不同特征水位對水電站庫尾淤積分布模擬研究

田 耘，龔友龍，段釔江，楊建贊，李大成

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

0 引言

中國河流眾多，水資源豐富，水庫數量龐大。水庫在防洪、發電、供水、航運等方面發揮巨大作用［1］，而水庫的庫容是水庫各種效益充分發揮最直接的保障，然而水庫運行后無法避免的水庫淤積問題會導致水庫庫容損失［2，3］，影響水庫效益的發揮。尤其是庫尾變動回水區的淤積擺動，泥沙淤積上延問題［4-6］，例如隨著三峽壩前水位的逐步抬高，重慶主城區河段天然沖淤規律發生改變，造成礙航等問題［7］。水庫特征水位不僅影響水庫淤積發展過程，直接關系水庫效益的充分發揮，而且是評價水庫規劃設計水平的重要標準［8］。因此，研究不同水庫特征水位對庫尾淤積分布的影響具有重要工程意義。譚志國［9］提出了不同運行方式下水庫泥沙淤積三角洲隨運行時間推進的特征差異性。袁晶等［10］研究認為三峽水庫壩前水位是影響消落期三峽庫尾河段泥沙沖淤變化的主要因素之一。葉輝輝等［11］通過庫區泥沙物理模型試驗研究表明不同運行方式下，汛期壩前水位對水庫泥沙淤積的沿程發展、庫尾淤積高程等影響較大。吳保生等［12，13］則以三門峽水庫為例分析了庫尾泥沙淤積受水沙條件和壩前運行方式的影響。任實［14］、李振連［15］等研究了降低壩前水位對緩解庫尾河段淤積，降低排沙的作用。

本文以我國西南某電站為例，采用數學模型與物理模型相結合的方法研究模擬分析不同水庫特征水位下庫尾河段的淤積分布情況，從減少庫尾影響的角度為水庫特征水位的選擇提供依據。

1 研究背景及概況

研究電站位于西藏境內色曲河匯入瀾滄江的上游河段，庫尾分布較多的土地和村寨，易受汛期水庫回水的影響。同時，水電站庫尾分布有3 號魚類產卵場（河段長度約為2.9 km），主要產卵魚類為瀾滄江裂腹魚、光唇裂腹魚、裸腹葉須魚、細尾鮡。根據水利部中科院水工程生態研究所對評價河段重要生境復核調查資料，各魚類產卵時期主要集中在4-7月，繁殖期適宜流速范圍為1.0～2.0 m/s，較適宜流速為1.5 m/s 左右。產卵場下邊界距壩址66.12 km，如圖1所示。因此研究水電站庫尾淤積對保護庫尾敏感點具有重要意義。

圖1 庫區河勢Fig.1 River regime of the reservoir area

水庫的運行調度方式分汛期和非汛期確定，其中每年6-9月為汛期，水庫按汛期運行控制水位運行，其余時間為非汛期，水庫按正常蓄水位運行。初步擬定推薦方案下正常蓄水位為3 054 m，汛期運行控制水位為3 040 m。為充分論證不同特征水位對庫尾淤積的影響，擬定正常蓄水位為3 054 m，汛期運行控制水位分別為3 038、3 040、3 042、3 044、3 046 m；汛期運行控制水位為3 040 m，正常蓄水位分別為3 050、3 052、3 054、3 056、3 058 m等比選方案。

2 研究方法

2.1 數學模型建立與驗證

2.1.1 模型建立

數學模型采用一、二維水沙數學模型相結合。其中，建立庫區一維非均勻沙不平衡輸沙數學模型，模型原理、計算方法及計算成果應用詳見相關參考文獻［16-19］。模型模擬計算范圍為壩址至上游71.46 km 處，地形資料為2020年實測，包括支流共劃分72個斷面，斷面平均間距1.08 km。

建立庫尾河段平面二維水沙數學模型，模型原理、計算方法及計算成果應用詳見文獻［20］。模型計算范圍依據庫尾敏感點分布確定，下邊界距離壩址66.12 km，上邊界距離壩址69.00 km，模擬河段長度2.88 km。

2.1.2 模型率定

一維水沙數學模型根據壩址流量400 m3/s時實測水面線及2003年和2017年歷史洪水洪痕資料，率定庫區河道糙率取值范圍在0.035～0.055 之間，水位驗證結果見表1?？紤]水庫淤積后河床細化，水庫淤積平衡后取為天然河道糙率的0.85～1.0倍，水庫淤積過程中按淤積年限線性插值獲取糙率。平面二維水沙數學模型根據定床物理模型試驗成果中2003年歷史洪水流量2 740 m3/s和多年平均流量621 m3/s對斷面流速分布驗證，驗證斷面取BD30-1、BD32、BD32-2、BD33-1，數學模型計算值與物理模型實測值對比如圖2、3所示。模型各斷面流速分布的趨勢與物理模型實測值基本相同，模型精度滿足計算要求。

表1 水位驗證結果mTab.1 Results of water level verification

圖2 2003年歷史洪水流量下流速分布對比圖Fig.2 Contrast of velocity distributions under the flood discharge in 2003

圖3 多年平均流量下流速分布對比圖Fig.3 Contrast of velocity distributions under the average annual discharge

數學模型泥沙參數依據壩址上游63.10～69.26 km 河段2013年、2020年實測斷面資料及2014-2019年水沙資料率定得到。率定出懸移質泥沙的恢復飽和系數沖刷時取0.25，淤積時取0.05。懸移質挾沙力的系數k取0.35，指數m取0.6。

對比上述河段2013-2020年間實際沖淤量為-21 萬m3，計算沖淤量為-24 萬m3，河床沖淤計算結果與實測變化結果相對誤差在14.28%以內。對比河段內部分斷面的形態變化，見圖4，2013年-2020年間河床沖淤計算結果與2020年實測斷面地形基本一致，誤差較小。根據相關規范，模型參數選取正確可靠，可用于預測計算。

2.2 物理模型建立與驗證

2.2.1 模型建立

根據試驗研究目的和研究內容，確定模型的模擬范圍上起瀾滄江上游魚類產卵場上邊界以上1 km，下迄魚類產卵場下邊界以下3 km，模擬河道長度約7 km，模型平面邊界見圖5。

模型制作依據2020年實測產卵場河段1∶2 000河道地形圖來塑造地形。采用試驗河段上游水文站資料作為模型進口水沙條件，采用支流色曲水文站資料作為模型入匯水沙條件，下邊界條件由數學模型提供。根據影響庫尾產卵場河段淤積的主要是細沙，因此模型設計基本原則應該以懸移質運動為主，考慮推移質運動為輔，模型力求泥沙懸浮相似。根據試驗河段水文資料，該河段多年平均流量621 m3/s，故模型比尺不宜過大，不然試驗流量過小，影響測量，經計算確定模型水平比尺為100，垂直比尺為50，模型變率為2.0，其余各項比尺依據相關規范確定。

2.2.2 模型驗證

多年平均流量下水面線驗證結果見表2，模型水面線整體上與原型實測及數模計算結果接近，水位最大誤差為0.07 m。同時利用2003年及2017年實測洪痕資料驗證，2003年洪水流量水位最大誤差為0.09 m，2017年洪水流量水位最大誤差為0.12 m，符合水利部《河工模型試驗規程》及《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》等相關規程的誤差要求。

表2 多年平均流量水面線驗證成果表mTab.2 Multi-year average flow water surface line validation results

由于缺乏實測斷面流速分布資料，流速分布選取多年平均流量、2003年洪水流量下各斷面平面二維數學模型結果和物理模型結果進行驗證，見圖3。模型和原型的水面線、流速分布相似性總體較好，因此可以認為，模型滿足水流運動相似條件，可以在此模型中進行不同流量級水流運動試驗研究。

3 不同特征水位對水電站庫尾淤積分布影響

3.1 特征水位推薦方案下水電站庫尾淤積分布

3.1.1 庫區深泓線變化

推薦方案下，在水庫運行100年間，庫區干流淤積形態為三角洲淤積，且泥沙主要在壩前59.92 km 范圍內淤積；庫尾變動回水區河道微沖微淤狀態。隨著水庫運行年限的增加，三角洲頂點不斷向壩前推進，起淤點則不斷向水庫上游延伸，庫尾淤積范圍增加，水庫運行10年至水庫運行100年后，庫尾起淤點從距壩55.11 km增加至距壩59.92 km。水庫運行不同年限的庫區干流深泓變化見圖6。

圖6 庫區干流河床深泓變化圖Fig.6 Processes of riverbed thalweg of the reservoir area

3.1.2 河道地形變化

建庫后，庫區總體上以淤積為主。計算河段天然河道部分（壩址上游67.48～75.0 km段）總體上表現微沖微淤狀態，斷面沖淤分布上表現為深槽微沖，兩岸邊灘在緩流區和回流區表現為微淤；變動回水區（壩址上游66.13～67.48 km段）以微淤為主；常年回水區以三角洲形態逐漸淤積發展。因壩址斷面至上游58 km范圍為水庫常年回水區，河道全斷面基本均勻淤積。重點繪制壩上游58 km以上河段20年后地形變化等值線圖，見圖7。

圖7 地形變化等值線圖Fig.7 Contour map of topographic changes

建庫20年后河段深槽沿程發生微小沖刷，最大沖刷深度為1 m；兩岸邊灘淤積厚度在0.8～2.0 m；河道平面形態變化區淤積較大，如蔬菜大棚河段，彎道上游兩岸邊灘最大淤積厚度在4.0～6.5 m；色曲河入匯口門區局部淤積較大，最大淤積厚度為2.3 m。

3.1.3 沖淤量沿時程分布

水庫運行100年內，庫區泥沙一直呈淤積趨勢，泥沙淤積量逐年增加，泥沙淤積速度逐年略有降低，庫區沿程累計沖淤變化見圖8。從淤積量的沿程分布來看，前10年，庫區淤積主要分布在壩址上游33.33～58.16 km 河段上，此后該河段的淤積速度放緩。到20年末，淤積主要分布在壩址至上游33.33 km的河段上，水庫淤積不斷向壩前推進。水庫運行100年內，庫尾變動回水區基本不淤積，100年后距壩58.16 km 的BD27斷面和距壩71.46 km的KGS斷面之間河段總淤積量僅為510 萬m3。

圖8 庫區沿程累計沖淤曲線Fig.8 Cumulative siltation curve along the reservoir area

3.2 水庫特征水位不同組合下庫區累計沖淤量變化

水庫特征水位不同組合方案下，庫區累計淤積量存在顯著差異，各水庫特征水位不同組合下庫區沖淤總量變化見圖9。壩前水位決定水庫的壅水程度，進而影響庫區水流挾沙力，因此庫區累計淤積量隨汛期運行控制水位和正常蓄水位的增加而增加，且因水庫來水來沙主要在汛期，汛期運行控制水位對庫區累計淤積量影響較大，正常蓄水位為3 054 m 時，6-9月運行控制水位為3 038 m 時，水庫累計淤積量最小，6-9月運行控制水位為3 046 m 時，水庫累計淤積量最大。不同正常蓄水位方案下的淤積量變化在3 054 m 水位處出現拐點，這是因為當水位升高到3 054 m 以上時，庫尾河段斷面岸坡因為存在耕地導致河寬突然展寬，過水面積突然增大導致泥沙淤積更多。

圖9 水庫不同特征水位組合下庫區累計淤積量（單位：萬m3）Fig.9 Accumulated siltation in the reservoir area under different characteristic water levels

3.3 天然情況及建庫后水庫特征水位不同組合方案下產卵場區淤積分布

因汛期運行控制水位對庫區淤積影響較大，因此對比天然情況沖淤變化50年和建庫后各汛期運行控制水位不同方案下50年后產卵場區域典型斷面沖淤分布，如圖10。天然情況下產卵場區河段地形變化表現為微沖微淤狀態，斷面分布上表現為沖槽淤灘。由于建庫后推薦方案運行下各流量級回水尖滅點均未達到產卵場下邊界，該方案運行時產卵場區域河段沖淤分布和天然情況下基本相同。對比分析除推薦方案外其他方案產卵場區河段地形變化可見，正常蓄水位為3 054 m 時，6-9月運行控制水位3 038 m 方案對產卵場區域河段沖淤分布和天然情況下相同，對沖淤分布無影響。6-9月運行控制水位3 042 m方案因回水影響，產卵場區域河段灘面淤積略有增大，深槽沖刷影響不大。

圖10 各運行方案下50年后產卵場區域典型斷面沖淤分布Fig.10 Changes in typical cross-sections of spawning ground areas after 50 years

以產卵場上邊界斷面BD34 為例，因正常蓄水位為3 054 m時，6-9月運行控制水位3 038、3 040、3 042 m 方案汛期回水未影響到該斷面，斷面沖淤分布基本同天然情況，主槽沖刷在0.5～1.0 m 左右，兩岸灘地淤積厚度在0～1.8 m；正常蓄水位為3 054 m時，6-9月運行控制水位3 044、3 046 m方案汛期回水對該斷面略有影響，灘面淤積厚度在0～2.0、0～2.2 m。再以產卵場下邊界斷面BD32為例，因正常蓄水位為3 054 m 時，6-9月運行控制水位3 038、3 040 m方案汛期回水未影響到該斷面，斷面沖淤分布基本同天然情況，主槽沖刷在0.4～1.2 m 左右，深泓右移約20 m，色曲河匯流區下游灘地淤積厚度在0～1.0 m；正常蓄水位為3 054 m 時，6-9月運行控制水位3 042、3 044、3 046 m 方案汛期回水對該斷面沖淤略有影響，影響程度隨6-9月運行控制水位的增高而增加，如6-9月運行控制水位為3 046 m 時，主槽沖刷在0.6 m 左右，深泓右移約25 m，左岸形成新的邊灘，淤積厚度約1.5，色曲河匯流區下游灘地淤積厚度在0～2 m。

3.4 數學模型結果和物理模型結果對比

為驗證數學模型結果的合理性，將建庫1年后、20年后河床平面沖淤分布與典型斷面淤積分布物理模型實測成果與數學模型計算成果進行對比分析，見圖11、圖12。綜合幾個典型斷面沖淤形態的對比，建庫20年后河床沖淤分布總體呈現微沖微淤狀態，斷面分布上表現為沖槽淤灘，總體沖淤分布特征物理模型實測成果與數學模型計算成果基本相同。

圖11 物理模型試驗與數學模型的斷面沖淤分布對比圖Fig.11 Comparison of physical model and mathematical model of cross-sectional siltation distribution

圖12 物理模型試驗與數學模型的平面沖淤分布對比圖Fig.12 Comparison of physical model and mathematical model for planar siltation distribution

以建庫20年后為例，河槽沖刷深度在0.5 m 左右。灘地淤積幅度數學模型計算成果與物理模型試驗成果總體上基本相同，局部淤積區數值模擬結果偏大，主要差別在匯流區，建庫20年后，物理模型的灘地淤積厚度在0.6～1.2 m，匯流處淤積最厚在1.2 m，數學模型的兩岸灘地淤積厚度在0.4～2.0 m，匯流處最大淤積厚度達2.3 m。分析原因可能是，物理模型試驗中能充分反映匯流區局部水流的紊動挾沙能力，平面二維水沙數學模型將水流流速及含沙量沿垂線平均，在紊動變化較強的匯流區忽略了近底床面泥沙的紊動促發，導致局部淤積偏大。從另一角度，也說明數模計算結果偏安全。

4 結論

本文以瀾滄江流域某電站為例，采用數學模型和物理模型相結合的手段研究不同水庫特征水位組合方案對庫尾淤積的影響，主要結論如下。

（1）建庫后，庫區總體上以淤積為主。計算河段天然河道總體上表現微沖微淤狀態，斷面沖淤分布上表現為深槽微沖，兩岸邊灘在緩流區和回流區表現為微淤；變動回水區以微淤為主；常年回水區以三角洲形態逐漸淤積發展。因壩址斷面至上游58 km范圍為水庫常年回水區，河道全斷面基本均勻淤積。

（2）庫區淤積量隨汛期控制水位和正常蓄水位的升高而增加，且汛期控制水位的影響程度相對較大。

（3）數學模型與物理模型結果相互印證，不同水庫特征水位組合方案下，庫尾淤積分布較天然情況表現為灘面淤積略有增加。