北東洲水庫泥沙淤泥預(yù)測(cè)模擬研究

任秀芳

(山東省費(fèi)縣水利局，山東 費(fèi)縣 273400)

0 引 言

泥沙淤積問題已經(jīng)成為水庫使用過程中的突出問題。泥沙淤積會(huì)造成水庫庫容減小、影響水庫調(diào)節(jié)能力，制約水庫灌溉、防洪、供水、發(fā)電效益的發(fā)揮，甚至造成水庫功能喪失甚至破壞等后果[1-3]。水庫泥沙來源主要和上游河道流域范圍內(nèi)的表土侵蝕、沖刷，與流域植被、坡度、氣象等因素關(guān)系密切。水庫工程建設(shè)完成后，水深增大、水流減小，降低了河道攜帶泥沙的能力，從而造成水庫不斷淤積[4-6]。因此，及時(shí)查明水庫現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)水庫淤積情況，以便于及時(shí)采取治理措施是十分必要的。

1 北東洲水庫概況

1.1 水庫概況

北東洲水庫位于山東臨沂費(fèi)縣北東洲村，壩址以上控制流域面積292km2，總庫容8248×104m3，庫容5913×104m3。流域?qū)儆跍\山丘陵區(qū)，干流平均坡度9.72‰。水庫主壩為黏土心墻砂殼壩，壩頂高程213.3m，防浪墻頂高程214.5m，大壩全長(zhǎng)1530m，溢洪道設(shè)有7扇弧形鋼閘門，閘門尺寸為10×8.5m，底高程201.0m，門頂高程209.5m。

1.2 泥沙概況

北東洲水庫為山區(qū)型水庫，流域泥沙變化特性突出，不同時(shí)期水土保持治理程度不同，水的含沙量變化較大。主要表現(xiàn)汛期含沙量大，冬春季節(jié)含沙量?。荒昶骄沉颗c最大含沙量差值較大，近年來由于上游植被覆蓋增大，水土保持較好，河流、水庫含沙量有所降低。北東洲水庫上游梯級(jí)塘壩的建設(shè)，推移質(zhì)淤積物攔截在上游，基本很少進(jìn)入水庫，因此主要分析懸移質(zhì)情況。下港站懸移質(zhì)輸沙率年統(tǒng)計(jì)表，見表1。

表1 下港站懸移質(zhì)輸沙率年統(tǒng)計(jì)表

3 淤積數(shù)據(jù)測(cè)量

采用傳統(tǒng)的手段和方法測(cè)量水庫庫容和水庫淤積量時(shí)存在的較多的缺陷。為了提高測(cè)量精度，采用GPS定位、回聲探測(cè)，結(jié)合水下地形測(cè)量手段，測(cè)量北東洲水庫的現(xiàn)狀庫容以及淤積情況。測(cè)點(diǎn)采用等間距、高密度的覆蓋方式。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量獲取高精度的測(cè)量成果，利用三角形構(gòu)網(wǎng)方法，對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行覆蓋計(jì)算，獲取每個(gè)三角柱的體積以及淤積體體積，通過疊加，獲取整個(gè)區(qū)域的淤積情況和庫容結(jié)果。

2009年5-7月采用GPS定位系統(tǒng)對(duì)北東洲水庫進(jìn)行淤積測(cè)量，根據(jù)1973年5月山東省水文總站實(shí)測(cè)庫區(qū)地形圖對(duì)比，北東洲水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系表，見表2；北東洲水庫水位-庫容-淤積量(2009年)關(guān)系表，見表3。

表2 北東洲水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系表

表3 北東洲水庫水位-庫容-淤積量(2009年)關(guān)系表

通過北東洲水庫流域上游懸移質(zhì)輸沙率監(jiān)測(cè)資料，根據(jù)實(shí)測(cè)水庫淤積資料，設(shè)置各種控制情景方案，推導(dǎo)情景模擬水庫淤積變化。水庫淤積量擬合曲線，見圖1。

按照水位185-209m淤積量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合結(jié)果如下：

General model Gauss3:

f(x) =a1*exp(-((x-b1)/c1)^2) + a2*exp(-((x-b2)/c2)^2) +

a3*exp(-((x-b3)/c3)^2)

Coefficients (with 95% confidence bounds):

a1 = 7.539 (3.215，11.86)

b1 = 2.345e+006 (2.305e+006，2.384e+006)

c1 = 1.597e+005 (1.09e+005，2.104e+005)

a2 = 201.6 (198.8，204.4)

b2 = 2.243e+006 (1.599e+006，2.886e+006)

c2 = 4.454e+006 (-8.907e+005，9.799e+006)

a3 = 22.76 (-53.29，98.82)

b3 = 2.074e+004 (-9.869e+005，1.028e+006)

c3 = 8.087e+005 (-3.116e+005，1.929e+006)

Goodness of fit:

SSE: 6.293e+005

R-square: 0.9993

Adjusted R-square: 0.9987

RMSE: 250.9

圖1 水庫淤積量擬合曲線

根據(jù)該擬合方程，經(jīng)計(jì)算求得：

水位 186.038m處淤積量250000m3，水位 186.882m處淤積量300000m3，水位 187.179m處淤積量320000m3，水位188.259m處淤積量410000m3，水位189.008m處淤積量500000m3，水位189.590m處淤積量600000m3,死水位190.60m處淤積量819890m3。

水庫死水位以下淤積量占總淤積量的35%。

發(fā)生暴雨時(shí)，懸移質(zhì)輸沙率變化較大，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，隨后輸沙率基本相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)水庫暴雨徑流與泄洪同步進(jìn)行，而一般降雨時(shí)不是同步泄洪。因此，泥沙淤積可以采用平均輸沙率模擬預(yù)測(cè)。水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系表，見表4。

表4 水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系表

續(xù)表4 水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系表

按照興利水位209m預(yù)計(jì)量比對(duì)，年淤積65131m3。根據(jù)1996—2000年監(jiān)測(cè)的輸沙模數(shù)平均值177t/ km2，則水庫年淤積為51684t,兩者出現(xiàn)偏差的主要原因?yàn)?996年前的輸沙模數(shù)>177t/km2,1996年之前北東洲水庫上游不斷加大植樹造林，修建塘壩，水土保持效果明顯，因暴雨等產(chǎn)生的泥沙淤積明顯減少。因此，1973—1990年水土流失較重，而之后較低，以后會(huì)處于相對(duì)平穩(wěn)水平。

在模擬泥沙淤積采用2009年之前情況，除非發(fā)生特殊自然災(zāi)害，實(shí)際發(fā)生淤積值不會(huì)高于模擬情況。

4 水庫泥沙淤積模擬

以2010年為基準(zhǔn)年，模擬2015年水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系，見圖2。

圖2 模擬2015年水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系

以2010年為基準(zhǔn)年，模擬2020年水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系，見圖3。

圖3 模擬2020年水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系

以2010年為基準(zhǔn)年，模擬2030年水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系，見圖4。

圖4 模擬2030年水庫水位-庫容-淤積量關(guān)系

由于水庫流域植被增加，水土保持發(fā)揮功效，降雨產(chǎn)生的泥沙減少，減少了水庫泥沙淤積，2010年以后，按照以后各年的淤積減少5%、10%、20%、25%。以2010年為基準(zhǔn)年，模擬這三種情況下的2030年水庫淤積情況，年淤積減少10%、20%、25%模擬2030年水庫淤積，見表5。

表5 年淤積減少10%、20%、25%模擬2030年水庫淤積

續(xù)表5 年淤積減少10%、20%、25%模擬2030年水庫淤積

5 結(jié) 論

以北東洲水庫為研究對(duì)象。通過實(shí)測(cè)水庫1976年、2009年泥沙淤積及庫容情況，利用Gauss3模型進(jìn)行擬合分析，獲取不同水位下的泥沙淤積情況。水庫死水位以下淤積量占總淤積量的35%。隨著水庫流域范圍內(nèi)植被覆蓋率增大，泥沙淤積量減少，規(guī)劃年泥沙淤積情況逐漸好轉(zhuǎn)。