嘉陵江亭子口水庫泥沙淤積計(jì)算研究

1、嘉陵江亭子口水庫泥沙淤積計(jì)算研究萬建蓉 盧金友 宮平（長江水利委員會長江科學(xué)院武漢 中國 430010）摘要：本文利用一維不平衡輸沙原理對嘉陵江亭子口水庫正常蓄水位 458m 運(yùn)用方案進(jìn)行了 庫區(qū)泥沙沖淤計(jì)算分析。 計(jì)算結(jié)果表明： 當(dāng)樞紐運(yùn)用至 100 年末時， 庫區(qū)泥沙淤積量為 21.808 億 m3，當(dāng)樞紐運(yùn)用至 20 年末時，遇不同頻率洪水時， 受庫區(qū)泥沙淤積影響， 昭化以下 41.9km 河段及昭化以上 10km 左右河段水位抬高 1.05m 2.53m 。關(guān)鍵詞 ：水庫泥沙 數(shù)學(xué)模型 淤積計(jì)算1前言嘉陵江是長江上游左岸最大一條支流，流域面積159800km2 。干流全長1120km，

2、其中廣元以上為上游，河段長 380km，為山區(qū)性河流；廣元至蒼溪為中 游上段，河段全長 175km，屬深丘區(qū)，；蒼溪至合川為中游下段，河段長 470km， 該段河谷開闊，谷寬一般為 4002000m；合川以下為下游，河長 95km，為高山峽 谷河段。嘉陵江流域水量豐 沛，同時也是長江上游 重點(diǎn)產(chǎn)沙河流之一，其 含沙量居各大支流之 首。北碚水文站控制流 域面積 156142km2，占全 流域的 97.7%，是嘉陵 江的控制站，多年平均 徑流量和懸移質(zhì)輸沙量 分 別 為 665 億 m3 和 12000萬 t ，卵石推移質(zhì) 輸沙量 7 萬 t 。北碚水文站年徑流量分別占長江干流寸灘水文站和宜昌水文

3、站的19和 15，懸移質(zhì)輸沙量分別占 27和 24，嘉陵江泥沙是三峽水庫泥沙的重要來源之一。亭子口水利樞紐位于嘉陵江干流中游廣元蒼溪峽谷河段， 上距廣元 147km， 下距蒼溪縣城 15km，壩址控制流域面積 62550km2，是嘉陵江干流開發(fā)中大型控制 性工程。庫區(qū)涉及廣元至壩址干流河段和支流白龍江、清水河的河口段等。干流 廣元至昭化段長約 26km，河床平均比降約 0.8 ，；昭化至大清溝，長約 36km， 平均比降 0.67 ；大清溝至亭子口樞紐壩址河段長約 97km，平均比降 0.67 。 圖 1 為庫區(qū)河道平面示意圖。亭子口站是亭子口樞紐的入庫代表站，多年平均徑流量為203億 m3，

4、多年平均輸沙量 6100萬t ，推移質(zhì)量為 14.9 萬 t。本文將利用一維全沙數(shù)學(xué)模型，研究庫區(qū)泥沙淤積。2計(jì)算條件及計(jì)算方案2.1計(jì)算條件計(jì)算的水沙條件通過對水庫上游干流主要控制站新店子站長系列水沙資料的統(tǒng)計(jì)分析，選擇 19741983年共 10 年水文系列為典型代表系列。典型系列新店子站水量及懸移 質(zhì)輸沙量的年平均值分別為 64.4 億 m3和3490萬t ，與多年平均值 64.33 億 m3和 3660 萬 t 十分接近。計(jì)算時段劃分及計(jì)算河段每年劃分 60 個時段，汛期時段短，枯季長， 10 年共劃分 600 個計(jì)算時段。計(jì)算河段地形為 1992 年測量，嘉陵江干流壩址至廣元市以上共

5、 163km左右， 布置了 32個斷面；支流白龍江匯口以上 17.8km，布置了 6 個斷面。2.2計(jì)算方案本次計(jì)算方案為 458-442 （447）-438m，其中正常蓄水位為 458m，汛限水位 442m，死水位 438m。3數(shù)學(xué)模型計(jì)算采用長江科學(xué)院根據(jù)一維不平衡輸沙原理建立的水庫沖淤數(shù)學(xué)模型軟件 “HELIU-2”，模型采用的基本方程經(jīng)簡化后如下：Z z0n2Q2 x(B43 B043 )2(A103 A0103 )U02 U 22g1)SiS*i(Soi S*oi )e(S*oi1S*i )Y 1(1eY)(i 1,2, ,8)2)式中：S*iS*mixqKi S*mU 3 m k(

6、gUh)mgh m采用 m=0.92，k/g m=0.0175 ，得Q2.76B0.92S* m 0.0175A3.68 0.92 Am80.92 0.92m0.92Pi i0.92i1Ki 為分組挾沙力系數(shù)，采用竇國仁公式：(Pii )Ki 8(Pii1i)Pi 為懸移質(zhì)級配，由下式計(jì)算：3)Z14)PoiPiGsoiGsi (GsoiGsi)懸移質(zhì)引起的河床變形i1(Q0S0i QSi ) t si B x推移質(zhì)輸沙率平衡不平衡3)1)水面線計(jì)算式2)懸移質(zhì)含沙量變化方程推移質(zhì)輸沙率用長江科學(xué)院提出的推移質(zhì)輸沙經(jīng)驗(yàn)曲線求得。輸沙曲線的關(guān) 系式為：4)Vdm1hm /(d)4.7(hd50)

7、0.065)泥沙起動流速公式(張瑞瑾公式)Uc0.14 17.6 s d 0.000000605)6)推移質(zhì)引起的河床變形Z216 (GboiGbi ) ti 9si B x6)Vdqsgd d gd式中：上述各式中： t 為時段； x為兩斷面間距； Si、S*i分別為分組含沙量及挾 沙力； S*m為斷面總的挾沙力； q為單寬流量； m為非均勻沙平均沉速； k 和 m分 別為挾沙力系數(shù)和指數(shù)；為指數(shù)，取 1/6 ；Ud 為近床面流速； uc 為床沙起動流 速；d為粒徑； H為水深； qb為推移質(zhì)單寬輸沙率； Gb為推移質(zhì)總輸沙率； Gs為斷 面懸移質(zhì)輸沙率；腳標(biāo)“ 0”代表已知斷面。該數(shù)學(xué)模型

8、曾應(yīng)用于三峽、丹江口等水庫庫區(qū)泥沙淤積計(jì)算，計(jì)算成果均通 過專家評審。4庫區(qū)泥沙淤積規(guī)律分析4.1 寶珠寺水庫攔沙計(jì)算分析亭子口回水變動區(qū)內(nèi)有支流白龍江入?yún)R。寶珠寺水庫為白龍江下游的大型水 庫，水庫總庫容 25.5 億 m3。寶珠寺水庫的蓄水?dāng)r沙，明顯地影響了亭子口水庫 的入庫徑流過程及入庫沙量過程，因此，本文需對寶珠寺水庫進(jìn)行攔沙計(jì)算。(1)寶珠寺水庫泥沙淤積量 由于寶珠寺水庫庫容較大，入庫沙量較多，故庫區(qū)泥沙淤積量相應(yīng)也較多。 經(jīng)對寶珠寺水庫泥沙淤積計(jì)算，當(dāng)寶珠寺水庫運(yùn)用 50 年庫區(qū)泥沙淤積量為 7.49億 m3 ，水庫運(yùn)用 100 年庫區(qū)泥沙淤積量 12.95 億 m3 ，見表 1表1

9、寶珠寺水庫攔沙計(jì)算成果表（2）寶珠寺水庫攔沙作用對運(yùn)用年庫區(qū)淤積庫區(qū)排沙d 0.01mm亭子口水庫泥沙淤積影響分析限（年）量（億 m3）比（%）出庫泥沙粒徑占 （%）寶珠寺水庫控制面積和水量101.626.298約占亭子口水庫的 50%，多年平203.199.493304.6912.885均年輸沙量約占 30%左右。在亭406.1217.274子口水庫運(yùn)用初期，寶珠寺水庫507.4921.166的排沙比小，較大程度地減小亭608.7626.258709.9531.252子口水庫的入庫泥沙和泥沙淤積8011.0536.446量；但隨著亭子口和寶珠寺水庫9012.0542.041運(yùn)用年限的增加，寶

10、珠寺出庫沙10012.9547.93711013.7553.933量不斷加大，亭子口水庫將隨水12014.4559.431庫運(yùn)用年限增加，泥沙淤積衰減13015.0963.228緩慢，淤積過程延長。14015.5771.82615016.0572.525.44.2亭子口水庫庫區(qū)泥沙淤積計(jì)算成果亭子口水庫修建后， 由于庫區(qū)水深大、 流速緩， 入庫泥沙大部分淤積在庫區(qū)。 庫區(qū)泥沙（含推移質(zhì)）淤積計(jì)算結(jié)果列于表 2。4.2.1 庫區(qū)泥沙淤積量、淤積分布及淤積形態(tài)（1）泥沙淤積量水庫運(yùn)用 20年、50年及 100年時，庫區(qū)泥沙淤積量分別為 5.080 億 m3、12.246 億 m3 及 21.808

11、 億 m3。亭子口水庫庫區(qū)泥沙淤積速度比較均勻， 水庫運(yùn)用初期 30 年，泥沙淤積量較 大，后期庫區(qū)泥沙淤積速度遞減比較緩慢，庫區(qū)泥沙淤積過程較長，庫區(qū)泥沙淤 積平衡年限在 100 年以上。（2）庫區(qū)泥沙淤積分布A）常年回水區(qū)淤積量 常年回水區(qū)由于水深大，流速緩，入庫泥沙絕大部分在此段落淤。同時由于 汛期壩前水位低，入庫流量大，水流挾帶泥沙能力強(qiáng)，庫尾段淤沙及上游來沙多 被帶到此段淤積。水庫運(yùn)用 20 年末，該庫段泥沙淤積量為 4.949 億 m3；水庫運(yùn) 用 100 年末，泥沙淤積量為 21.502 億 m3 。根據(jù)計(jì)算成果分析，該庫段泥沙淤積 量占庫區(qū)淤積總量的 98%左右。B）變動回水區(qū)

12、泥沙淤積量 變動回水區(qū)由于受回水影響小，河段流速大，挾沙能力強(qiáng)。所以水庫建成后 此段泥沙淤積較少，水庫運(yùn)用 20 年末，該河段泥沙淤積量為 0.131 億 m3；水庫 運(yùn)用 100年末，泥沙淤積量為 0.306 億 m3。庫尾段泥沙淤積量僅占水庫總淤積量 的 2%左右。表 2 458-442 （447） -438 方案亭子口水庫泥沙淤積計(jì)算成果保留庫容淤積量運(yùn)用年限（年）壩址 - 昭化 昭（億 m3）（化以上億 m3 ）庫區(qū)淤積量（億 m3）庫區(qū) 排沙比 （%）防洪庫容（%）調(diào)節(jié)庫容（%）102.4400.1252.56526.496.794.3204.9490.1315.08028.894.

13、989.6307.3470.1437.49032.092.885.0409.7300.1549.88435.190.781.05012.0430.20312.24638.588.276.36014.2410.24214.48342.985.972.47016.3330.26116.59447.183.368.18018.2060.27318.47953.980.965.19020.0080.29520.31356.678.161.510021.5020.30621.80865.075.558.3（3）庫區(qū)泥沙淤積形態(tài) 亭子口水庫泥沙淤積形態(tài)為三角洲淤積方式，隨水庫運(yùn)用年限增加，三角洲 淤積體不

14、斷向壩前推進(jìn)和向上游延伸， 洲面緩慢抬高。 水庫運(yùn)用 20 年，庫區(qū)三角 洲淤積體的頂點(diǎn)在距壩 80km左右；水庫運(yùn)用 50 年三角洲淤積體頂點(diǎn)已移至距壩 60km 左右；水庫運(yùn)用 80 年后，庫區(qū)泥沙淤積速度放慢，并由單向淤積逐步向沖 淤交替發(fā)展， 從而使水庫泥沙沖淤變化逐步過渡到平衡狀態(tài)。 水庫運(yùn)用 20 年末庫 區(qū)縱部面圖詳見圖 2。4.2.2水庫排沙比的變化水庫運(yùn)用初期庫區(qū)泥沙淤積一般比較多， 排沙比則較小。 當(dāng)水庫運(yùn)用 20 年末， 排沙比為 28.8%。隨著水庫運(yùn)用年 限的增加，庫區(qū)泥沙淤積體的增 大，水流挾沙能力不斷增強(qiáng)，排 沙比則隨之增大。水庫運(yùn)用 50 年末，排沙比為 38.

15、5%；水庫運(yùn) 用 100 年，排沙比達(dá)到 65.0%。4.2.3水庫泥沙淤積后保留庫容亭子口水庫修建后，由于庫區(qū)泥沙淤積的影響，水庫庫容有所損失。經(jīng)過計(jì)算，亭子口水庫運(yùn)用 20 年末，防洪庫容可保留 95%左右，調(diào)節(jié)庫容可保留 90%左右；水庫運(yùn)用 50 年末，防洪庫容可保留 88%左右，調(diào)節(jié)庫容可保留 76%以上；水庫運(yùn)用 100 年末，防洪庫容可保留 75%以上，調(diào)節(jié)庫容可保留 60%左右4.2.4水庫泥沙淤積對庫區(qū)洪水位的影響分析在水庫泥沙淤積計(jì)算的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行了水庫運(yùn)用 20 年末洪水頻率為 5%、20% 的庫區(qū)回水計(jì)算。 根據(jù)計(jì)算成果分析， 亭子口水庫運(yùn)用 20 年末， 不同頻率洪

16、水位 較淤積前洪水位均有所抬高，尤其昭化鎮(zhèn)以下 41.9km 河段及昭化以上 10km左右 河段水位抬高較多，該河段淤積前后洪水位對比如下。昭化以下 41.9km 河段，洪水頻率為 5%時，該河段洪水位較淤積前抬高 1.54m 2.53m。洪水頻率為 20%時，該河段洪水位抬高 1.05m 2.40m。當(dāng)洪水頻率為 5% 及 20%時，昭化水位分別為 469.37m及 466.25m。較淤積前抬高 2.24m、2.17m。圖 2 水庫運(yùn)用 20 年末庫區(qū)縱部面圖昭化以上干流庫段， 水庫運(yùn)用 20 年，同一洪水頻率的洪水位較淤積前抬高值 一般為 12m。水庫運(yùn)用 20 年后，干流回水末端均處于廣元市以下 2627 號斷面之間，廣 元市洪水位基本與淤積前一致?；厮畬V元市基本上沒有影響。5結(jié)語（1）亭子口水庫位于多沙河流，入庫泥沙較多，水庫運(yùn)用20 年、 50 年和100 年水庫泥沙淤積