官山水库泥沙淤积及回水特征_刘峰.pdf

河南水利与南水北调 2023年第5期水文水资源官山水库泥沙淤积及回水特征刘峰（贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000）摘要：为了提高水库的运行安全，充分发挥水库效益。文章根据官山水库实际情况，对水库泥沙淤积和回水特征进行研究。分析结果表明：随着时间的推移，水平淤积高程不断增加，淤积形态为锥体淤积，设计淤积年限50年的设计淤积量为20.50万m3。在官山水库工程设计阶段需充分考虑泥沙淤积的影响，研究结果为水库设计及运行提供参考。关键词：水库；泥沙淤积；回水计算中图分类号：TV145文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）05-0053-021引言水库工程建设具有较大的经济、社会、生态效益，可促进当地经济发展。因此，在水库工程建设前需要对水库功能需求进行全面把控，保证工程建设后可以满足各项需求，同时需具备长期效益。水库大坝修建于河道，大坝修建后必然存在淤积现象，水库泥沙淤积对水库大坝工程的库容产生影响，将造成水库效益下降、防洪能力下降等后果，因此，为了保障水库工程长期发挥效益，不可忽视泥沙淤积带来的影响。水库大坝工程修建，会造成上游水位发生变化，针对水库回水情况进行研究，可保证水库上游居民的安全，有助于发挥水库效益。2工程概况官山水库的工程建设任务为村镇供水及灌溉，解决规划水平年安龙县龙山镇、笃山镇总人口18 810人（其中乡镇人口8 878人，农村人口 9 932 人）的饮水问题和 661.90 hm2（其中水田512.33 hm2，旱地 108.20 hm2）灌溉用水问题，水库年供水量443.1万m3，其中灌溉水量353.50万m3（P=80%）、乡镇及农村人畜水量89.60万m3（P=95%）。根据初步设计方案重力坝设计洪水位为1 212.50 m（P=3.33%），最大下泄量49.20 m3/s，对应库容415万m3，校核洪水位为1 212.90 m（P=0.33%），最大下泄量85.80 m3/s，水库总库容为446万m3。库区出露地层为三叠系上统赖石科组（T3ls）地层：岩性为砂岩和页岩等。库尾段长约0.94 km，为斜向谷，左、右库岸沿线无不良地质现象分布，第四系残坡积层覆盖，厚15 m，水库蓄水后受库水浸泡及浪蚀作用，局部可能产生少量坍塌，但总体影响不大。库腰段长约2.10 km，左岸为逆向坡，沿线无不良地质现象分布，基岩零星裸露，第四系残坡积层覆盖厚06 m，但建库后受库水浸泡作用，局部覆盖层可能产生滑移现象，总体影响不大。右岸为斜向坡、顺向坡，第四系残坡积层覆盖厚05 m，基岩零星裸露，由于地形完整性差，冲沟发育，建库后受库水浸泡作用，结构面夹层软化，可能产生滑移现象，淤塞库区，但未形成较大规模的库岸再造。库首段长约0.50 km，为斜向谷，库岸无不良地质现象分布，基岩零星裸露，其余为第四系残坡积层覆盖，厚0.801.60 m，自然边坡稳定，水库蓄水后受库水浸泡及浪蚀作用，局部可能产生坍塌，但总体影响不大。根据岩土体分布特征，库区周边岸坡对水库淤积的影响较小，库区淤积主要来自悬移质。3水库泥沙淤积流域无实测泥沙资料，此次地表泥沙参数主要结合 贵州省悬移质多年平均年侵蚀模数分区图 和实地踏勘选定，取多年平均悬移质输沙模数为350 t/km2。经计算，坝址多年平均悬移质年输沙量为0.458 5万t，推移质按悬移质的20%计为0.09万t，坝址多年平均总输沙量为0.55万t。3.1泥沙淤积形态判别水库淤积形态跟入库水沙条件、水库地形及坝前水位变化等因素有关。采用清华大学水利系及陕西省水利科学研究院作者简介：刘峰（1990），男，工程师，主要从事水文与水资源设计。Sedimentation and Backwater Characteristics of Guanshan ReservoirLIU Feng（Guizhou Water Resources and Hydropower Survey,Design and Research Institute CO.LTD.,Guiyang 550000,China）Abstract：In order to improve the safety of reservoir operation and give full play to reservoir benefits,according to the actual situationof Guanshan Reservoir,the characteristics of sediment deposition and backwater are studied.The results show that with the increase oftime,the elevation of horizontal sedimentation is increasing.The form of sedimentation is cone sedimentation,and the designedsedimentation amount is 205,000 m3.In the design stage of Guanshan Reservoir project,the influence of sediment deposition should befully considered.The research results provide reference for reservoir design and operationKey words：reservoir;sedimentation;backwater calculation53河南水利与南水北调 2023年第5期水文水资源公式进行淤积形态判别，公式如下：=VWsJ0（1）当 2.20时，为锥体淤积；当 2.20时，为三角洲淤积或带状淤积。式（1）中：V为时段平均库容（m3），设计时采用正常蓄水位以下库容；Ws为时段平均入库沙量（m3），设计时以50年入库沙量计；J0为原河道比降（0/000）。根据此次计算成果，正常蓄水为以下库容为350.80万m3，50年入库沙量为20.50万m3，库区河床比降为8.90，将以上数据代入公式计算得a为0.19，小于2.2，判断水库淤积形态为锥体淤积。3.2泥沙淤积计算根据泥沙分析与计算成果，泥沙容重取1.30 t/m3。根据水利水电工程等级划分及洪水标准，官山水库为等小（1）型水库，根据 水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范，官山水库合理使用年限为50年，因此，此次设计泥沙淤积按50年计算，采用多年平均排沙比法确定水库泥沙淤积量，其计算公式为：V沙=V悬沙+V推沙（2）V悬沙=（1-）G F T/s（3）V推沙=G F T/s（4）式（2）（3）（4）中：V沙水库泥沙 T 年淤积库容（万 m3）；1-水库拦沙率，1-=0.98；G多年平均输沙模数（t/km2）；F集雨面积（km2）；T泥沙淤积年限（年）；s泥沙容重（t/m3）。推悬比，取0.20。根据径流计算成果，结合 泥沙设计手册 中“拦沙率”经验关系曲线图（见图1），由此进行泥沙淤积计算。通过计算水库运行50年的水平淤积高程为1 202.18 m，坝前淤积高程为1 199.79 m；水库运行20年的水平淤积高程为1 200.68 m，坝前淤积高程为1 198.79 m；官山水库各运行年限泥沙淤积计算成果见表1。通过泥沙淤积计算，选定坝址设计淤积年限50年的设计淤积量为20.50万m3，水平淤积高程1 202.18 m，坝前淤积高程1 199.79 m。3.3水库淤积分布根据泥沙淤积计算，官山水库20年泥沙坝前淤积高程为1 198.79 m，主河道20年泥沙沿程淤积高程根据经验面积减少法进行计算，成果见表2。4水库回水计算回水计算按照忽略局部水头损失的伯努利方程式自坝址逐个断面向上游推算（逐段试算法），计算方程如下：Z=Q2K2L+（-）V122gV222g（5）k2=c2A2R2（6）c=Rn116（7）式（5）（6）（7）中：断面间距（m）；v2、v1上、下断面平均流速（m/s）；Q流量（m3/s）；n糙率；R水力半径（m）；A断面面积（m2）。根据 水电工程水利计算规范，水库回水应考虑泥沙淤积影响10-30年。此次回水计算采用水库运行20年的淤积年限进行计算。根据 水利水电工程建设征地移民安置规划设计规范 的规定及水库专业的要求，对农村居民点、一般城镇和一般工矿区按洪水重现期20年考虑；对耕地、园地等按洪水重现期5年考虑，官山水库坝址以上有农村居民点，所以按20年一遇确定水库回水线。对推荐坝址的正常蓄水位1 211.50 m方案，频率为P=5%及P=20%的洪水，根据枢纽泄洪能力进行调洪演算，取坝前最高水位与相应下泄流量、洪峰流量与相应库水位进行回水计算，取外包线作为回水计算成果。官山水库集水区域P=5%洪峰流量为82.30 m3/s，P=20%洪峰流量为46.30 m3/s。回水计算所采用断面根据11 000实测地形图剖切。库区河段河谷深切，河床及低水岸坡为部分基岩出露，中、高水岸坡为第四系冲积物，有杂草，糙率n根据建库后从坝前大于天然 n 过渡到库尾接近天然糙率 n 取 0.0450.052。根据库区地形条件，水库回水计算断面共13个，从回水计算成果可见，A10断面为回水尖灭点断面，回水长度为3 536 m，回水计算成果见表3。5结论水库大坝运行一定时间后会出现淤积现象，对水库大坝工程的库容产生影响，导致水库效益、防洪能力下降。文章以官图1蓄水水库多年平均拦沙率经验关系图表1官山水库各运行年限泥沙淤积计算成果表淤积年限/年1020304050泥沙淤积量/（万m3）4.18.212.316.420.5水平淤沙高程/m1 199.941 200.681 201.281 201.761 202.18坝前淤沙高程/m1 198.291 198.791 199.191 199.511 199.79表2官山水库泥沙淤积分布计算成果表断面号A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13距坝址距离/m04779631 6052 0462 4612 9693 3313 4743 5363 5803 5973 614深泓线1 195.001 197.031 199.121 202.681 204.421 206.321 208.871 211.941 212.401 212.741 213.071 213.311 213.3820年泥沙淤积高程1 198.791 200.031 201.621 203.881 205.521 207.221 209.371 212.141 212.601 212.751 213.081 213.321 213.39（下转第59页）54河南水利与南水北调 2023年第5期南水北调南北水调安阳市西部调水工程设计扩建林州市第三水厂7万m3/d，林州市第三水厂设计总规模达到12万m3/d，并与第四水厂、西丰水厂共同组成互通管网供水，扩大供水范围，覆盖林州市城区、红旗渠开发区、姚村镇、河顺镇、横水镇，采桑镇等村镇，用于城乡生活及部分工业用水。将南水北调优质水引至桃园水厂替代原水源（弓上水库水与地下水），作为南部乡镇农村的主要供水水源以改善农村饮水水质，同时压采地下水158.20万m3。林州弓上抽水蓄能电站，拟装机容量120万kW，项目建成投运后，年发电量13.19亿（kW h），每年可节省标煤28.37万t、减少二氧化碳排放量70.76万t、减少二氧化硫排放量2.14万t、减少氮氧化物排放量1.07万t，林州弓上抽水蓄能电站除具有容量替代效益，缓解系统调峰压力、改善火电运行工况，和减少化石资源消耗、减轻环境保护压力等静态作用，更具有紧急事故备用、快速负荷调整、调频、调相稳压等动态功能，对推动林州市乃至河南省节能发电调度的实施及社会经济可持续发展具有重要意义。4结论与建议南水北调优质水代替弓上水库作为主水源不仅可以解决林州市日渐较深的水资源供需平衡的矛盾，优化林州市水资源配置，合理扩大供水范围，推动城镇供水管网向周边村庄延伸覆盖，着力提高供水保障能力；缓解地下水超采问题；还可以推进林州市能源结构调整，建设符合节约型、环境友好型要求的社会。弓上水库由于上游用水增加及来水量的大幅减少，已多次出现蓄水不足的情况，饮用水水源安全受到了威胁。2015-2020年，供水人口缩减了50%，供水量减少了57.81%，供水保障率低。林州弓上水库饮用水水源地替代方案无论在水量还是水质上均能满足林州市全域的供水需求，基本不影响林州市供水安全。弓上水库变为抽水蓄能下水库可以减少碳排放，对推动河南省节能发电调度的实施及社会经济可持续发展具有重要意义。加大供水管网的改造力度，逐步淘汰陈旧老化供水管网，优化管网布局，引进新技术、新材料，提高管道使用寿命，增强供水能力，降低由于管网陈旧老化造成的爆管、水量漏失和水质事故。广泛借助科技手段，及时摸清管网现状。加强用水安全监控与应急预案，在P=95%保证率时，需启用备用水源以满足林州用水需求。参考文献：1 徐琼.南水北调西部调水工程安阳河段项目分析 J.河南水利与南水北调，2022，51（10）：39-40.2 任威振，孔卫瑞.南水北调水源地保护专项行动系统设计与应用 J.河南水利与南水北调，2023，52（1）：38-39，55.3 程永源.南水北调受水区内乡供水工程节能评价 J.河南水利与南水北调，2022，51（7）：52-53.收稿日期：2023-3-7编辑：刘长垠山水库为例，研究水库泥沙淤积和回水特征。结果表明根据官山水库初步方案，库区回水长约3.536 km，水库淤积形态为锥体淤积，水库运行 50 年的水平淤积高程为 1 202.18 m，坝前淤积高程为 1 199.79 m；水库运行 20 年的水平淤积高程为1 200.68 m，坝前淤积高程为1 198.79 m。建议在水库工程设计阶段充分考虑泥沙淤积的影响。参考文献：1 刘全龙.基于防洪安全的水库引水工程效益评价以兰州新区引水工程为例 J.中国科技信息，2023（2）：65-67.2 郑江丽，李兴拼，陈易偲.水库移民后期扶持实施效益评价以广州市从化区为例 C.北京：中国水利学会2021学术年会论文集第五分册，2021：370-378.3 洪文浩，周清勇，胡国平，等.模糊综合评判法在病险水库加固后工程效益评价中的应用 J.浙江水利科技，2020，48（5）：22-26.4 肖俊.水库一维泥沙数学模型论证研究以新疆玉龙喀什水库为例 J.水利科学与寒区工程，2022，5（5）：5-9.收稿日期：2023-3-28编辑：刘长垠侯鹏松表3官山水库回水计算成果表断面号A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13距坝址距离/m04779631 6052 0462 4612 9693 3313 4743 5363 5803 5973 614深泓线1 195.001 197.031 199.121 202.681 204.421 206.321 208.871 211.941 212.401 212.741 213.071 213.311 213.3820年泥沙淤积高程1 198.791 200.031 201.621 203.881 205.521 207.221 209.371 212.141 212.601 212.751 213.081 213.321 213.39多年平均流量水面线1 195.221 197.241 199.321 202.881 204.611 206.501 209.041 212.101 212.541 212.821 213.131 213.351 213.39水面线/mP=20%Q=46.30 m3/s建库前1 195.521 197.521 199.591 203.141 204.831 206.521 209.041 212.121 212.561 212.841 213.151 213.371 213.41建库后1 212.101 212.101 212.101 212.101 212.101 212.101 212.101 212.561 212.951 213.091 213.211 213.321 213.34P=5%Q=82.30 m3/s建库前1 195.621 197.621 199.681 203.221 204.911 206.771 209.261 212.251 212.671 212.951 213.171 213.381 213.43建库后1 212.401 212.401 212.401 212.401 212.401 212.401 212.401 212.751 213.081 213.221 213.291 213.401 213.47备注坝址尖灭点（上接第54页）59