河道型水庫庫區(qū)淤積形態(tài)數(shù)值模擬研究

張 鈺，張 晨

（1.天津市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，天津 300204；2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350）

水庫作為地表重要的淡水資源儲蓄庫， 在調(diào)節(jié)徑流、 改善水資源時空分布不均等方面發(fā)揮著不可替代的作用［1］。 但由于庫內(nèi)流速小，打破了原始河流泥沙淤積平衡，會產(chǎn)生庫內(nèi)泥沙淤積現(xiàn)象［2］。 在水庫上游河道，淤積導(dǎo)致回水上延，回水上游地區(qū)淹沒和浸沒以致鹽堿化；在庫區(qū)，水庫淤積減少有效庫容，影響水庫調(diào)節(jié)性能； 淤積情況下的水庫下泄清水也會沖刷下游河道使其變形［3］，故開展水庫泥沙淤積分析具有重要作用。 水庫泥沙淤積可分為縱剖面形態(tài)和橫斷面形態(tài)［4］。 國內(nèi)外主要包括物理模型與數(shù)學(xué)模型兩大類泥沙淤積研究手段。在物理模型方面，一些學(xué)者［5，6］通過室內(nèi)水工模型試驗研究了水動力學(xué)下河床水沙特征，為實際工程提供重要參考；在數(shù)學(xué)模型方面，人們通過水質(zhì)模型MIKE在研究河流中水沙狀態(tài)，為水質(zhì)評估提供理論參考［7］。 目前數(shù)學(xué)模型已成為研究水庫泥沙淤積的重要且有效的途徑。本研究利用MIKE21軟件建立阿爾塔什水庫輸沙模型，針對不同運行工況下水庫調(diào)度運行方式，對阿爾塔什水庫泥沙淤積情況進行數(shù)值模擬。 目的得到不同運行工況和年份下縱、橫斷面泥沙淤積形態(tài)，水庫泥沙淤積量及庫容變化、排沙比等情況，為水庫今后的建設(shè)和運行提供參考依據(jù)。

1 工程及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)域

阿爾塔什水庫坐落在葉爾羌河干流上， 壩址位于葉爾羌河喀群水文站上游約55km處， 控制流域面積46446km2，是葉爾羌河流域規(guī)劃的重點工程。 水庫正常蓄水位1820m，相應(yīng)庫容21.29億m3，死水位1770m，死庫容8.69億m3。 多年平均入庫懸移質(zhì)輸沙量為2302萬m3， 多年平均入庫推移質(zhì)輸沙量172萬m3，輸沙比（V/WS）86.06，小于壅水建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計基準期100年。 壩址、喀群站位置和本研究模擬分析的CS3-CS11斷面如圖1。

圖1 葉爾羌河及壩址研究斷面示意圖

1.2 數(shù)據(jù)概況與處理

已知阿爾塔什水庫地形圖（1∶1萬）；阿爾塔什水庫典型斷面資料； 阿爾塔什水庫水沙系列資料（1958—2007年）； 喀群水文站月平均懸移質(zhì)泥沙顆粒級配 （1975年）； 實測庫區(qū)河床質(zhì)泥沙顆粒級配（2008年）。

本次計算以喀群水文站資料為設(shè)計依據(jù)， 計算成果直接移用至水庫壩址處。 計算過程中采用年徑流量與年輸沙量建立的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)插補延長后，系列長度滿足規(guī)范要求。 喀群水文站距壩址約55km左右，兩斷面間控制流域面積出入不大，約占7%。

1.3 運行工況及運行方式

兼顧水庫興利與排沙矛盾， 擬定水庫調(diào)度運行方式為：1958—2007年，汛期6—9月中旬保持汛限水位1813m，非汛期保持正常蓄水位1820m。

2 MIKE21水沙數(shù)值模型的建立與驗證

軟件中的網(wǎng)格生成器可對庫區(qū)進行網(wǎng)格剖分，直接生成地形文件［8］。 模擬河段選取如圖1的9 個斷面，最終生成網(wǎng)格859個，節(jié)點504個。 由于缺少阿爾塔什水庫的典型年水位變化情況和庫區(qū)每年的流速資料，選擇通過水位來判定模擬結(jié)果是否正確。 如圖2，模擬的1958—2007年阿爾塔什水庫整體庫區(qū)水位與設(shè)定的運行工況水位基本相同， 無較大波動與斷流的情況發(fā)生，只有小幅波動，在誤差范圍之內(nèi)，所以可作為有效數(shù)據(jù)使用。

圖2 1958—2007年阿爾塔什水庫庫區(qū)水位變化情況

3 水庫泥沙淤積分析

3.1 水庫在不同年份斷面淤積情況分析

3.1.1 水庫縱斷面淤積情況分析

從輸出結(jié)果來看，前30年，庫區(qū)CS3～CS11斷面的區(qū)域內(nèi)泥沙淤積較少， 河底深泓線基本保持原高程。 這是因為水庫運行初期，泥沙總量較少。 但從淤積總體形態(tài)上看，由于下游地區(qū)高程低，壩后淤積深度與上游相比較大。總體上說，在此運行方式下前50年研究河段的河床泥沙淤積情況并不嚴重， 壩后河床最終淤積高程為1673m，尚未達到排沙洞的底板高程1715m，所以在此階段，每年可不排沙僅保持泄水即可。 河床深泓線上淤積情況如圖3。

圖3 河床深泓線泥沙淤積情況

3.1.2 水庫橫斷面淤積情況分析

由于前30年河床變化較小， 所以選取后20年的斷面變化情況進行制圖分析， 過程中將泄水洞與排沙洞簡化為一個過水隧洞。 模擬結(jié)果表明，9個斷面中，CS3斷面泥沙淤積現(xiàn)象最為明顯， 但也未達到排沙洞的底板高程1715m。 由于CS3斷面河底左側(cè)的高程較高，且上方為泄水洞，所以水流速在經(jīng)過泄水洞時形成水流的突縮現(xiàn)象， 靠近泄水口處部分出現(xiàn)沖刷漏斗。 CS3斷面右岸由于地勢較低，出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象。CS4到CS11斷面變化情況基本相同。 由于距壩址處距離較遠，沒有出現(xiàn)流速突然增大的狀況，所以沒有出現(xiàn)明顯的沖蝕現(xiàn)象， 且隨著運行時間的增加淤積現(xiàn)象越來越明顯。

圖4 水庫運行40年和50年所輸出的CS3～CS11斷面沖淤情況和斷面變化情況

3.2 水庫淤積量及庫容變化分析

以10年為一個界限， 對每10年輸出的泥沙淤積量進行統(tǒng)計。 運行結(jié)果表示，隨著運行年份的增加，庫區(qū)淤積量也相應(yīng)增加，相應(yīng)的庫容則逐年遞減。水庫運行10年時，淤積量為12.65萬m3，相應(yīng)的正常蓄水位下對應(yīng)的庫容為21.29億m3， 此時近壩段由于上游三角洲尚未推進到近壩段泥沙淤積問題并不嚴重。水庫運行20～50年時，淤積量分別為62.71萬， 254.17萬，617.85萬，1410.88萬m3。 總體來說，隨著運行年份的增加，泥沙淤積量越來越大，其淤積量的增量也逐年遞增，但淤積量增長幅度卻逐年降低，最終會趨于穩(wěn)定。圖5為不同運行年限下的庫容-水位變化曲線。

圖5 不同運行年限下的庫容-水位變化曲線

3.3 水庫泄水口及排沙口處含沙量分析

模型模擬結(jié)果顯示， 泄水口處的含沙量隨時間變化有逐年加重趨勢。具體情況為，在水庫運行0～10年期間， 泄水口及其排沙口的含沙量平均值為0.063kg/m3；10～20年期間，含沙量平均值0.116kg/m3；20～30年期間， 含沙量平均值0.179kg/m3；30～40年期間，含沙量平均值為0.262kg/m3；40～50年期間，含沙量平均值為0.325kg/m3。 由于本研究只是研究壩后的近壩段， 且在運行50年中庫區(qū)泥沙淤積與總體相比不是十分明顯，所以其含沙量并不太大，根據(jù)先前研究［9］，屬合理范圍。

4 結(jié)語

本文根據(jù)50年（1958—2007）水沙系列的原始資料，設(shè)定了6—9月水位保持在1813m，其余月份水位保持在正常蓄水位1820m的運行工況，采用MIKE 21軟件模擬了阿爾塔什水庫斷面流速和泥沙淤積情況。結(jié)果表明，壩后河床最終淤積高程為1673m，尚未達到排沙洞的底板高程1715m。壩址處斷面沖淤變化顯示泄水口處出現(xiàn)沖刷漏斗， 水庫出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象。 且隨運行年份的增加，泥沙淤積量越來越大，淤積量增量逐年遞增，淤積量增長幅度卻逐年降低，最終趨于穩(wěn)定。 但泥沙淤積高度并未達到死水位高程1770m，興利庫容并未減少。