水庫建設(shè)對下游砂礫石推移的影響分析

許繼良 楊超 姜利杰

摘要：水庫的建設(shè)旨在蓄豐補枯，為人類社會發(fā)展保駕護航。水庫的運行調(diào)度改變了天然徑流分配，在不少水庫前期論證中，專家學(xué)者對水庫建設(shè)可能對下游造床造成的影響表示擔(dān)憂。以某水庫為例，以考慮粗化影響的砂礫石起動流速為標(biāo)準(zhǔn)，建立壩下特征斷面流量與不同粒徑砂礫石起動流速的相關(guān)關(guān)系;通過分析水庫建設(shè)前后特征斷面流速和流量的變化，提出水庫建設(shè)和調(diào)度影響較大的砂礫石粒徑范圍，為類似項目提供參考。

關(guān)鍵詞：砂礫石推移;起動流速;水庫調(diào)度;水庫建設(shè)

中圖法分類號：TV121

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

據(jù)第一次全國水利普查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國已建水庫大壩9.8萬余座，是世界上建造水庫大壩最多的國家，另有過流能力不低于1m3/s的閘、堰等水利設(shè)施27萬多座。這些水利工程在實現(xiàn)水資源開發(fā)利用的同時，也給河流生態(tài)環(huán)境帶來了一定的負(fù)面影響，特別是因水庫調(diào)蓄改變了下游的徑流過程，可能對下游砂礫石等河床質(zhì)的推移造成影響。研究因水庫調(diào)度改變徑流從而造成的造灘影響，為工程建設(shè)和環(huán)境保護提供參考依據(jù)是十分必要的。

本文以在國家級風(fēng)景名勝區(qū)上游建設(shè)的某水庫為例，從河床質(zhì)級配、起動流速、水庫調(diào)度對徑流的改變等方面人手，淺析水庫建設(shè)對河床質(zhì)移動及灘林的影響，為類似項目在分析思路、方法、結(jié)論上提供參考。

1砂礫石起動條件概述

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于砂礫石起動條件的表達(dá)方式主要有起動切力和起動流速兩種，二者既是統(tǒng)一的，也存在明顯的差異。起動切力具有明顯的物理意義，但由于難以獲得準(zhǔn)確的河床坡度和床面切力資料，實際應(yīng)用時相對困難。起動流速雖然作為間接的起動因子，但由于其在天然河流中易于觀測，起動流速的表達(dá)方式也因此得到更為廣泛的應(yīng)用。自20世紀(jì)60年代以來，我國廣大學(xué)者從不同角度研究了砂礫石起動的特點與規(guī)律，建立了不同的起動流速表達(dá)式，如竇國仁、華國祥、唐存本、秦榮昱、陳媛兒和謝鑒衡、韓其為、冷魁等人的研究成果，為河勢演變分析提供了較大的參考價值。

一般來說，天然河道中的床沙為非均勻沙，尤其是山區(qū)卵石河道，坡降陡、流速大、顆粒級別寬，床沙的最大粒徑與最小粒徑相差可達(dá)數(shù)千倍。在天然河道中，河床的沖刷與粗化現(xiàn)象普遍，當(dāng)河道水沙條件改變引起床面沖刷時都會出現(xiàn)粗化。如今泥沙界學(xué)者普遍認(rèn)識到不均勻沙的起動輸沙過程也是床沙粗化過程。國內(nèi)學(xué)者劉興年認(rèn)為卵石河道沖淤計算中更應(yīng)考慮補給條件不同對非均勻沙起動流速的影響，通過水槽實驗和野外實測.考慮床沙粗化及隱暴作用的起動流速，建立了起動流速公式，即式中，H為水深，m;d為床沙粒徑，m;d為床沙等效粒徑，m;y為水密度，kg/m3;y.為床沙密度，kg/m3;D為水的運動粘度，m2/s;g為重力加速度，m/s2。

通過研究國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)，筆者認(rèn)為式（1）適用于該水庫下游河床的砂礫石起動流速計算。

2實例分析

2.1特征斷面河床砂礫石起動條件分析

某規(guī)劃水庫位于某流域上游，流量總面積2436km2，規(guī)劃水庫集水面積312km2，水庫下游為國家級風(fēng)景名勝區(qū)，風(fēng)景區(qū)灘林分布眾多。根據(jù)地質(zhì)勘察，下游河道主要是石質(zhì)河床和卵石河床，也有少量的沙質(zhì)河床?？紤]水庫對下游斷面洪水的影響大小，選取距離壩址下游約2.2km的斷面進行分析。該河流砂礫石成分為中酸性火山巖，次圓一次棱角狀為主，粒徑以20～100mm為主，少數(shù)150～20mm，局部見漂石，漂石粒徑最大可達(dá)1000mm以上。該水庫壩址表部和上部砂礫卵石層顆粒級配曲線分別見圖1和圖2。

基于以上分析，選取起動流速公式計算不同粒徑下的起動條件。由于計算斷面流量在水庫工程調(diào)度過程中運用更為廣泛，因此通過繪制特征斷面的水位一流量關(guān)系曲線（見圖3），可將起動流速與流量對應(yīng)起來，成果見表1。由表1可知，隨著砂礫石粒徑的增大，該斷面砂礫石起動所需的流量也越來越大。

2.2水庫建設(shè)后斷面流速變化

根據(jù)壩址下游河道行洪特性，采用非恒定流計算方法對河道行洪進行分析演算。水利計算模型上邊界取壩址斷面為流量邊界，下邊界取已建供水工程攔河壩為水位邊界，區(qū)間洪水作為旁側(cè)人流匯人，模型計算河長48km。采用長系列54a逐時計算（水文系列1961～2014年），針對特征斷面選取了3個典型年進行分析（見圖4）。從計算成果分析可知：①從選取的典型年和計算斷面流速分析，水庫下游流速基本在4m/s以下。②從長系列計算成果來看，水庫建設(shè)后對下游河道流速的影響主要集中在1.5m/s以下的流速區(qū)間。水庫建設(shè)后較建設(shè)前低流速的占比減少，高流速的占比增加。③從豐、平、枯3個年份來看，水庫建設(shè)對豐水年河道水流流速影響較小，對枯水年流速影響較大。水庫建設(shè)后調(diào)豐補枯，下游河道水量增加，流速也較建設(shè)前提高。

綜上，水庫建設(shè)后對下游水流流速的影響較小，在枯水期更是提高了下游水流流速。

2.3水庫建設(shè)對礫石輸移的影響分析

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，該水庫壩址以下河道砂礫石成分主要為中酸性火山巖，粒徑以20～100mm為主，少數(shù)150～200mm。根據(jù)起動流速分析成果，壩址下游典型斷面砂礫石粒徑在20～100mm的起動大致流速在1.33～2.57m/s之間，相應(yīng)的流量在160～960m3/s之間。

（1）從流速角度進行分析。1.5m/s以上流速占比小，水庫運行調(diào)度對該段流速影響小。由于水庫泄放生態(tài)流量要求，水庫建設(shè)后增加了斷面1.3m/s流速的時間。因此水庫運行調(diào)度可能會增加下游20mm左右砂礫石的推移，但由于粗化現(xiàn)象的存在，影響可能更小。

（2）從流量角度進行分析。壩址下游特征斷面的區(qū)間面積約271.9km2，區(qū)間20a一遇設(shè)計洪水為2790m3/s，5a一遇設(shè)計洪水為l570m3/s，2a一遇洪水約1040m3/s，常遇洪水約400m3/s。根據(jù)表1中的成果分析可知，發(fā)生常遇洪水時，可使特征斷面粒徑40mm的砂礫石起動;遭遇2a一遇洪水時，基本能使粒徑在100mm以下的砂礫石起動;遭遇5a一遇洪水時，基本能使溪口斷面粒徑在140mm以下的砂礫石起動;而遭遇20a一遇洪水時，可使該斷面河床大部分砂礫石起動推移。隨著更多支流的匯人，特征斷面以下規(guī)劃水庫控制面積所占比例也會越來越小，區(qū)間洪水越來越大，可推斷水庫對下游砂礫石的起動也基本無影響。

3結(jié)論

（1）水庫建設(shè)和調(diào)度改變了天然徑流分配，可能會對下游造床產(chǎn)生影響。本文以砂礫石起動流速的經(jīng)驗公式為標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合特征斷面的水位一流量關(guān)系，建立特征斷面的砂礫石粒徑一起動流速一起動流量關(guān)系;再通過長系列水文資料計算分析水庫建設(shè)前后下游特征斷面的流速變化，通過比較水庫建設(shè)前后的流速和流量，初步判斷水庫建設(shè)對下游不同粒徑的砂礫石推移影響。筆者認(rèn)為在缺少資料的條件下，該方法可為決策者在水庫前期論證過程中提供一定的參考依據(jù)。

（2）在實際中，砂礫石遷移的影響因素較多，砂礫石運動的隨機性也較大。對下游有造灘需求的水庫，建議在保證下游防洪安全的基礎(chǔ)上，可定期通過水庫下泄，形成人造洪峰，提高下游河道水流流速，增加砂礫石運動的可能性。

參考文獻(xiàn)：

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