吉爾格勒德水庫泥沙淤積形態(tài)分析與回水計(jì)算

余中平

（新疆水利水電工程項(xiàng)目管理有限公司,新疆 烏魯木齊 835400）

0 引言

泥沙淤積通常會減小水庫有效庫容,制約水庫的調(diào)蓄能力,影響其防洪、灌溉、供水和發(fā)電效益。水庫泥沙來源與上游流域范圍內(nèi)水土流失、表土侵蝕沖刷及植被和氣象因素密切相關(guān)[1～2]。同時(shí),涉河工程建設(shè)會改變河流原有的水文情勢,顯著降低水流的攜沙能力。因此,及時(shí)摸清水庫推移質(zhì)特性,確定淤積形態(tài)對采取相應(yīng)的治沙防淤措施是十分必要的。

1 水庫概況

吉爾格勒德水利樞紐工程位于烏蘇市境內(nèi),地處四棵樹河上游中山區(qū)河段上,水庫功能以灌溉、工業(yè)供水為主,兼顧防洪發(fā)電,是四棵樹河水資源合理利用與配置的重要控制性樞紐工程。水庫壩址位于四棵樹河與九巴勒貝其爾溝匯合口上游約1 km處,壩址多年平均控制徑流量2.932億m3。

四棵樹河由于氣候干燥,兩岸植被稀疏,致使山體風(fēng)化明顯,暴雨來臨時(shí)殘積物砂質(zhì)堆積物沖入河道,造成河道含沙量沿程累積。水庫壩址斷面多年平均懸移質(zhì)輸沙量為36.9×104t。泥沙入河過程受氣溫、降水影響顯著造成河水含沙量輸沙量大且年內(nèi)分配極不均衡。

2 泥沙淤積分析

2.1 造床流量計(jì)算

造床流量是塑造河床形態(tài)最主要的影響因素,其不同于最大洪水流量和枯水流量,是造床作用最為劇烈的鄰近最大洪水流量的某個(gè)流量值。通常采用馬卡維耶夫法計(jì)算造成流量,即水流輸沙能力和流量的某次方成正比,同時(shí)進(jìn)行頻率分析,當(dāng)QmJp最大時(shí)所對應(yīng)的流量即為造床流量。

將五年典型水沙系列逐日平均流量分級統(tǒng)計(jì),每5 m3/s為一級差,并確定出各級流量出現(xiàn)的頻率,繪制Q-QmJp關(guān)系曲線,見圖1,從圖中可以查出造床流量為40 m3/s。

圖1 Q-QmpJ關(guān)系曲線

2.2 水庫淤積縱斷面形態(tài)

水庫死水位以下水庫運(yùn)用水位相對較高,死水位下最大壩前水深41.5 m,易形成“三角洲”淤積形態(tài)。根據(jù)吉爾格勒德水庫運(yùn)行方式,汛期7 月在死水位運(yùn)行,水庫的回水段較長,當(dāng)庫水位以1503 m的正常蓄水位與河床相交,回水長度5.66 km；以死水位1455 m與河床相交,回水長度2.9 km,變動(dòng)的回水區(qū)長度可達(dá)3.0 km,為河道型水庫,入庫泥沙易行至壩前,根據(jù)K=V/（W·J）×10-4=12.6＞2.2可判別吉勒德水庫泥沙淤積縱斷面形態(tài)為三角州淤積或帶狀淤積。

以河底深泓點(diǎn)高程連線表示河床縱向淤積形態(tài),水庫運(yùn)行各不同年限沖淤縱斷面圖見圖2。從圖2可以看出水庫運(yùn)行初期,為三角洲淤積形態(tài),隨著運(yùn)行年限增加,逐漸向錐體淤積形態(tài)演變。根據(jù)水庫運(yùn)行50年時(shí)主河槽形成較明顯的三角洲淤積形態(tài)分析計(jì)算,水庫前坡比降為36.6‰,頂坡比降為5.66‰。以河漫灘平均高程表示的連線表示灘地縱向淤積形態(tài),水庫運(yùn)行各不同年限沖淤縱斷面圖見圖3。與主河槽不同,灘地只淤不沖,不受水庫沖刷的影響,表現(xiàn)為其頂坡較主河槽大,頂坡較主河槽小。根據(jù)水庫運(yùn)行30年時(shí)形成較穩(wěn)定的三角洲淤積形態(tài)分析計(jì)算,灘地頂坡比降為10.3‰。

圖2 主河槽各不同淤積水平年淤積縱斷面圖

圖3 灘地各不同淤積水平年淤積縱斷面圖

2.3 壩前淤積橫斷面形態(tài)及壩前淤積高程

吉爾格勒德水庫運(yùn)行50 年壩前斷面淤積橫斷面見圖4。根據(jù)壩前斷面淤積變化情況,可計(jì)算出淤積50 年壩前平均淤積高程為1426.7 m,最大淤積厚度為21.7 m。

圖4 壩前斷面不同淤積水平年淤積橫斷面圖

2.4 水庫回水計(jì)算

根據(jù)泥沙淤積分析計(jì)算結(jié)果,水庫淤積水平年為30 年的狀況下,河槽泥沙淤積末端位于3.55 km左右處,低于水庫正常蓄水位,因此泥沙淤積對水庫回水影響較小,考慮泥沙淤積水平年30年的情況進(jìn)行回水計(jì)算。水庫回水采用恒定非均勻流方法進(jìn)行計(jì)算,由于庫尾泥沙淤積對糙率的影響較小,庫尾糙率取值為天然情況下糙率0.04,回水區(qū)考慮泥沙淤積的影響,回水區(qū)糙率0.03。以正常蓄水位為壩前水位進(jìn)行回水計(jì)算,水庫回水計(jì)算成果見表1。

表1 水庫回水計(jì)算成果表

續(xù)表1

2.5 水庫庫容變化

吉爾格德水庫為山麓型,相較于平原型水庫其灘庫容占比小。天然河床比降為16.2‰,水流攜沙能力強(qiáng)。懸移質(zhì)粒徑在0.04 mm左右,沉降較慢,易隨下泄水流外排。當(dāng)水庫采用控制庫水位調(diào)度泥沙的運(yùn)行方式,可大大減小水庫淤積量。

采用一維不平衡數(shù)學(xué)模型淤積分析計(jì)算,庫容-累積淤積量關(guān)系曲線見圖5,從圖5 中可以看水庫運(yùn)行累積淤積量曲線和和剩余庫容曲線變化不大,表明水庫運(yùn)行50 年內(nèi)庫容損失速度變化不大；水庫各不同淤積水平年淤積情況見表2。水庫各不同淤積水平年庫容曲線見圖6。

圖5 庫容～累積淤積量關(guān)系曲線圖

圖6 各不同淤積水平年庫容曲線圖

表2 吉爾格勒德水庫各不同淤積水平年淤積量表

3 結(jié)語

通過計(jì)算,水庫運(yùn)行初期為三角洲淤積形態(tài),隨著運(yùn)行年限增加,逐漸向錐體淤積形態(tài)演變,泥沙淤積對水庫回水影響較小。水庫運(yùn)行30 年時(shí),剩余死庫容668×104m3,剩余調(diào)節(jié)庫容4836×104m3,調(diào)節(jié)庫容淤積量占調(diào)節(jié)庫容的7.1%；水庫運(yùn)行50 年時(shí),剩余死庫容471×104m3,剩余調(diào)節(jié)庫容4629×104m3,調(diào)節(jié)庫容淤積量占調(diào)節(jié)庫容的11.1%。表明水庫運(yùn)行50 年內(nèi)庫容損失速度變化不大。