沈家河水库泥沙淤积量的计算研究

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论文摘要

  沈家河水库为清水河上游一座多年调节的中型水库,是原州区最大的灌区之一,也是原州区粮油生产及蔬菜供应基地,灌区设计最大灌溉面积 3.3 万亩,水库于 1959 年建成,总库容 4749 万立方米,至 2012 年 55 年总淤积量 2315 万立方米,年平均淤积 42.1 万立方米,有效库容 2434 万立方米,现库容无法满足下游工农业生产的需求,固原市原州区规划对沈家河水库进行提升改造,而水库的设计淤积量是水库设计中一项重要内容,对水库的寿命至关重要,直接影响水库的设计坝高、投资,因此合理计算分析水库的淤积量非常必要。

  1 概况

  沈家河水库位于原州区头营镇沈家河村,东经 106°15′32.8",北纬 36°06′11.4",距固原市 12km,集水面积 313km2,河长约 39.5km,水库流域系典型黄土丘陵区,地势基本走向为南高北低、西高东低,地貌以黄土覆盖的丘陵和河谷平原,海拔高程在 1652~2480m 之间。

  上游建有中庄中型水库,贺家湾、大马庄、郭庙、青石峡、清溪沟 5 座小(一)型水库,黑刺沟、饮马河、柯庄 3 座小(二)型水库,除中庄水库在建、贺家湾水库新建,其它水库均已除险加固,上游水库面积占沈家河水库面积的 29.4%,水库基本情况见表 1。

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  水库流域设有青石咀、开城、郭庙、柯庄、二十里铺、青石峡、吕家庄、沈家河 8 处雨量站,在清水河干流设有原州、固原、什里铺水文站,站网密度相对较大,资料系列较长,具有代表性。

  (1)固原水文站 1966 年设立,集水面积 210km2,2009 年 4 月撤销。主要观测项目有水位、流量、泥沙、降水量、水化学等,实测最大流量为 491m3/s(1978 年 7 月 10 日)。

  (2)原州站 2009 年 4 月设立,集水面积 105km2,主要观测项目有水位、流量、泥沙、降水量、水化学等,设站以来实测最大流量为48.1m3/s(2013 年 6 月 6 日)。

  (3)什里铺水文站设立于 1959 年 8 月,1966 年 5 月停测,集水面积 277km2,主要观测项目有水位、流量、泥沙、降水量、水化学等,设站期间,实测最大洪峰流量 320m3/s(1959 年 8 月 17 日)。

  2 水库泥沙淤积量的计算分析

  2.1 水库淤积成因分析

  水库的泥沙主要来源于流域内地表冲蚀,其次为河床冲刷,沈家河水库流域中坡耕地 123km2、河谷平原面积 27km2,表层为黄土覆盖,地质松软,易冲刷,遇到较大的地表径流易侵蚀、崩塌,形成水土流失的地质特殊性。水库流域降雨主要以暴雨为主,其特点是历时短、强度大,径流集中,是构成土壤侵蚀的主要动力,暴雨主要集中在 6 小时以内,占日降水量的 90%以上,1 小时降水量占 50%以上,汛期暴雨强度大,雨期集中,加快了水土流失。

  2.2 年际年内变化

  水库流域泥沙的年际分配极不平衡,固原站 1966~2013 年(2009 年以后采用原州站插补)实测平均输沙量 31.8 万吨,计算得输沙模数 1510t/km2,最大年输沙量 97.9 万吨(1968 年),最小年输沙量 0.02 万吨(1997 年)。

  年内变化极大,主要集中在 7、8 两月的几场大洪水中,其中 8月份输沙量占年输沙量的 49.9%。多年平均含沙量 36.8kg/m3,年最大含沙量 141kg/m3(1973 年),最小年平均含沙量 0.1kg/m3(2007年)。最大一日输沙量 85.9 万吨(1976 年 8 月 29 日)。固原站站多年平均输沙量月分配比见表 2。

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  2.3 水库设计淤积量的计算分析

  2.3.1 用输沙模数分区图推算水库输沙模数

  输沙模数分区图是长系列、全站点的综合成果,反映了输沙模数在地域上的时空分布规律,是查算输沙模数最基本最常用的方法。

  水库流域输沙模数由南到北递增,在 1700~4200t/km2之间,沈家河水库以上流域多年平均输沙模数 2600t/km2。

  2.3.2 水文站实测值推算水库输沙模数

  固原站 1966~2013 年(2009 年以后采用原州站插补)实测平均输沙量 31.8 万吨,计算得输沙模数 1510t/km2。

  由于实测系列流域水库工程较多,对流域来沙量影响大,故需对实测资料进行还原。

  用固原水文站流域面积减去上游水库及骨干坝控制面积求得实际产沙面积,然后用逐年输沙量除以实际产沙面积求得输沙模数,最后再用输沙模数乘于固原水文站流域面积求得天然输沙量,经推算固原站输沙量为 46.1 万吨,输沙模数为 2200t/km2。

  2.3.3 水库实测淤积量推算输沙模数

  据实测资料统计,见表 3,沈家河水库 1958 年建成至 2012 年,55 年总淤积量 2315 万立方米,年平均淤积 42.1 万立方米,1974 年以前年均淤积 76.9 万立方米,接近流域多年平均年来沙量,随着上游水保治理工程的实施,水库淤积量逐年减少,1980~2000 年水库年均淤积 31.7 万立方米,2000 年以来为干旱年份,来水少来沙也少,2000~2012 年水库年均淤积 4.6 万立方米,根据淤积量推算各时段平均输沙模数,采用面积加权法计算得多年平均输沙模数 2330t/km2。

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  2.3.4 水库输沙模数合理性分析

  采用输沙模数分区图查算值、固原水文站还原输沙模数及水库实测淤积量三种方法推算的输沙模数分别为 2600t/km2、2200t/km2、2330t/km2,输沙模数分区图查算值比其它两种方法推算值相差较大,水文站推算输沙模数最小,固原站还原输沙模数及水库实测淤积量推算输沙模数接近。

  输沙模数分区图偏大的原因是资料系列为 1980~2000 年,2000年以后上游种树种草、平整梯田等水保措施使水土流失有所减轻,本次没有将资料系列延长到 2013 年;固原水文站实测值系列长,水文站面积占水库面积的 67%,且水文站至水库区间植被条件比较差,故本次沈家河水库输沙模数取水库实测值较为合理,即 2330t/km2。

  2.3.5 水库设计淤积量的计算

  由于水库流域上游建有多座小(一)型、小(二)型水库,水库都已除险加固,采用常年蓄水的运行方式,泥沙被拦蓄在库中,故应扣除上游水库面积,水库区间输沙模数取 2330t/km2,区间面积为221.1km2,水库多年平均年输沙量为 51.5 万吨,泥沙容重按 1.4t/m3考虑,水库设计淤积量为 36.8 万立方米。

  3、 结束语

  文章通过用输沙模数分区图查算值、固原水文站还原输沙模数及水库实测淤积量三种方法推算出沈家河水库的多年平均输沙模数,并进行了对比分析,提出了不同方法存在的问题,确定了水库设计淤积量采用实测淤积量值推算的输沙模数。三种方法计算应用为水库设计淤积量合理选用提供了依据。

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