形區域不能清楚的表示，由此帶來的計算誤差還有待進一步研究。

參考文獻

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［5］丁曼，于德萬.團山子水庫泥沙淤積分析計算及防治措施［J］.水利規劃與設計，2014（04）：34-37.

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［7］何文權.金溝河渠道泥沙磨損修補效益分析［J］.水利技術監督，2013（03）：29-31.

中圖分類號：TV697

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）01-0084-03

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.029

收稿日期：2015-06-05

作者簡介：呂 敏（1963年—），女，工程師。