（水文学及水资源专业论文）多沙河流水库调水调沙研究与应用.pdf

摘要 水库调水调沙是解决多沙河流水库泥沙淤积山j 题的重要手段之一，本文总结了多沙河 流水库泥沙淤积问题及其现有的解决措施以及水库调水调沙在国内外的研究现状并以三 门峡水库为平台，对多沙河流水库调水渊沙进行r 研究。主要研究内容和研究成果如卜： j ) 以泥沙运动为主线，从三门峡水库的泥沙来源入手，对水库的入库洪水水沙过程 进行了深入分析，找出规律和成因，发现由于水流和泥沙运动规律的差异以及水沙异源， 从而导致了三门峡水库入库洪水水沙过程的不同步，沙t l l ：- 般要滞后于洪峰。 2 ) 根据三门峡水库的实际排沙效果，利用泥沙预报模型对水库坝址处的洪水泥沙运 动情况进行预测，结果表明在坝址处洪水水沙过程的不同步性进一步加剧，并因此给水库 调水调沙带来更多困难。 3 ) 在三门峡水库调度规则的基础e ，针对坝址洪水水沙过程的不同步性，构造不同 的水库调水调沙方案。通过方案比较，得出单纯地依靠敞泄滞洪运行方式来排沙未必能使 水库的排沙效果最好。 4 ) 最后结合各方案的优缺点及水库的兴利效益，提出旨在水库排沙量最大的水位出 库控制调水调沙模型；通过实例应用分析表明在该模型的控制下，其洪水调度过程与实 际的洪水调度过程基本接近，从侧面反映了三门峡水库现行的运行方式是基本合理的。 关键词：调水调沙：水沙过程：泥沙预报模型：敞泄滞洪；水位出库控制模型 a b s t r a c t r e s e r v o i rs c h e d u l i n go fw a t e ra n ds e d i m e n ti so n eo ft h ei m p o r t a n tm e t h o d so f s o l v i n gt h ep r o b l e mo fr e s e r v o i rs e d i m e n t a t i o n o nt h eb a s i so fs u m m i n gu pt h e p r o b l e m so fr e s e r v o i rs e d i m e n t a t i o n ，t h ep r e s e n ts o l u t i o n sa n dr e s e a r c hs t a t u so fi tf n t h ew o r l d ，w i t hs a n m e n x i ar e s e r v o i ra sa p l a t f o r m ，r e s e r v o i rs c h e d u l i n go fw a t e ra n d s e d i m e n ti ss t u d i e di nt h i s p a p e r m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o f l o w s ： 1 ) p r o c e e d i n gw i t ht h es e d i m e n tm o v e m e n ta n di t ss o u r c eo f s a n m e n x i a r e s e r v o i r , i ti sa n a l y z e di nt h i s p a p e rt h eh y d r o g r a p ho fw a t e ra n ds e d i m e n o ft h e r e s e r v o i ri n f l o wf l o o d ，a n dt h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ep r o c e s s o fw a t e ra n ds e d i m e n ti s “o n5 y n c h r o n o u s ，t h em a i nr e a s o no fw h i c hi st h ed i f f e r e n c ei nm o v e m e n tp r i n c i p i e s a n ds o u r c e sb e t w e e nw a t e ra n ds e d i m e n t ，w i t ht h es e d i m e n tp e a kl a g g i n gb e h i n dt h e f l o o dp e a k 2 ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls c h e d u l i n gr e s u l ta n dt h es e d i m e n tp r e d i c t i o nm o d e l t h e h y d r o g r a p ho fw a t e ra n d s e d i m e n to ft h ed a m s i t ef l o o di sp r e d i c t e d ，t h er e s u i t i n d i c a t e st h a tt h en o n s y n c h r o n yo ft h ew a t e ra n ds e d i m e n ti sa g g r a v a t e d ，w h i c hr e s u l t s i nt h ed i f f i c u l t yo fs c h e d u l i n go fw a t e ra n ds e d i m e n t 3 ) b a s e do nt h er u l e o fr e s e r v o i rs c h e d u l i n g ，t h ed i f f e r e n tp l a n so ft h er e s e r v o i r s c h e d u l i n go fw a t e ra n ds e d i m e n ta r em a d ea n dc o m p a r e d i tp r o v e st h a tt h es e d i m e n t r u n o f fm a yn o tb em a x i m a lj u s td e p e n d i n go nt h ed i s c h a r g i n go p e n l y f o rf l o o dd e t e n t i o n 4 ) i nt h et e r m so ft h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h ep l a n sa n dt h er e s e r v o i r s c h e d u l i n g f o rb e n e f i c i a u s e ，a s t a g e d i s c h a r g ec o n t r o lm o d e li s d e v e l o p e dt o m a x i m i z et h er e s e r v o i rs e d i m e n tr u n o f f i nt h e e n d ，c a p a b i l i t i e so ft h em o d e la r e d e m o n s t r a t e dt h r o u g ht h ea p p l i c a t i o nt os a n m e n x i ar e s e r v o i r t h er e s u l ts h o w st h a t t h e c a l c u l a t i n gs c h e d u l i n gp r o c e s si sc l o s et ot h ea c t u a lo n e ，a n dr e t i e c l st h e s c h e d u l i n gr u l eo fs a n m e n x i ar e s e r v o i rr e a s o n a b l e k e y w o r d ：s c h e d u l i n go fw a t e ra n ds e d i m e n t ；p r o c e s so fw a t e ra n ds e d i m e n t ： s e d i m e n tp r e d i c t i o nm o d e l ；d i s c h a r g i n go p e n l yf o rf l o o dd e t e n t i o n ；s t a g e d i s c h a r a e c o n t r o lm o d e i ；v 日i j舌 多沙河流上的水库，如果在设计和管理运用中不重视搞好防淤排沙，往往凼大量泥沙 淤积，使水库兴利和防洪效益下降，带来许多问题和不利影响，其后果有时是相当严重的。 所以，在积极进行水库流域范围水土保持工作的同时，探索研究水库调水调沙技术成为水 库建设和管理的一项重要任务。 国内外水利工作者，对水库调水凋沙技术进行了大量的试验研究。在异重流排沙、滞 洪排沙、泄空冲刷等方面，取得面j 喜的成果。上世纪6 0 年代初期，陕西省水利科学研究 所科技人员深入现场，与黑松林水库的技术管理人员共同总结出“蓄清排浑，引洪淤灌” 的水库调度运用方式，取得了显著成效。随后，山西、内蒙古等省区水库排沙运用的经验， 又进一步丰富发展了“蓄清排浑”的运用方式。i 门峡水库经过改建后，运用“蓄清排浑” 调水调沙的方式后，水库淤积得到控制。这是水库调水调沙技术发展的第一个阶段。 上世纪7 0 年代以来，水库调水调沙技术得到进一步发展，一些科研成果相继问世。 其显著特点是研究在汛期蓄水条件下，保持一定有效库容长期使用的水库调水调沙技术， 解决了排沙与蓄水的矛盾。另外，在吸取了三门峡水库的教训之后，我国治黄专家提出， 建设小浪底水库进行泥沙反调节，实行调水调沙。2 0 0 2 年7 月4 同，黄河首次调水调沙 试验正式开始。这是吐界水利史上迄今为止一次最大规模的人i 原型试验，其效果明显， 意义重大，影响深远。本文总结了多沙河流水库泥沙淤积问题及其现有的解决措施以及水 库调水调沙在国内外的研究现状，对多沙河流水库调水调沙进行了研究。 本文共分六章。主要以三门峡水库为平台，以泥沙运动过程为主线，从水库的泥沙来 源入手，深入分析了其入库洪水水沙过程的特点，利用泥沙预报模型对其坝址泥沙运动情 况进行预报，根据预报结果对坝址处的水沙关系进行分析，针对性地提出水库调水调沙方 案，并进行方案比较分析，最终提出一个旨在出库沙量最大的调水调沙模型并给出应用实 例。 本文的第一章绪论对多沙河流水库泥沙淤积问题、解决措施和水库调水调沙国内外研 究现状进行了总结：第二章对三门峡水库的流域概况、工程状况、运用情况、泥沙状况和 蓄清排浑年度运用基本情况均作了介绍；第三章从水库泥沙来源入手，对三门峡水库入库 潼关站的洪水水沙过程进行了剖析，找到了三门峡水库入库洪水水沙过程的一般规律；接 着又在第四章中利用泥沙预报模型对坝址洪水水沙运动情况进行了预测并加以分析：第打 章根据坝址洪水水沙过程的特点，构造不同的渊水调沙方案，同时也进行了分析比较，结 合各方案的优缺点，并考虑了水库的兴利效益等因素，提出了水库调水调沙优化模型一一 水位出库控制模型：第六章埘本文研究的内容边行了总结和展望。 本文认为利用水沙蓄泄关系模型束模拟泥沙在河道中的运动规律是可行的，该模型为 通过入库洪水水沙过程预洲水库坝址处水沙过程提供了简单实用的方法，并为实施水沙联 合调度提供了可能：同时也认为出于水沙过程的不同步，单纯的“敞泄滞洪对于擗沙未 必是最好的方案，而在库容容许的条件下，利用库容调节出库过程，是可以获得更好的排 沙效果的；最后本文提出的水位出库控制模型在生产实际中具有较高的实用价值，将其与 水沙蓄泄关系模型配合，可以有效地辅助制定水库调水调沙方案，提高水库调度效率。 由于时间与资料的限制以及本人水平有限，本文的研究内容还是很粗浅的，义中错误 之处，恳请专家老师同学批评指正。 万新字 2 0 0 5 年5 月 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负 全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 5 年6 月 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年6 月日 第一章绪论 随着世界经济全球化的发展以及人口的不断膨胀，人类对水资源的需求量越来越大， 要求也越来越高，然而天然河川径流在很大程度l 已经无法满足需要了。为了调节天然径 流以适应人类的需要，人们不断地在河流上修筑水利1 稃，主要为水库。自上世纪2 0 年 代以来，由于综合利用水库的大量修建，使得水库泥沙淤积问题也同益暴露了出来，尤其 是多沙河流水库，为此多沙河流水库的泥沙淤积问题也自然而然引起了人们的注意。 1 1 多沙河流水库的泥沙淤积问题 统计资料表明，世界各固年输沙量超过1 亿t 的河流有1 3 条( 见表11 ) 。这些多沙 河流的泥沙分别来自：中国西北的黄土高原、嘉陵江上游的陇南山区，南亚的印度和巴基 斯坦，中亚和高加索地区，美国的中部和西南部，北非的阿尔及利亚和埃及等。而且各 个地区的产沙强度相差甚远，每年每平方公罩产沙量从数十吨到一万多吨不等。 汇入河流的泥沙主要来源于流域内的土壤侵蚀，其次就是人类活动。据不完全统计， 美国每年入河泥沙约4 0 亿t ，其中农田土壤侵蚀约占5 0 ，其余为河岸坍塌、城市和建 筑工地以及工业废渣等。印度的土壤流失也很严重，约l3 亿亩土地有着较严重的士壤侵 蚀，沟壑切割严重的面积达o 5 亿亩，河流沙量较大，水库淤积较快。另外，各国为了使 水资源得到充分利用以及满足航运的要求，水库大多采用了蓄水运用方式，使得水库常年 甚至数年都处于蓄水状态，同时又由于工程技术的迅速发展，高坝的不断涌现，所有这些 都使得水库库区泥沙淤积不断加剧。 在世界范围内，大型水库超过了4 万座。由于泥沙的淤积，每年损失的库容约占总库 容的0 5 1 o 。据资料介绍，美国在上吐纪2 0 年代以后开始修建的综合利用水库总库 容为5 0 0 0 亿m 3 ，每年淤积损失达1 2 亿m ”“，】9 3 5 年以前修建在水土流失地区的水库， 截至1 9 5 3 年统计，已有1 0 的水库完全淤废；有1 4 的水库已损失原库容的5 0 一7 5 ； 有2 3 的水库己损失原库容的2 5 一5 0 。同本曾对本国2 5 6 座库容大于1 0 0 万i n 3 的水库 淤积情况调查表明，全部淤满的有5 座，占水库总数的2 ；淤积量已达库容8 0 以上的 2 6 座，占1 0 ：库容损失一半以上有2 2 座，占2 2 ；在剩余的1 6 9 座中，除去5 座淤积 甚微外，其余水库淤积都在1 0 以上，这2 5 6 座水库的平均寿命仅有5 3 年”。至于气候 干旱、暴雨强度大、水土流失较严重的国家和地区，水库泥沙淤积问题就更加严重了。 表1 1 世界主要河流水沙情况( 按年沙量顺序排列) 1 1 1 3 序 河流田圳 流域面积f 水茸年沙茸含沙鼍侵蚀模数 号( k m )( 亿i n l )( 亿c ) ( k r m )【t ( k m o a ) 】 黄河中国7 3 l0 0 04 7 0】63 522 0 0 2恒河印度、孟加拉9 5 50 0 037 1 01 4 5 l3 9 215 2 0 布扮马普特 3 需加拉、印度 6 6 60 0 038 4 072 6 1 8 912 7 0 拉河 4印度河巴基斯坦0 3 40 0 020 7 05 4 ，6 336 0 0 5k 江中国】0 0 00 0 045 0 053 01 85 3 0 6马逊河巴曲69 1 50 0 06 93 0 036 20 0 5 25 2 7密硝两比河美国32 2 00 0 058 0 03 】205 49 7 8伊浴瓦底江缅甸4 3 00 0 048 6 030 0o 6 26 9 8 9嵋公河越南、泰国6 4 60 0 04 l 】025 00 6 i3 8 7 6 n 富汗、十库 1 0 刚姆河4 6 50 0 06 3 0 217 3 6 04 6 7 曼斯坦 1 1 科罗拉多河美国 6 3 70 0 04 91 3 52 752 1 0 1 2尼罗河埃及、苏丹28 7 00 0 08 4 0l3 4l64 7 1 3 红河越南，中国 1 】90 0 012 3 01 3 010 6 1 6 0 0 在我国，多沙河流带来的泥沙淤积问题同样很严重，黄河尤甚。由于黄河的水少沙多 以及水沙不平衡，导致其下游河道淤积非常严重，现行河道是1 8 5 5 年铜瓦厢决口改道后 形成的，目前全部是“地上悬河”，河道滩面一般高出背河地面4 6 米，高的达1 0 米以 上。宽河道河势游荡多变，主流摆动频繁，堤防沙质抗冲性差，防洪形势严峻。同样， 出于泥沙问题，我国的水库淤积现象也是十分普遍的和突出的，据全因2 3 6 座有实测资料 水库的统计，截至1 9 8 1 年底，总淤积量达1 1 5 亿i t l 3 ，占这些水库总库容8 0 4 亿m 3 的1 4 2 ， 平均每年约淤损8 亿i n 3 。另外，我国水库年淤积率为2 3 ，表1 ，2 为我国部分大中型水 库淤积情况的统计资料。从表中可以看出，在华北、西北和东北西部的河流多为流经黄土 高原的多泥沙河流，这些河流上的水库泥沙淤积问题十分严重。据l9 8 3 年陕西省调查资 料统计全省建成的3 1 4 座水库，总库容4 0 4 8 亿r r l 3 ，泥沙淤积量达7 6 7 亿m ，其中4 3 座水库淤满报废。榆林、延安两地区水库泥沙的淤积量分别占总库容的7 4 6 和8 83 。 山西省对1 9 5 8 年以后兴建的4 3 座大中型水库进行调查，到1 9 7 4 年底泥沙淤积约7 亿 n 1 3 ，占总库客的3 1 5 。内蒙古曾调查1 9 座1 0 0 万n 1 3 以匕的水库，淤积量占总库容的 3 14 。黄河干流一k 的盐锅峡水电站，运用9 年损失库容7 6 ；青铜峡水电站运用4 年 损失库容8 6 。三门峡水库的泥沙问题更为突出。我n z j c f - l 工作者f 是从三门峡水库泥 表1 2 我国部分大中型水库库容淤损情况“ 总淤千旯量每年淤积量 挖制流 水库腺始库容统汁年数 河流域曲积 占总库容 总库容 名称 f 1 0 s m 3 1f 起止年份1 绝列量绝对量 ( k i n 2 ) 的t 分数的百分数 ( x1 0 s i t i )( 1 0 s m l l ( )( ) 75 ( 1 9 5 8 - i9 6 6 j3 39 i4 4042 5 053 7 三门峡黄 i ! l j6 88 4 27 70 0 70 ( 19 6 7 】9 7 3 )1 】6 4506 5 02 1 4 红山 老哈i l f j 2 44 8 62 56 05 ( i9 6 卜19 7 5 )44 01 72 002 9 315 官厅永定河 4 76 0 02 27c j2 4 ( i9 5 3 i9 7 7 )55 32 44 002 3 30 l 汾河汾河 52 6 870 01 7 ( 19 6 0 - l9 7 6 )23 93 42 00 1 4 l20 l 青铜峡黄河 2 8 50 0 060 75 ( 1 9 6 7 1 9 7 1 )52 78 69 0l0 5 51 74 0 刘家峡黄河 1 7 20 0 0 5 72 08 ( 1 9 6 9 1 9 7 6 ) 52 29l l 06 5 21 4 丹江口汉水9 52 l76 00 0 562 5 39 l04 1 7o2 6 人伙房浑河 54 3 72 01 0602 94 5 0 0 l800 9 岗南滹沱河1 59 0 0 1 55 878 5l l9 0 00 907 0 卡满松花江 4 25 0 00 78 02 74 23 2 00 5 300 5 巴家嘴蒲阿30 2 025 71 3 ( 1 9 6 0 1 9 7 2 )5 86 l4 001 2 l47 2 赫锅峡黄州 7 30 0 022 04 ( 1 9 6 2 19 6 5 )5 06 82 003 7 5】70 0 新桥红柳河 i3 2 72 0 01 4 ( 1 9 6 0 一1 9 7 3 )l5 67 50 001 1 055 0 张家湾清水河 80 0 01 9 5 ( 1 9 5 9 - 1 9 6 4 ) 0 i8 45 002 0 i】69 0 三盛公黄州 3 1 40 0 0o8 01 1 ( 1 9 6 l 1 9 7 1 )04 45 49 0 00 4 050 0 镇子粱锅；河l8 4 003 61 5 ( 1 9 5 9 1 9 7 3 ) 02 98 00 000 1 9 67 0 柘溪资水 2 26 4 02 73 01 207 828 300 6 5 02 4 长岗潋水2 5 l 3 00 46 9o0 1 405 6 新安扛新安江1 04 4 2】7 80 0 6 o2 00l l0 0 i20 0 l 沙淤积所造成的危害，才丌始认识到水库泥沙问题的严重性，并加以认真研究。应该指出 的是，我国南方河流虽然含沙量较北方河流低，水库淤积问题也没有北方那么突出，但南 方河流总径流量大，泥沙总量也相当可观，所以随着水库运用时问的延氏，淤积问题也是 不可忽视的。如云南以礼河水槽子水库，e 2 , 库容9 5 8 力m 3 ，河道含沙量虽只有35 k g m 3 ， 但凶年径流量大，河道年平均输沙量达5 0 】0 4 t 该库于1 9 5 8 年丌始蓄水，到1 9 7 7 年8 月库内泥沙淤积量达7 8 27 10 4 m 3 ，损失库容8 17 “。 1 9 9 01 9 9 2 年黄河流域进行，一次全流域的水库泥沙淤积惆查。至1 9 8 9 年全流域共 有小( i ) 型以上水库6 0 1 座，总库容5 2 2 5 亿m ，己淤损库容1 0 9o 亿m 3 ，占总库容的 2 1 ：其中干流水库淤积7 9 9 亿1 1 3 3 ，占总库容的1 9 ；支流水库淤积2 9 1 亿m 3 ，占其总 库容的2 6 ”j 。 三门峡水库在1 9 6 0 年9 月至1 9 6 2 年3 月水库蓄水拦沙期中，两次最高蓄水位 3 3 2 5 8 、3 3 26 5 m ，高于3 3 0 米水位的时间长达2 0 0 天，水库回水超过潼关，入库沙量的 9 3 落淤在库区内共淤积泥沙1 5 3 4 亿t ，库容损失严重，3 3 0 米高程下库容由5 54 亿 m 3 减至4 3 4 亿l r l 3 ，潼关高程抬高4 5 米，渭河口形成拦门沙坎，渭河下游两岸土地受 淹没、浸没影响，并严重威胁着包括古城西安在内的上游地区的安全“”。 河流泥沙淤积问题给人们带来的影响是严重的。下游河床不断抬高，两岸堤防不断被 迫加高，甚至高出地面达十米，防洪形势严峻，严重威胁着两岸人民的生命财产安全。同 时，泥沙淤积也直接威胁着水库综合效益的发挥，对社会经济的发展产生着深远的影响。 主要表现为： 1 ) 有效库容被泥沙淤积侵占，减少水库寿命，严重影响水库的调节能力 泥沙淤积使水库有效库容不断减少，兴利效益逐年下降，使得水库防洪、发电、灌溉 和供水等兴利指标不能实现，甚至导致水库淤满报废或溃坝失事。据陕西省1 9 7 0 年统计， 全省因泥沙淤积损失库容使中小型水库少蓄水约4 7 亿m 3 ，灌溉面积减少近1 0 0 万亩。 另外，陕西省某水库、内蒙古某水库，曾分别于1 9 6 4 年、1 9 7 1 年溃坝失事，其中一个重 要原因就在于坝前淤积面几乎与溢洪道齐平，水库基本上失去了调洪能力，使得洪水漫顶 溃坝，从而导致了严重灾害的发生。 2 1 抬高坝上游河床和水库周围的地下水位，扩大水库淹( 浸) 没影响 受水库蓄水的影响，水流进入库区后，所带泥沙在水库回水末端淤积并逐步向上游发 展，形成库区尾水位的“翘尾巴”现象。“翘尾巴”不仅使上游河道的防洪能力降低，通 航条件恶化，还会引起水库周围地下水位抬高，使得两岸农罔的淹没、浸渍或盐碱化，影 响当地的农业生产，威胁城镇、厂矿和铁路交通的安全。例如山西雁北镇子梁水库建成十 几年，因库区淤积逐年加剧，使得水库淹没、浸没范围不断扩大，淤积上延3 k m 多。据 统计，水库管理部门先后焙偿淹( 浸) 没损失就有、f i 次之多，赔偿费刷高达7 0 多万元 相当于水库工程修建费的1 8 信。又如，多年平均合沙量仅为o , 2 k g m 3 的西津水库，由于 “翘尾巴”淤积引起刚水抬高，汛期对南宁_ 巾防洪安令造成一定影响。 3 1 影响枢纽建筑物的矿常运用 闸孔附近泥沙的淤积，增加了泄7 o 0 5 r a m 的相沙主要集中在两个区域，一一个是争甫川一带，粗沙侵蚀 模数达到1 00 0 0 t k m 2 a ；另一个地区是无定河下游，粗沙侵蚀模数达60 0 0t k m 2 a 。实测 资料表明黄河中游泥沙组成较粗的地区，水流中所能达到的含沙量也比较大，常呈高含沙 蓝 图3 1黄河中游泥沙侵蚀模数图 图3 2 黄河中游泥沙粗颗粒侵蚀模数图” 表3 1 黄河中游全部泥沙及粗沙( d 0 0 5 m m ) 沙量统计表 面积全部泥沙 占全河全沙占全河粗沙 地区量百分比 粗沙 ( k i n 2 ) ( 1 0 8 t ) ( 1 0 8 t ) 量百分比 ( )( ) 河口镇以下 1 55 5 8l3 4 2 68l0 9 0 5 81 3 3 山西 6 9l8 32 8 5 4l7 _ 31 2 2 9 91 6 7 陕西 1 1 82 6 46 9 1 1 24 173 7 6 9 55 1 5 甘肃 6 33 7 44 1 9 8 2 5 41 0 1 6 31 3 9 小计 2 6 63 7 91 5 3 0 09 2 66 9 2 0 09 4 5 河口镇以上 3 8 5 9 6 67 4s 3 9 总计1 0 01 0 0 水流特征。皇甫川和无定河这两个地区的来沙是造成包括= - - 1 3 峡水库在内的下游河道严重 淤积的重要泥沙来源。 ( 2 ) 黄河泥沙主要来源区的河口镇至龙门区间，年产沙量为1 5 3 1 0 9 t ，其中粗沙为 6 9 2 1 0 8 t ，分别占全河全沙量的9 2 6 和占全河粗沙量的9 45 ( 表3 1 ) ，反映了泥沙 来源的集中程度。 ( 3 ) 在黄河泥沙主要来源区，泥沙又集中在于其问的一部分地区，从来沙分配图3 3 可看出，这一区脚所产生的153 x1 0 8 1 全沙有8 0 ( 占全河泥沙的7 4 ) 集中来自1 1 1 0 4 k m 2 ，而有5 0 ( 占全河泥沙的4 65 ) 又集中来自5l 1 0 4 k m 2 。这一区间所产生的 ，0 6 9 2 x1 0 s t 相沙有8 0 柬自1 0 1 0 1 k m 2 ，有5 0 束自38 1 0 4 k m 2 。 ： j 至 蟊 警 强 趔 3 1 2 影响因素 图3 3 黄河中游来沙分配图 水库中的泥沙主要来源于水库坝址断面以上的流域产沙。流域内土壤因侵蚀外移的泥 沙在向江河汇集、输移的过程中，一部分会在流域的低沣和坡降平缓地区停积下来，一部 分汇入江河，通过河流系统输沙进入水库。水库若不能及时丌闸排沙，泥沙并会沉积下来， 造成水库淤积。 进入水库的泥沙量取决于水库入口断面流域上游的产沙量。影响流域产沙的因素很 多，可分为自然因素和人类活动因素两方面。自然因素包括气候、地形、地质、土壤和植 被等，它们的影响各不相同，其中以降雨、地形、土质和植被的影响最为突出。它们的影 响可以用不同的指标来表示。 1 t 2降雨 降雨是造成土壤侵蚀和搬运的主动力。其影响可以用两种方式束表达。 ( 1 ) 以降雨动能e ( k g - m m 3 ) 和最大3 0 分钟降雨强度( m l r d m i n ) 的乘积髓。来 表示降雨侵蚀力； ( 2 ) 用洪水的洪量模数和洪峰模数的大小来反映降雨能量对产沙的影响。洪量和洪峰 反映了成洪雨量和雨强，与土壤流失量的关系更为密切。 近年来，大量试验得出结论：阿滴溅蚀作用是引起土壤侵蚀最主要的因素。重现期 j 0 1 0 0 年的暴雨，可以产生份额很大的侵蚀量。例如，美国单一耕作植被小区的研究表 明( p i e s t ，rf ，1 9 6 3 ) ，3 4 的卜壤流失量是由平均每年4 次暴陌所产生。 三门峡水库上游的黄河中游地区的暴陶特i 2 _ - 可概括为暴南强度大，历日、短，雨区面积 般较黄河上游小。该地区的大暴南经常发生在7 月中旬至8 月中旬。例如1 9 7 7 年8 月 1 几，在陕西、内蒙交界的乌审旗发尘的特大暴阿，暴雨中心木多j 当的9 小时雨量竞达 14 0 0 m m ( 调查值) ：5 0 m m 雨区范围达24 0 力k m 2 。在特定的天气条件下也可产生大面 积暴雨。例如1 9 3 3 年8 月1f | ，在渭河、( 北) 洛河流域和河龙区问，同时发生大暴雨， f 阿带呈西南一东北向，雨区面积可达1 0 力- k m 2 ，这是三门峡大洪水和特大洪水的典型雨型。 渭河、( 北) 洛河的中下游，也经常出现一些阴雨天气，降雨持续时问一般可持续5 天 1 0 天或更长一些时间，但同降雨强度较小。例如1 9 8 1 年9 月上中旬，渭河、( 北) 洛河 流域普遍降雨，总历时在半月以上，其中强度较大的降雨历时在5 天左右，大于5 0 m 1 1 雨区范围为7 万k m 2 。 2 2地形 地形因素包括地面坡度的大小、坡长、坡形、分水岭和谷底的相对高差及沟壑密度的 影响，通常选用坡长和坡度束体现地形对流域产沙的影响。坡长指地面漫流丌始点到进入 沟壑f b j 的平均距离，也可用漫流起点到坡度减小丌始淤积处的平均距离。有资料表明，当 坡度一定时，土壤冲刷量与坡长的平方根成正比。 三门峡水库的泥沙来源黄河中游的丘陵沟壑区，该地区的沟壑密度较大。 3 2土质 土壤是侵蚀作用的对象，土壤的机械组成、结构性、透水性、抗蚀性( 指土壤抵抗径 流对它们的离散和悬浮的能力) 、抗冲性( 对抗流水和风等侵蚀力的机械破坏作用的能力) 等与水土侵蚀量有着密切关系。有人用土壤的抗冲性来表示土质因素，用土体在静水中的 崩解情况作为土壤抗冲性的指标：有人按土壤的硬度定为非常峰硬、坚硬、松散等几个抗 冲等级，作为抗冲指标。 包括- f 7 峡水库上游地区在内的黄河流域的大部分地区，分布着大量黄土，由于黄土 质地均匀，缺乏团粒结构，仅靠碳酸钙粘聚，而碳酸钙遇雨水淋融，极易溶解流失，因而 黄土的抗蚀能力很差。据统计，黄河中游地区每年每平方公罩中约被冲去的土壤达37 0 0 t ， 约为全世界土壤平均侵蚀模数13 4 t k i n 2 a 的2 8 倍。 4 2植被 植被是防止水土流失的积极因素，截流阿滴，减少刚滴对土壤的溅蚀，改善土壤结构， 提高土壤抗冲能力，增加地面糙率，减弱地面径流速度，从而减少土壤侵蚀。在水土流失 估算中，植被因素常以植被度或植被作用系数来表示。植被度是植物覆盖面积的百分数。 植被作用系数为植物覆盖与裸露情况下冲刷量的比值，与植被度何关。 e 述自然团素是水土流失发生、发展的潜在条件，人类活动是水土流失发生、发展和 保持水土的主导因素。人类活动可以通过改变某些自然因素来改变侵蚀力和抗蚀力的大小 对比关系，得到使水土流失加剧或者使水土保持的截然刁i 同的结果 “1 。 3 2 水沙过程 本节摘录了三门峡水库入库站潼关站多年来的十场洪水，对其水沙过程进行r 研究分 析，发现入库洪水在水沙关系上是不协调的，主要表现在以下两个方面： 首先，在时问上，洪峰与沙峰的峰值出现的时f f 1 j 大多数是不相同的，沙峰要滞后于洪 峰； 其次，在量上，洪量和沙量在整个的洪水过程中前后分配不均，涨洪段洪水含沙量较 落洪段要低。 表3 2 中列出了关于潼关站十三场洪水的洪峰值出现时间、沙峰值出现时间以及它们 之间的差的统计数据。从中可以看出，在下表中所摘录的洪水过程中，绝大数的洪水的沙 峰值出现的时问基本上都要滞后于洪峰值出现的时间，最长达3 5 6 小时，平均滞后约1 5 7 小时。 表3 2 潼关站沙峰落后于洪峰的峰值出现时间统计 沙峰落后 洪号洪峰出现时间沙峰出现时间洪峰时间 ( h ) 19 7 6 0 6 2 8 19 7 6 0 6 - 3 02 3 ：0 019 7 6 0 6 3 02 3 ：0 00 0 19 7 7 0 7 0 419 7 7 0 7 0 70 6 ：0 01 9 7 7 0 7 0 70 6 ：0 00 0 19 7 7 0 8 0 219 7 7 一0 8 一0 315 ：0 019 7 7 一0 8 0 416 ：0 02 5 o 1 9 7 8 0 8 0 619 7 8 。0 8 一0 90 5 ：3 0i9 7 8 - 1 3 8 一0 913 ：0 07 5 1 9 7 9 0 7 2 4 1 9 7 9 0 7 2 50 3 ：0 019 7 9 一0 7 - 2 60 0 ：0 02 1 o 19 8 2 0 7 0 91 9 8 2 0 7 1 01 5 ：0 019 8 2 0 7 112 0 ：0 02 9 o i9 8 2 0 7 2 919 8 2 0 8 0 12 0 ：0 019 8 2 0 8 0 20 0 ：0 04 o 2 0 0 10 7 2 82 0 0 1 0 7 2 914 ：3 0 2 0 0 1 0 7 3 00 8 ：0 01 7 5 2 0 0 1 0 8 1 82 0 0 1 0 8 2 02 3 ：0 62 0 0 1 一0 8 2 10 8 ：0 08 9 2 0 0 2 0 6 152 0 0 2 一0 6 2 40 1 ：5 42 0 0 2 0 6 2 414 ：0 01 2 1 2 0 0 2 0 6 2 72 0 0 2 。0 6 2 819 ：3 02 0 0 2 一0 6 2 90 8 ：0 0 1 2 o 2 0 0 2 0 7 0 52 0 0 2 0 7 0 614 ：182 0 0 2 0 7 0 72 0 ：0 02 9 7 2 0 0 3 0 8 0 92 0 0 3 一0 8 100 2 ：2 4 2 0 0 3 一0 8 1 11 4 ：0 03 5 6 平均1 5 7 一7 5 0 0 “7 0 0 0 三6 5 0 0 晤6 0 0 0 蟋5 5 0 0 5 0 0 0 4 5 0 0 4 0 0 0 3 5 0 0 3 0 0 0 2 5 0 0 2 0 0 0 15 0 0 1 0 0 0 5 0 0 7 8 - 0 8 - 0 60 0 9 07 8 - 0 8 - 0 80 0 9 07 8 - 0 8 _ l o0 0 9 07 8 0 8 - j 20 0 9 07 8 - 0 8 - 14o o 9 0 时间 图3 4 潼关站1 9 7 8 0 8 0 6 号洪水水沙过程 燃8 卜14 0 焉 1 1 0 等 8 ( ) 一磊 5 0 i ： 2 0 0 l _ 0 7 - 2 80 0 ：0 00 1 书7 吧l0 0 ：0 0 0 1 - 0 8 - 0 30 0 ：0 00 l - 0 8 - 0 60 0 ：0 00 1 _ 0 8 - 0 90 0 9 0 时吲 图3 5 潼关站2 0 0 1 0 7 2 8 号洪水水沙过程 盼浮簿一kg争，一 m m啪啪鲫加印蚰趵 吟譬：量一吾，u 0 o o 0 o 0 0 o 0 o 0 o o 0 0 0 o o o菩：伯加嘶诣拍如拍加m sn。i【i一删嚣 ；2 7 5 0 e 2 5 0 0 豫2 2 5 0 黯 2 0 0 0 17 5 0 1 5 0 0 1 2 5 0 + 1 0 0 0 一 7 5 0 一 5 0 0 2 5 0j 一 0 1 _ 0 8 180 0 9 00 i - 0 8 - 2 10 6 9 00 l _ 0 8 - 2 412 ：0 00 l - 0 8 - 2 71 8 9 00 】_ 0 8 - 3 10 0 9 0 时问 一、1 4 5 0j 迎 p14 0 0 三13 5 0 ； 曲 13 0 0 i 蜒1 2 5 0 1 2 0 0o 1 i 5 0 1 1 0 0 1 0 5 0 1 0 0 0 ； 9 5 0 一- 9 0 0 j 8 5 0 8 0 0 7 5 0 图3 6 潼关站2 0 0 1 0 8 1 8 号洪水水沙过程 7 5 7 0 6 5 6 0 i5 5 5 0 4 5 4 。 ：3 5 ：3 0 2 5 0 2 6 - 2 71 2 n 00 2 _ 0 6 - 2 91 2 9 00 2 _ 0 7 _ o ll2 ：0 0 0 2 _ 0 7 m 32 9 0 0 2 _ 0 7 - 9 51 2 9 0 时问 图3 7 潼关站2 0 0 2 0 6 2 7 号洪水水沙过程 3 4 呤等瘁一牙争，一 o 5 0 5 0 5 0 5 o 5 o 5 o 5 o 5 2 o 7 5 2 0 7 5 2 o 7 5 2 0 5 0 5 4 4 4 3 3 3 7 2 2 2 2 l l，1 7 5 2 ， ，l，。r 1 一 睦 跨嗒却一kg争，一 从沙峰晚于洪峰的时问以及洪水过程中的水沙关系中，可以分析得出： ( 1 ) 洪水过程巾的水沙关系明显过程不统。涨洪段，流量大，含沙量却小：落洪段， 流量小，含沙量反而大。整个洪水过程的水沙相关曲线，呈顺时毫l 旋转的绳套形，如图 38 所示。 7 5 0 5 0 0 2 5 0 0 0 0 ub 0l ( 】ul5 uz u u2 b u3 u 【)3 5 u4 u u4 b 【j 含沙世( k g 向。3 ) 图3 8 潼关站2 0 0 1 0 8 1 8 号洪水水沙关系曲线 ( 2 ) 关于沙峰晚于洪峰的原因。沙峰晚于洪峰的现象，在其它河流也有类似的资料。 如美国的h e i d e l 在1 9 5 6 年就对b i g h o r l i 河做过研究，得出结论：“沙峰在涨水时向下 游传播要比洪峰慢得多；沙峰很快就落到洪峰后面”。m a n d e r s o n 站的沙峰落后于洪 峰1 - - 5 小时：在m a n d e r s o n 站下游8 8 k m 处的k a n e ( 怀俄明州) 站，沙峰可能落后于洪 峰1 0 2 0 小时。钱宁在黄河下游河床演变书中指出：“由于洪水波速传递的速度大 于水流的平均流速，因此在较大的河流上，一般都有沙峰落后于洪峰的现象。黄河在于流 发水时亦不例外。” 理论上，河道洪水的流动是属于不稳定流的性质，洪峰是以波的形式传播的。而泥沙 运动则与水流的平均流速有关。洪水波速与水流平均流速之间的关系不是固定不变的。在 一般情况下，波速大于水流平均流速，所以出现沙峰落后于洪峰的现象。而在复式河槽中， 当洪水漫滩时，则波速小于平均流速，沙峰反而比洪峰传播的快，因此，出现沙峰追赶洪 峰或洪峰落后于沙峰的现象。从水流连续方程式( 31 ) 可知： q = i u ( 3 1 ) 式( 31 ) 中：q 为断面流量：爿为断面面积：u 为平均流速。 1 e 咖 毛耄 瑚 咖 哪 洪峰波速辔可表示为： a ( )a f i 翥2 u + 爿0 a ( 3 2 ) 式( 3 。2 ) 中的4 豢在一般情况下为一值，所以波速殷大于平均流速。在漫滩时， 由于百o u 为负值，所以波速反而小于平均流速。可见，波速与流速的关系与河道断面形态 是有关的”。 以上分析了般情况下沙峰出现时间为什么要晚于洪o l 晕出现时f 日j 。现从水量上对三门 峡水库入库站潼关站洪水水沙过程作进一步的分析。这罩选取1 9 7 7 年7 月4h 发生的一 场洪水为例，如图3 9 所示。 该次洪水的总水量为2 5 ，2 5 亿m 3 ，总沙量为7 5 7 亿t ，平均含沙量为3 0 0 k g m 3 ，洪 峰流量为1 36 0 0 m 3 s 最大含沙量达到6 1 0 k g m 3 ，并与洪峰流量同时出现。以沙峰出现时 间为界，对峰前和峰后的水沙关系进行分析，峰前水量、沙量和平均含沙量分别为5 2 5 亿m 3 、1 0 7 亿t 和2 0 4k g m 3 ，而峰后水量、沙量和平均含沙量分别为2 0 0 亿m 3 、6 5 0 亿t 和3 2 5k g m 3 。具体数据见，表3 。3 一 鬯 c 自 蒯 螺 盼 等 妞 一 万 。j ，- 0 ，- 0 40 0 勤07 7 - 0 7 _ 0 70 0 ：0 0 7 7 - 0 7 一1 00 0 ：0 07 7 - 0 7 - i30 0 ：0 0 7 7 _ 0 7 一l60 0 ：0 0 时问 图3 9 潼关1 9 7 7 0 7 0 4 号洪水水沙过程 从图39 和表3 3 可以清楚地看出