大凌河白石水库淤积分析.doc

大凌河白石水库淤积分析大凌河白石水库淤积分析 简介：简介： 本文介绍了大凌河白石水库泥沙设计中，排沙运用方式、死水位及底孔泄流规模的 确定原则及方法，采用 2 种数模计算和物理模型比较的库区淤积量及库容变化过程对库 区纵、横向淤积形态，坝前区冲刷漏斗形态、尺寸及干、支流三角洲的关系进行了分析研 究 关键字：关键字：排沙运用方式 淤积年限 库沙比 拦沙率 淤积形态 冲刷漏斗1 工程概况及水沙特性白石水库(图 1)位于辽宁省北票市上园乡附近的大凌河干流上水库控制 流域面积 17649km2，占大凌河流域面积 23263km2的 76%，总库容 16.45 亿 m3， 是以防洪、灌溉和城市供水为主，兼顾发电的控制性骨干工程库区主要由大 凌河干流及NFDA2牛河支流组成，NFDA2牛河库容占总库容的 9.5%白 石水库为碾压混凝土重力坝，最大坝高 50.3m,坝长 513m为有利于泄洪排沙， 设置 12 个排沙底孔，尺寸为 4×7m(宽×高)，底坎高程 96m另设 11 孔溢洪道， 每孔宽 12m，堰顶高程 115m底孔、溢洪道的泄量及各特征水位下库容见表 1图 1 白石水库平面图据大凌河站 1955～1992 年实测资料统计，多年平均水量 11.85 亿 m3，输沙 量 2143.43 万 t,悬沙 d50=0.0204mm。

输沙量年际间变化较大，1962 年输沙量为 10695.71 万 t，1992 年输沙量 210.62 万 t，两者相差 50.8 倍输沙量在年内 的分配极不均匀，沙量主要集中在汛期，6～9 月的输沙量占全年总量的 96.7%，而同期水量仅占 66.7%其中 7、8 两月是洪峰多发期，该两月输沙量 占全年沙量的 81.2%而一次洪水的沙量又往往占很大比重，如 1962 年 7 月 25 日～29 日一次洪水的输沙量竟达 7812.2 万 t，占该年输沙量的 73%大凌河来 沙的另一特点是支流牦牛河流域面积只有 4317km2，仅占水库控制面积的 24.5%，但来沙量却占入库泥沙的 54.2%，因此，支流牦牛河的来沙尤其应得到 重视表 1 泄水建筑物尺寸、泄量及库容表各水位下的流量(m3/s)名 称孔数及进口尺寸死水位108m堰顶高程115m防限水位125.6m正常高水位127m设计洪水位132.27m最高洪水位133.88m底 孔12.4×7m 269438825187533558876013 溢洪道11.12×15.8m008360990017600 20613各水位下的库容(亿m3)1.33.088.9 10.014.7716.452 排沙运用方式多沙河流水库泥沙调度运用方式，一般从两方面来论证确定：1)从水库寿命，即淤积年限应不短于主要挡水建筑物(大坝)的设计基准期， 要求采取适当的排沙运用方式。

2)从水库任务出发，为要保证设计水平年的水库效益和调节水量，通过选 择合理的排沙运用方式，提高水库排沙比以保持一定的调节库容水利水电工程主要水工结构设计基准期，规范规定为 100～50 年，大型水 库工程应取 100 年以兴利为主要目的的综合利用水库，淤积年限应视为正常 蓄水位以下库容(V)全部淤满的时间(T)多年平均入库沙量 Ws(以体积计)及平均拦沙率 β%一定，则有T=(100·V)/(β·Ws)=(100·V)/(100-η)Ws=100K/(100-η)其中 K=V/Ws 为库沙比，η%为平均排沙比水库平均排沙比与其运用方式有 关，文献［3］统计国内 55 座水库实测泥沙资料(本文增添闹德海水库资料)， 并点绘库沙比 K～淤积年限 T 关系(图 2)，以 β%作参证数，可以得到不同运用 方式的平均拦沙率 β%或平均排沙比 η%范围：i. 蓄洪拦沙水库 β=100% η=0;ii.汛期降低水位运行水库 β=50～70% η=30～50%;iii.先蓄洪后改为蓄清排浑水库 β=25% η=75%;iv.蓄清排浑及敞泄自由滞洪水库 β=10% η=90%;图 2 库沙比 K～淤积年限 T 关系图白石水库正常蓄水位 127.0m 以下库容 10 亿 m3，干、支流多年平均入库沙 量 1746.7 万 m3，上游修阎王鼻子水库后减为 1400.2 万 m3。

淤积年限按 100 年 计，考虑到阎库库容小(1.97 亿 m3)，经若干年达到冲淤平衡后，拦沙率 β=0， 白石入库沙量将恢复天然状况，故取修库后折中的 1574 万 m3为白石平均入库 沙量，则按上式即可反算平均排沙比为 36%，参考国内其他水库经验，白石水 库可以采用汛期降低库水位排沙的运行方式另外，白石水库泥沙设计水平年采用 30 年，即以 30 年淤积水平来确定水 库工程规模和效益经初步水利计算，白石水库 30 年淤积后必须还保持 7 亿 m3左右正常库容，才能调节将近 5 亿 m3水量，满足设计的工农业用水要求换 言之，水库正常蓄水位以下 30 年淤积量应控制在 3 亿 m3左右1955～1992 年 的 38 年系列中，前 30 年的入库沙量为 4.98 亿 m3故排沙比应控制在 35～40%设定几种汛期排沙方案进行试算后，确定运用方式为：以蓄洪为主， 遇 20 年一遇(洪峰流量 10700m3/s)以上洪水时，降低库水位至死水位 108.0m 集 中排沙(大致为 30 年内有 3 次)，凡 20 年一遇以下的中、小洪水则蓄洪运用， 并利用弃水适时打开底孔排泄异重流泥沙按照运用方式在汛期洪水过程中降低水位排沙的 1962、1963、1969 年的排 沙情况详见表 2。

三年沙峰期排沙量达 1.092 亿 t，排沙比高达 70.5%即使按 年量统计，排沙比亦为 65.7%，说明利用大洪水过程，多来多排，效果十分明 显，如果前期淤积较多，本次又提前预泄，水位降得快，降得低，则排沙期的 冲沙效果好，像 1969 年汛期，排沙比大于 100%，否则效果差模型试验曾测 取 1962 年 7 月 22 日～8 月 5 日整个洪水过程的进、出库含沙量，发现当库水 位降至 112.86m 时，出、入库含沙量之比(S出/Ｓ入)达到 100%，再降至 108m 时，含沙量比上升至 200%以上另外，库区淤积发展到后期再遇相同洪水，其 排沙比普遍高于建库初期表 2 大洪水年集中排沙效果对照表19621963 1969 三年合计排沙期全年排沙期全年排沙期全年排沙期全年入库沙量(亿t)0.8811.168 0.4820.5860.1850.3311.548 2.085出库沙量(亿t)0.668 0.8720.1930.2100.2310.2881.0921.370淤积量(亿 t)0.2130.2960.2890.376-0.0460.043 0.456 0.715 排沙比(%)75.874.740.035.8124.987.070.565.7底孔泄流规模是排沙运用方式得以实施的重要条件。

白石水库迳流资源量 不大，要满足供水任务，非蓄洪不可，大凌河沙多，又不得不排为减少对供 水的影响，必须利用大洪水集中高强度排沙，底孔的大小和位置便成为关键 白石水库底孔底板高程 96m，高于河床 2m，其泄流规模经过计算和模型试验方 案比较确定，为 12 孔 4×7m，死水位 108m 下泄量达到 3 年一遇的 2694m3/s,最 大泄量 6013m3/s排沙运用规定 20 年一遇以上洪水须降低库水位集中排沙，并利用预报，提 前预泄，容易和下游防洪产生矛盾，因为水库就是要将下游防洪标准由 20 年一 遇提高到 50 年一遇，锦县断面组合流量必须小于安全泄量 11900m3/s,不考虑 排沙的洪水调节，防限水位 125.6m 起调，全开 12 孔底孔，当库水位上升到 126.9m 时，底孔关闭 6 孔，持续 5.6h 后再全开泄洪，这是与下游区间洪水错 峰；考虑排沙情况，水库由防限水位 125.6m 泄到死水位 108.0m 的时间，必须 安排在区间洪峰之前，最好在入库洪峰之前泄空，然后再错峰壅水和敞排如 区间洪峰和入库洪峰遭遇，关闸时正好把洪峰拦在库内，这是最不利情况，则 需降水冲刷后再延长开闸时间，直到取得一定排沙效果为止。

一般情况下，根 据以往资料分析入库洪峰很少和下游区间洪峰相碰，所以矛盾不是很大要处理好排沙和 兴利、防洪的矛盾， 很大程度上依赖对上、 下游洪峰的预报，建 立水情自动测报系统 大凌河流域多局部暴 雨，给洪水预报带来 困难，如暴雨中心在 中游，干支流、上下 游的洪峰峰现时间会 很接近，故不便用上 游站洪峰来预报按 暴雨中心位置分区， 用 10 处雨量站求取前图 3 十站平均日雨量 P日—入库洪峰流量 Qm 关系图期平均日雨量，点绘 洪峰和流域降雨的关 系，如图 3 所示当 上游 10 处雨量站前期 平均日累积雨量达到 80mm 以上，且当朝阳、 大凌河(控制面积较大 的两站)平均日累积雨 量也达到 80mm 时，大 凌河站即有可能发生 10000m3/s 洪峰，实测 38 年系列中唯有 1962 年、1963 年和 1969 年 属此情况，这只是粗 略的预报方法，仅供 排沙使用，今后在实 践中可以逐步完善3 淤积量及库容变化3.1 计计算方法算方法采用张启舜等编制的《河流与水库泥沙冲淤过程计算数学模型》，把白石 水库连同上游 97km 的阎王鼻子水库一起计算，并采用杨国录《SUSBED-2》数学 模型复算，同时委托水科院泥沙所进行“白石库区整体模型及坝前区局部模型 试验”。

资料采用实测 1955～1992 年共 38 年水、沙系列，按此系列周而复始计算 100 年，其中 1962、1963、1969 年洪峰流量超过 10700m3/s，按照运用方式要 求进行降低水位排沙3.2 淤淤积发积发展展过过程程由表 3 可见，三种方法成果很接近，反映的淤积发展过程趋势是一致的， 30 年后，随着水库淤积向坝前发展，水库排沙比逐年增加，到 100 年时，平均 排沙比可达 44.7～52.5%，而 100 年中的后 50 年，排沙比已经达到 55.7%(张启 舜模型)～68.8%(模试)前 15 年排沙比较大，这是因为其中有 3 个大水年进行 降低水位冲沙的结果，即使如此，前 15 年的淤积量仍达到 3.41 亿 t，是 100 年总淤积量的 30%，相当于后 50 年的淤积量，也可看出水库淤积强度初期大， 后期逐渐减少的规律计算及试验的排沙比和国内已成水库中采用汛期降低水 位排沙运用方式的碧口、龚咀、石泉等很相似表 3 计算和模型试验淤积量成果对比表排沙比(%)淤积量(亿 t)15 年30 年50 年100 年15 年30 年50 年100 年张启舜法37.133.037.044.73.414.417.5211.20杨国录法44.041.242.9544.923.184.087.1311.76模型试验37.032.841.152.53.494.497.129.77表 4 正常蓄水位 127m 以下库容变化表时 段库 容(亿 m3)原始库容损失率平均年损失率(年)剩余库容损失库容(%)(%)010.0 0～157.8462.15421.51.4 0～307.0992.90129.00.97 31～505.5701.52915.30.76 51～1004.0121.55815.60.31 0～1004.0125.98859.9 0.603.3 库库容各容各时时段段变变化化正常蓄水位 127m 以下库容各时段变化情况如表 4。

由表 4 可见，建库初期 库容年损失率大，之后逐渐减缓，后 50 年内仅为 0.31%，多年平均库容年损失 率为 0.6%计算结果表明 100 年时水库远未达到冲淤平衡，尚有 4.0 亿 m3库容， 只要维持大洪水年排沙的运用方式，水库寿命可达 150 年左右前 30 年库容损 失 29%，127m 以下剩余库容 7.。