水库交织流河段泥沙淤积的成因分析

水库交织流河段泥沙淤积的成因分析

水库的建设在防洪、灌溉、城市供水等生产活动和经济生活中发挥着重要作用。同时，打破了该地区现有河流在自然条件下的冲积平衡，并将沉积物积聚在水库中。库区内经常存在支流入汇的情况,通常将库区内有支流入汇的河段称为库区交汇流河段。在交汇流河段,干支流相汇,水流相互顶托,汇口处水位壅高,比降、流速降低;交汇处水流发生紊动掺混,消耗了水流的能量,水流挟沙力减小,因此泥沙在交汇区的淤积比库区其它区段严重。对交汇流河段的分类及交汇区水流结构特征的研究已经取得了较多的成果,如刘同宦等研究了河流干支流交汇形式。茅泽育、杨青远、王协康等通过水槽试验研究了交汇区水力特征。对于交汇区泥沙冲淤变化的研究主要通过水槽试验和原型资料分析,如王协康、詹磊、惠遇甲、刘同宦等。由于问题的复杂性和实测资料的欠缺,对多年调度运用水库库区的交汇流河段泥沙淤积的研究鲜见诸报道。作者以辽宁大凌河白石水库为例,依据实测资料分析库区交汇流河段的泥沙淤积特性、机理、发展趋势及其可能的影响。白石水库位于辽西大凌河干流上,控制流域面积为17649km2,占大凌河流域面积的76%。正常蓄水位为127m,相应库容为10亿m3,总库容为16.45亿m3。大凌河的支流多集于左岸,较大支流有老虎山河、凉水河、牤牛河及细河,其中凉水河与牤牛河属于库区内的支流,白石水库库区平面示意图见图1。1河流聚集特征1.1总聚集1水库资源库积极积累根据实测资料分别统计了白石水库不同高程下的总体淤积量,见表1。从表中可以看出,1998年蓄水后,白石水库库区发生较大淤积,到2010年,127m高程以下的淤积总量为5419×104m3,占总原始库容的5.5%;库区内的淤积逐年累积;库区不同的高程下河床均有淤积。2牛河汇口处深浚沉积点绘不同年份库区深泓线纵剖面图,见图2。可以看出,1998—2010年,库区内河床深泓整体淤积抬高,蓄水初期淤积发展较快。不同库段深泓抬升幅度不同。牤牛河交汇口处深泓淤积幅度最大,最大幅度为4.6m,其余库段的淤积均小于此段,因此在牤牛河交汇口处淤成凸起的沙坎;往上游方向,随着距牤牛河口距离的增加,淤积幅度逐渐减小,库尾处的淤积幅度基本为零。1.23牛河交汇区的聚集特征1产品区及河流干流段积水将牤牛河交汇区上下游部分库区分为牤牛河河口下游干流段(Ⅰ区)、牤牛河河口干流段(Ⅱ区)、牤牛河口上游干流段(Ⅲ区)、牤牛河支流段(Ⅳ区)4个区段(平面位置见图1),计算了各个区段在2002—2008年间的淤积,见表2。可以看出,在交汇区4个区段中,河口干流段的淤积总量最大,占整个交汇区淤积总量的40.12%;牤牛河河口干流段的淤积强度、平均淤积厚度虽然小于牤牛河支流段,但远大于牤牛河河口上、下游干流段。2牛河汇口上、下游冲淤选BD10、BD22、BD23、BD28为典型断面,分析其淤积横向分布。其中BD28、BD10两断面位于牤牛河交汇口上、下游,BD22、BD23断面在牤牛河交汇区,断面位置见图1,各断面的横向冲淤变化见图3。可以看出,水库运行后各典型断面均发生淤积,淤积后各断面河床趋于平整;各典型断面均是以主槽淤积为主,滩地淤积为辅;BD28、BD10两断面淤积后的河床趋于水平,而BD22、BD23两断面淤积后的河床床面左侧高右侧低,呈现0.1%～0.2%的坡度。3牛河汇区积水水质根据实测资料统计的水库全库区与牤牛河河口交汇区的年均淤积速度见表3。可以看出,全库区与牤牛河交汇区虽然在不同时段淤积速度不同,但均为累积性淤积;牤牛河交汇区的年均淤积速度要远大于同期库区总体的年均淤积速度,尤其在2006—2008年间,牤牛河交汇区的年均淤积速度是库区总体年均淤积速度的5.3倍。1.3冷水河交叉处的聚集特征1牛河汇区泥沙主要断面冲淤情况凉水河交汇区距坝址25km,接近库尾。用断面法计算得到1998—2010年凉水河交汇区凉水河支流淤积总量约为6×104m3,仅占库区总淤积量的0.11%,而同期牤牛河交汇区牤牛河支流的淤积量为174.45×104m3,由此可见,凉水河交汇区的泥沙淤积远小于牤牛河交汇区泥沙淤积总量。取BD32、BD33两断面(断面的位置见图1)为凉水河交汇区的典型断面,两断面的横向冲淤变化见图4。可以看出在,凉水河交汇区干流上BD32、BD33两断面河床高程线基本重合,表明断面淤积甚少。2天然河流形态特征从图4还可看出,与图3各典型断面不同,到2010年,凉水河交汇区断面形态依然保持了天然河道的形态特征,即使是主河槽内,也没有明显的平淤特征。对比库区牤牛河交汇区和凉水河交汇区的淤积特征可以发现:牤牛河口交汇区淤积量大于上下游河段,且淤积后干流河床形成沙坎,有横向比降,而凉水河交汇区淤积量很小,也未显现出淤积沙坎及横比降。2白石储水区联流区沉积物聚集分析与发展趋势2.1机械分析1牛河口深汽河泥沙来水特征白石水库运用以来,常年蓄水运用,受到各方面因素的制约,坝前水位基本维持在113～118.5m之间。在此水位下,牤牛河交汇区常年淹没,水深增加。同时,从表4中可以看出建库后河谷、洪水水面比降降低0.1%左右,因此交汇区流速减小,水流挟沙力降低,泥沙大量淤积,加上白石水库常年蓄水运用,加重了交汇区的累积淤积。牤牛河入汇水流含沙量大,表5给出了水库蓄水后大凌河、牤牛河、凉水河的来水特征。从表中可以看出,牤牛河的含沙量显著大于大凌河和凉水河,这造成了牤牛河交汇区泥沙淤积较多。形成图2中牤牛河口深泓纵剖面沙坎的原因除了上述提及的牤牛河来沙量较大以外,还与大凌河干流洪水与牤牛河洪水过程有关,见图5。由图5可以看出,各典型年中除2006年外,大凌河洪水与牤牛河洪水基本没有遭遇,这导致牤牛河洪水带来的大量泥沙在进入大凌河干流后,集中淤积在口门段,后期大凌河洪水很难将已经淤积在常年库区的泥沙带往下游库段,从而在牤牛河口门处淤成沙坎。2泥沙沿程排水在牤牛河口,牤牛河从左侧入汇,入汇后水流受水库蓄水以及过水宽度突然增加的影响,流速迅速降低,泥沙沿程落淤,导致泥沙淤积左多右少,产生横比降。3凉水河、牛河、大凌河牤牛河交汇区淤积远大于凉水河与两支流位置、交汇角、汇流比、来水来沙量等因素有关。表6给出了牤牛河、凉水河与大凌河交汇区的相关参数。①牤牛河来沙量大于凉水河(见表5);②凉水河位于库尾,受水库蓄水影响程度小于位于库中的牤牛河;③凉水河与大凌河洪水遭遇的几率明显大于牤牛河与大凌河洪水遭遇(见图5);④牤牛河与大凌河的交汇角为94°,凉水河与大凌河的交汇角为65°,而交汇区的水面比降随交汇角的增大而变缓,交汇区的紊动掺混随着交汇角的增大而加剧;⑤各年份、不同流量下牤牛河的汇流比较凉水河大,见表7,而汇流比增大时,交汇口干流上游河段水位壅高增加,水面比降变缓,泥沙淤积增加。2.2混交流河段泥沙沉积影响因素白石水库修建之后,蓄水导致水深增加,比降减小、流速降低,泥沙大量淤积。从表4中可看出,两河河谷比降降低分别为0.0799%、0.0386%,洪水水面比降降低分别为0.1052%、0.1152%,即建库后牤牛河、凉水河均有淤积,且牤牛河的淤积幅度要大于凉水河。影响交汇流河段交汇区泥沙淤积的因素包括:水库运行方式、交汇角、汇流比、干支流洪水特征、来水来沙条件、交汇区在库区的位置。由于白石水库的运用方式不会发生明显改变,牤牛河和凉水河与大凌河干流的交汇角、汇流比、洪水遭遇几率等变化不会很大,牤牛河年均来沙量虽然近年来有所减小,但洪水挟带的泥沙依然保持较高的状态,因此牤牛河交汇区的淤积将会继续发展,凉水河交汇区的淤积仍然很小。在牤牛河口干流上,最大淤积幅度为4.6m,淤积形成的沙坎顶高程为11.62m,随着水库的运行,沙坎将不断淤高,当高程超过113m时,会将白石水库库区分成上下2部分,即形成库中库,影响白石水库的正常运行。3汇区泥沙沉积1)水库库区内不同部位的交汇流河段均会发生淤积,但淤积幅度不同;位于常年库区的交汇流河段,若支流来沙量大、交汇角较大、干支流洪水遭遇几率较小,淤