馬蓮河高含沙水開發(fā)利用模型分析

王 括

（遼寧葠窩水力發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽）

馬蓮河主要依靠降雨補(bǔ)給，多年平均徑流量為4.8 億m3，但因整個流域水土流失嚴(yán)重，年輸沙量達(dá)1.34 億t，最大含沙量1050 kg/m3，占甘肅年入黃河泥沙量的21%。馬蓮河流域是多沙粗沙區(qū)，其中大于0.05 mm 粒徑的粗沙，主要來自洪德以上，洪德實(shí)測多年平均含沙量高達(dá)518.2 kg/m3，水資源主要集中在汛期，汛期多年平均徑流量為3.27 億m3，占多年平均徑流量4.32 億m3的76%，而且多以暴雨洪水的方式出現(xiàn)，陡漲暴落，歷來均未作任何截留即直接并入涇河。針對慶陽市發(fā)展對水資源利用的需求，如能設(shè)法對汛期洪水加以利用，將會大大緩解慶陽市水資源的壓力。

文中以馬蓮河中下游的高含沙水流利用為重點(diǎn)，力求在對馬蓮河水資源、汛期洪水利用分析的基礎(chǔ)上，利用高含沙水流運(yùn)動一維水動力學(xué)模型，模擬推求馬蓮河流域在洪德站和硯瓦川處建立攔蓄工程后利用部分汛期洪水的計(jì)算結(jié)果，以便為慶陽市提供汛期洪水利用初步的可行性方案。

1 馬蓮河汛期水沙過程分析

馬蓮河中小洪水多為局地暴雨形成，漲水歷時短，峰型尖瘦，年年均有發(fā)生；特大洪水一般由籠罩面積大、持續(xù)時間長的大暴雨形成。無論實(shí)測資料還是調(diào)查洪水，都表明馬蓮河是甘肅省洪水最多，洪量最大的河流之一，也是涇河洪水主要來源地。洪水特點(diǎn)是峰高、量大、破壞性強(qiáng)。根據(jù)雨落坪、慶陽等水文站的實(shí)測資料，馬蓮河每1.5 年有一次洪峰流量超過1000 m3/s的洪水過程，每3 年有一次洪峰流量超過2000 m3/s 的洪水過程，每6 年有一次洪峰流量超過3000 m3/s 洪水過程，超過5000 m3/s的洪水過程有2 年。

1.1 典型年汛期水沙過程

根據(jù)已掌握的資料，對馬蓮河汛期洪水過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并繪制過程線圖，選取其中的洪德站、慶陽站和雨落坪站作為主要水文站點(diǎn)來分析馬蓮河的洪水特征，其中洪德站代表洪水過程為1967 年，為了研究洪水的來水規(guī)律，繪制各場洪水的過程線，見圖1。

圖1 1967 年馬蓮河洪德站不同月洪水過程

1.2 近兩年水沙變化規(guī)律

為了分析最近的來水及泥沙的變化規(guī)律，根據(jù)2006 年和2008 年的日平均數(shù)據(jù)，繪制洪德、慶陽和雨落坪站汛期的流量及含沙量過程，見圖2。

圖2 各站流量含沙量過程

由圖2 可以看出，汛期洪水利用主要考慮兩個部分，一部分為汛期中非大洪水，即汛期基流，這部分水量的含沙量在20 kg以下，另外一部分為大洪水的末端洪水，這部分水量雖然含沙量較高，但是經(jīng)過沉積后可以利用一部分。

2 馬蓮河高含沙水利用模型

2.1 因素分析

采用簡化的一維水沙動力學(xué)模型，主要考慮以下的因素：庫區(qū)水位- 庫容曲線，根據(jù)DEM 數(shù)據(jù)獲得；汛期來水來沙過程，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)獲得5 月21～9 月 20 日數(shù)據(jù)；根據(jù)交流結(jié)果確定引水水量，不同引水量與利用方式以及泥沙淤積量不一樣；根據(jù)來水過程，引水量確定攔蓄時機(jī)，引水量及引水含沙量；根據(jù)引水過程數(shù)據(jù)確定沉沙池的容量；根據(jù)沉沙池容量、引水過程、入流含沙量、出流含沙量確定沉沙池泥沙淤積量。

2.2 洪水利用模型主要水力要素

（1）摩阻流速

式中：u*為摩阻流速，m/s；n 為糙率；g 為重力加速度，m/s2；v 為流速，m/s；R 為水力半徑，m；J 水力坡度。

（2）沉速計(jì)算

采用斯托克斯公式計(jì)算粒徑級泥沙的沉速，即：

式中：ρs、ρw分別為沙、水密度，g/cm2；d 為粒徑，mm；ω 為泥沙沉速，cm/s；g 為重力加速度，cm/s2；v 為水的運(yùn)動粘滯系數(shù)，cm2/s。

（3）含沙量

式中：S0為堰前斷面含沙量，kg/m3；Sr為入口含沙量，kg/m3；L 為長度，m；q 為單寬流量，m3/s；a 為恢復(fù)飽和系數(shù)；ω 為沉速，cm/s。

（4）寬頂堰出流計(jì)算

式中：m 為寬頂堰流量系數(shù)，取值0.385；b 為寬頂堰堰頂寬，m；h 為溢流堰的堰頂水深，m。

（5）入池平均含沙量

式中：Qi為實(shí)際引用流量，m3/s；Qn為天然河道日平均流量，m3/s；Qd為設(shè)計(jì)引用流量，m3/s；S 為時段平均入池含沙量，kg/m3。Si為天然河道日平均流量，m3/s；T 為時段天數(shù)，d。

3 馬蓮河高含沙水利用結(jié)果

3.1 高含沙水利用方案

在對馬蓮河水資源、汛期洪水利用分析的基礎(chǔ)上，利用高含沙水流運(yùn)動一維水動力學(xué)模型，模擬馬蓮河流域建立攔蓄工程，利用部分汛期洪水的模型計(jì)算結(jié)果，得到慶陽市汛期洪水利用初步的可行性方案。根據(jù)調(diào)查，認(rèn)為硯瓦川可作為馬蓮河旁側(cè)調(diào)蓄水庫，在硯瓦川水庫與馬蓮河之間修建沉砂池，并參照都江堰魚嘴分流的利用方式和飛沙堰排沙的辦法解決沉砂池中泥沙淤積的問題，具體利用方案可以分以下幾步：

①在馬蓮河河道內(nèi)硯瓦川口具有分叉型河道斷面的河段修建低壩或閘，初步降低河道流速，為取水做準(zhǔn)備；②在閘前或低壩前旁側(cè)開口形成引水渠，當(dāng)馬蓮河的來水含沙量小于14 kg/m3時開始引水；③設(shè)計(jì)引渠斷面為逐步增大的寬淺式斷面，以形成靠近河邊的緩沖池，達(dá)到初步沉沙的效果；④以窄深式斷面的引渠將近河處的緩沖池和遠(yuǎn)河處的沉砂池銜接，防止泥沙在引渠內(nèi)沉積；⑤以順著水流方向的魚嘴狀分水嶺將沉砂池分成兩個深槽A 與B，并分別設(shè)閘，而調(diào)蓄方式是當(dāng)A 在汛前取水沉沙時，可讓B 關(guān)閉；運(yùn)行一段時間后當(dāng)A 的沉沙容量不足時，采用B 沉沙；當(dāng)大汛來臨時則打開已經(jīng)淤滿的A 或B 槽的閘門，利用大流量來水將淤沙全部沖入下游河道；⑥經(jīng)過沉砂池沉沙后的清水進(jìn)入硯瓦川水庫，并作為馬蓮河的旁側(cè)調(diào)蓄水庫。馬蓮河汛期洪水體利用方案見圖3。

圖3 馬蓮河汛期洪水體利用方案圖

3.2 利用方案的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)洪德站、慶陽站、雨落坪站多年平均來水量、洪德站1976 年洪水過程和2006 年、2008 年汛期來水來沙過程，通過還原計(jì)算，分別得到洪德站、硯瓦川（采用慶陽站、雨落坪站計(jì)算得到）平水年汛期（6 月～9 月）天然來水來沙過程，代入模型，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 洪德站汛期洪水利用結(jié)果

根據(jù)表1 結(jié)果，兩處取水點(diǎn)汛期來水量26910 萬m3，其中可以利用的水量5432 萬m3，洪水資源利用率20.2%，引水平均含沙量15 kg/m3。由于泥沙前期蓄水，水流變緩，而且沙峰滯后于洪峰，部分泥沙將沉積在河床中，每年28 萬t，這部分泥沙需要清淤。根據(jù)可利用水量、引水含沙量以及沉沙池出流含沙量的要求，需要建立184 萬m3的沉沙池用于洪水泥沙的再沉積。

洪水的利用需要攔蓄工程、引水工程和沉沙池，其中攔蓄工程要求洪德站、硯瓦川兩處取水點(diǎn)有效庫容分別達(dá)到140 萬m3、900 萬m3，引水工程采用提水和堰流相結(jié)合的方式。沉沙池的設(shè)計(jì)滿足相應(yīng)的庫容要求，具體尺寸可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦螚l件確定，此外，在硯瓦川處，也可以在支流建立一個旁側(cè)水庫，引水后直接到旁側(cè)水庫。

4 結(jié)論

通過以上的計(jì)算可知，通過一定的工程和非工程措施，慶陽市在兩個取水點(diǎn)平水年可利用洪水量分別為592 萬m3和4840 萬m3，總共可用水量為5432 萬m3。其中，汛期洪水的利用主要需要修建以下工程：攔蓄工程，用于攔蓄汛期洪水，建議在河道中修建閘門，便于排沙。引水工程，用于將河道中的水引到沉沙池，需要建立引水口閘門，引水渠道，另外部分點(diǎn)根據(jù)需要加引水泵站。沉沙池工程，用于將引水渠道中的水進(jìn)行沉淀，從而獲得自來水廠和工業(yè)區(qū)的用水要求。