山口反調節水庫泥沙監測資料分析

(伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

天然河流修建攔河建筑物后，原有的輸水泄洪平衡遭到破壞，庫區內將產生泥沙淤積，對水庫產生一些不利影響，淤積泥沙占用有效庫容，降低水庫的防洪和興利能力。水庫淤積計算的任務是分析水庫淤積對防洪、發電、航運、引水及淹沒等的影響，并為研究水庫運行方式、確定泄洪排沙設施規模提供依據。天然河道一般與長期來水、來沙條件相適應，處于相對沖淤平衡狀態。水庫壅水后，庫區流速變緩，挾沙能力減小，含沙水流進入水庫，泥沙不斷落淤，經過長期淤積過程，又達到新的相對平衡狀態。水庫淤積易造成如下情況：?常侵占調節庫容，逐步降低其綜合利用效益；?淤積末端上延抬高回水位，增加淹沒損失；?變動回水區易使寬淺河段主流擺動或移位，影響航道和港口；?壩前淤積將增加作用于建筑物上的泥沙壓力，并有礙船閘及取水口正常運行。

1 山口水庫概況

山口水電站位于新疆特克斯河干流上，為特克斯河干流梯級開發的最末一級，距上游恰海水庫約16km，距上游大莫河河口約9km。山口水電站工程屬大(2)型Ⅱ等工程，水庫入庫徑流由恰海水庫出庫徑流過程和大莫河天然徑流過程兩部分組成，主要承擔發電任務，其次是反調節任務。山口水庫，位于下游，水庫調節方式為日不完全調節，調節庫容僅為0.2億m3，調節能力較弱，且運行水位距汛限水位僅為0.50m。水庫運行后，出庫泥沙輸沙量較天然河道輸沙能力大大降低，攜帶泥沙顆粒較細。莫河是反調節水庫的一條小支流，該支流屬山溪性河流，隨著暴雨及融雪性洪水的沖刷夾帶，汛期河道泥沙含量較大，河道坡度大，泥沙基本全部進入反調節水庫。本文所分析的水庫入庫站地處山溪性河流，山區河流比降大、水流湍急、輸沙能力強，河流以侵蝕為主，不會淤積。但匯入水庫入庫口以下，河流縱坡變緩，河道明顯展寬，輸沙能力減小，水流搬運物質大量堆積形成沖積洪積扇，造成了下游水庫的壩前淤積。

2 水庫淤積量計算

水庫泥沙淤積計算是水庫工程設計的重要組成部分 ,直接影響到工程的設計質量。

山口反調節水庫的入庫泥沙來量，可分為上游水庫的出庫泥沙和小莫河水文站的入庫泥沙。

2.1 上游水庫出庫泥沙

山口水庫出庫泥沙計算利用該反調節水庫上游水文站1962—1968年、1977—1987年、1989—2002年共計32個完整年的懸移質泥沙監測資料作為設計依據。

計算上游水文站實測多年平均懸移質輸沙率為187.9kg/s，多年平均懸移質輸沙量為593.08萬t，實測最大懸移質日輸沙率為15700kg/s，實測多年平均懸移質含沙量為0.762kg/m3。插補處理后的1957—2002年多年平均輸沙率為198.7kg/s，多年平均含沙量為0.763kg/m3，多年平均懸移質輸沙量為627萬t。上游恰海水庫建成運行后，由于改變了天然河道的泥沙輸移特性,河流中一定量的泥沙將在水庫淤積，其出庫懸移質泥沙量占入庫懸移質泥沙量的比例為16%，多年平均出庫懸移質泥沙年輸沙量為92.03萬t，其多年平均懸移質泥沙年內分配狀況見表1。

2.2 小莫河水文站入庫泥沙

小莫河水文站是山口反調節水庫的入庫站，該反調節水庫調節庫容約2000萬m3，調節類型為日不完全調節水庫，該站到達水庫的傳播時間約為30min，小莫河水文站所監測的莫河屬于山溪性河流，汛期5—8月是泥沙含量較集中的月份，其輸沙量占年輸沙量的88.22%，河道坡陡流急、泥沙粒徑大、沙量集中，河流徑流小，年徑流量分配不均勻。

莫河流域屬水文資料缺乏地區，無泥沙資料，與其相鄰的流域地質條件、植被、降水及河流流向相近，故以鄰近水文站的31年泥沙實測資料為依據進行泥沙估算。鄰近水文站輸沙模數為85.8t/km2，按照面積比擬法估算小莫河水文站入庫多年平均懸移質輸沙量為49.41萬t。其多年平均懸移質泥沙年內分配狀況見表2。

表1 上游水庫出庫多年平均懸移質泥沙特征值

表2 小莫河水文站入庫多年平均懸移質泥沙特征值

2.3 水庫泥沙年總輸沙量

總輸沙量是指在一定時間內通過某一水體截面的總輸沙量，其大小取決于河流的流量和含沙量。河流輸送的河床沙與河流的流量密切相關，在大多數情況下，水流中的沖積物數量是不飽和的，不僅取決于該段河段的水流狀況，還取決于上游流域的泥沙補給狀況。因此，必須依靠實測數據來確定沉積物總量以及沖積物體積。實測數據主要包括水文站實測泥沙數據、流域實測泥沙數據和水庫淤積數據。

a.根據水文站實測泥沙數據計算總輸沙量。河上所有重要的水文站都測量了不同流量下的泥沙輸移速率數據，利用水流輸沙速率與流量頻率之間的關系，計算出通過斷面的輸沙總量。在使用這種方法時，首先應注意在泥沙測試中，經常會遺漏近底泥沙的數量，需要進行校正；其次，實測的泥沙輸沙率關系群普遍分散，難以畫出合適的關系曲線。流量與流量頻率之間的關系可以根據徑流的來源、季節或類型分別確定。

b.基于流域因子計算總產沙量。流域內的泥沙蓄積量與影響流域土壤侵蝕的因素有一定的相關性，可從懸沙量與流域因子的關系對總輸沙量進行估算。

c.根據水庫泥沙蓄積量計算總輸沙量。河流上的水庫部分或全部截留了上游的泥沙，因此可以估計水庫的總泥沙荷載。

山口反調節水庫入庫懸移質泥沙總量，為上游水庫出庫泥沙和小莫河水文站入庫懸移質泥沙來量之和，故該水庫多年平均懸移質輸沙率為44.82kg/s，相應年輸沙量為141.44萬t，以此估算推移質泥沙輸沙量，按山區河流β=0.15計，得多年平均推移質輸沙量為22.63萬t，多年平均輸沙總量為164.06萬t。

3 泥沙監測資料分析

3.1 泥沙監測方法

反調節水庫的斷面較為復雜，中間有支流匯入，如從監測水庫淤積范圍入手較為困難，故以小莫河水文站斷面單沙、斷沙泥沙監測資料作為主要依據。上游水庫調節庫容較大，泥沙淤積設計為100年，來水較豐的年份也通常無棄水，可視為泥沙下泄量極少。

小莫河水文站的泥沙監測主要以20m、30m、40m、50m垂線積深法斷沙取樣，以主泓30m垂線單沙取樣。

3.2 監測數據

反調節水庫自2011年開始進行全年泥沙監測，其中2011年徑流量較多年平均徑流量偏枯6%，年總輸沙量為64.5萬t，2012年徑流量較多年平均徑流量偏枯36%，年總輸沙量為53.8萬t。即實測數據在徑流量未達到多年平均徑流量的情況下，實際泥沙年總輸沙量已大于多年平均輸沙量49.41萬t，由此不能準確了解水庫在運行后的泥沙淤積狀況。

3.3 懸移質泥沙顆粒級配

2011年6—8月，對小莫河水文站進行了懸移質泥沙顆粒級配的比測工作，比測位置位于水邊和起點距40m處，總共進行了6個點對的比測，證實泥沙的顆粒相對較細，平均中值粒徑界于0.017～0.021mm之間，約80%的泥沙組成成分為泥土和黏土，其中黏土約占25%。

4 泥沙淤積分析

山口反調節水庫入庫多年平均懸移質輸沙量為141.44萬t，其中支流小莫河入庫49.41萬t，占比34.94%；通過對比2011年、2012年實測數據，小莫河入庫懸移質輸沙量較設計分別偏大30.5%、8.9%。根據小莫河2011年總輸沙量計算出山口反調節水庫庫沙比93.9，相對原設計庫沙比103.4減小9.5,按規范標準劃分，均屬于泥沙淤積不嚴重。

根據對小莫河水文站多年泥沙監測的分析，汛期5—8月是泥沙含量較集中的月份，其中輸沙量占年輸沙量的88.22%，根據淤積計算分析，水庫運行初期，平均排沙比為73.7%，水庫運行50年時，排沙比為75.6%。取2011年小莫河年總輸沙量64.5萬t計算水庫運行50年時的總庫容，因泥沙淤積造成庫容損失0.16億m3,較原設計總庫容損失0.14億m3，損失增大0.02億m3，對于死庫容為0.50億m3山口水庫損失較小。

由此可看出，水庫運行50年內，因小莫河入庫懸移質輸沙量的變化導致的泥沙淤積增大對調節庫容的影響是較小的。

5 結 論

無監測資料的小莫河以鄰近水文測站的泥沙資料作為依據進行泥沙入庫設計，在山口反調節水庫運行后，因山溪性河流挾沙力和輸沙量較內陸河流分布不均勻，故增加泥沙監測，根據實際資料選取典型年份，計算水庫實際淤積面積，從而指導水庫的運行管理。