（水利工程专业论文）夏寨水库泥沙淤积分析及合理运用方式研究.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：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成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的r 怍的任何贡献均已在论文。 | 作了明确的 说明j f 已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处。由本人承担一切相关责任 论文作者签名：孟经颦瑶；年一月，日 保护知识产权申明 本人完全了解西安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学，无论何时何地，未经学校许呵，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本淦文的全部或部分内容，可以采用影印缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申明同样适用) 沦文作者签名：巫鎏丕 导师签名 哆年6 h i 轴 摘要 学科： 导师： 夏寨水库泥沙淤积分析及合理 运用方式研究 教授 高工 作 者：易扩辱 答辩日期：2 0 0 3 l1 0 摘要 宁夏南部山区地处干旱、半干旱区。受水资源短缺和水土流失影响， 经济生产水平低，社会发展缓慢，是全国重点贫困地区之一。为有效开 发利用水资源，5 0 年代以来先后组织修建了大量水库工程，并对促进地 区经济发展发挥了重要作用。但长期以来，由于运用方式不合理，水库 工程泥沙淤积严重，径流资源得不到充分利用，工程效益逐年衰减，并 对工程运行和地区防洪安全形成严重威胁。本课题以西吉县夏寨水库为 研究对象，通过研究水库径流特征和水库运行方式及淤积状况，分析了 水库淤积成因及变化趋势，为合理确定水库运行方式，进一步完善工程 设计提供了理论基础，对解决工程实际问题具有一定指导意义。 课题研究主要从水库淤积状况、运用方式和流域径流特征分析入手， 阐述了流域径流、泥沙时段分布，研究了不同运用方式下水库冲淤的主 要影响因素及变化趋势，分析了不同运用方式时水库淤积情况和拦蓄水 量。针对流域径流特点，按照增加水库调节水量，提高供水效益，减缓 水库淤积发展的要求，提出了水库运用方式的改进意见和措施，并对其 效果进行了分析。 关键词：夏寨水库淤积成因运行方式模拟分析 a b s t r a c t a n a l y s i so fs e d i m e n ti nx i a z h a ir e s e r v o i ra n di t s r a t i o n a lo p e r a t i o nm o d er e s e a r c h s u b j e c t ：w a t e rr e s o u r c e se n g i n e e r i n g a d v i s o r ：p r o fm 黝飞 a b s t r a c t t h es o u t h e r nm o u n t a i na r e ap a r to fn i n g x i ap r o v i n c ef a l l si nt h ea r i d a n ds e m i a r i dz o n e t h ep r o d u c t i v i t yi sl o wa n dd e v e l o p m e n ti sa l s os l o w h e r e ，a n di ti so n eo ft h em o s td e p r e s s e da r e a si nt h ew h o l ec o u n t r yb e c a u s e o ft h ew a t e rs h o r t a g ea n ds o i la n dw a t e rl o s sp r o b l e m m a n yr e s e r v o i r sh a v e b e e nb u i l tf r o mt h e5 0 si no r d e rt od e v e l o pa n du t i l i z ew a t e rr e s o u r c ei na n e f f i c i e n tw a y , w h i c hh a v ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei na c c e l e r a t i n gt h e e c o n o m yd e v e l o p m e n ti n t h i sa r e a b e c a u s eo ft h eu n r e a s o n a b l eo p e r a t i o n m o d e ，t h er e s e r v o i r ss e d i m e n t a t i o ni ss e r i o u s ，w h i c hl e a dt ot h ep r o b l e m so f i n a d e q u a t eu s eo fw a t e rr e s o u r c e ，d e g r e s s i v ew o r k sb e n e f i ta n dh i g hr i s ki n w a t e rw o r k so p e r a t i o na n df l o o dc o n t r o li nt h i sa r e a t h et a s ko ft h ep a p e ri s a n a l y s i st h ec a u s ea n dt r e n do fr e s e r v o i rs e d i m e n t a t i o nb a s e d o nt h es t u d yo f r u n o f fc h a r a c t e r i s t i c ，o p e r a t i o nm o d ea n ds e d i m e n ts t a t u so fx i a z h a i r e s e r v o i ri nx i j ic o u n t y , s oa st oo f f e rat h e o r yb a s i st oc o n f i r mr e a s o n a b l e r e s e r v o i ro p e r a t i o nm o d ea n dt o p e r f e c tt h ed e s i g no ft h ew o r k s ，a n dt o p r o v i d eac e r t a i ng u i d a n c et o s o l v et h ep r a c t i c ep r o b l e mo fo t h e rw a t e r w o r k s t h ep a p e rs t a r t sw i t ht h er e s e r v o i rs e d i m e n t a t i o n ，o p e r a t i o nm o d ea n d c a t c h m e n tr u n o f fc h a r a c t e r i s t i c s t h es t u d yc o m p r i s e so fd i s t r i b u t i n go f r u n o f fa n ds e d i m e n ti nt h ec a t c h m e n t t h ei n f l u e n c ea n db e n do f 西安理工大学工程硕士专业学位论文 s e d i m e n t a t i o na n dw a t e rs t o r a g eu n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e t h ep a p e r a l s oa d v a n c e ss o m eo p i n i o na n dm e a s u r e sb a s e do nr u n o f fc h a r a c t e r i s t i ct o i m p r o v et h er e s e r v o i ro p e r a t i o n ，a n dt h e na n a l y s e st h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t s k e y w o r d s ：x i a z h a ir e s e r v o i r ；t h ec a u s eo fs e d i m e n t ；o p e r a t i o nm o d e s i m u l a t i o na n a l y s i s 第一章绪论 1 绪论 1 1 概述 宁夏回族自治区位于西北地区东部，黄河流域中上游。北部与内蒙 古自治区接壤，西部、北部与甘肃省为邻，东部与陕西省毗邻。南北长 约4 5 6 k m ，东西宽约4 5 - - 2 5 0 k m ，国土面积5 1 8 万平方公里，人口5 6 3 万，其中回族人口占3 5 ，是我国五个少数民族自治区之一。 全区自南向北分为六盘山山地、宁南黄土丘陵、宁中山地和山间平 原、盐灵台地、银川平原和贺兰山山地六个地貌单元，跨越暖温带半湿 润区和温带干旱、半干旱三个气候区。其中山地、丘陵约占总面积的 5 3 8 ，平原、台地占4 4 4 ，沙漠占1 8 。地势南高北低，海拔1 0 0 0 m 以上。主要气候特征是干旱少雨、蒸发强烈、风大沙多。全区3 4 属干旱、 半干旱区域，为典型大陆性气候。多年平均降水量2 9 2 m m ，水面蒸发能 力1 2 9 6 m m ，年日照时数3 0 0 0 h 左右，主要灾害天气是干旱。 位于宁夏南部的山区部分包括固原市六个县、区和吴忠市盐池、同 心两县及中卫县、银川市灵武市的一部分。总土地面积3 8 4 万平方公里， 占全区国土面积的7 5 。总人口2 4 0 万人，农业人口2 1 5 万人，分别占 全区的4 2 6 和5 3 8 。区域范围内，南部六盘山区降水相对丰沛，森 林植被良好，水资源较为丰富。多年平均降水量6 3 0 m m ，径流深3 0 0 m m 左右，综合水资源量2 9 2 亿m 3 。中部黄土丘陵沟壑区沟道发育，地面起 伏大，植被覆盖差，降水较少，蒸发强烈，水土流失严重。年均降水约 4 0 0 m m ，蒸发量1 0 0 0 - - 1 2 0 0 m m ，综合水资源量3 9 8 亿m 3 。土壤侵蚀模 数2 0 0 0 - - 8 0 0 0 吨平方公里，水土流失面积达9 0 以上，年流失泥沙近1 亿吨。并且降水年际、年内变化显著，多以暴雨为主。汛期降水约占全 年总量的7 0 ，年变差系数o 2 8 一o 3 左右。北部干旱草原区降水稀少， 风蚀强烈，土地沙化严重，生态环境极为脆弱。年降水量2 0 0 m m 左右， 1 西安理工大学工程硕士专业学位论文 蒸发量高达1 4 0 0 m m ，综合水资源量仅1 2 7 亿i n 3 ，水土流失面积占总面 积的8 8 。年降水量变差系数近0 4 ，汛期降水量占年降水总量的8 0 。 受自然和历史条件制约，区域经济以农业生产为主，且主要为旱作 农业，产量低而不稳。现国内生产总值4 3 8 亿元，约占全自治区的1 5 ， 粮食产量7 i 万吨，占全区的2 6 ，是全国重点贫困地区之一。为改善当 地经济生产条件，促进其经济发展，近几十年来，针对地区自然地理特 点和水资源分布状况，区域以防洪、水资源开发利用和水土流失治理为 重点，进行了大规模的水利水保工程建设。累计修建各类水库工程2 6 1 座，治理水土流失面积1 1 万平方公里。七十年代以来，结合扶贫开发， 在北部干旱草原区相继建成了固海、盐环定、南山台子等一批扬黄灌溉 工程，发展扬黄灌溉面积1 1 0 万亩。目前在建的宁夏扶贫扬黄灌溉工程 建成后，扬黄灌溉总规模可达2 4 0 万亩。水利工程建设为改善地区生态 环境，保证防洪安全，促进经济社会发展和群众生活水平的提高发挥了 重要作用。 1 2 问题的提出 水库是调节利用河流水资源的控制性工程。新中国成立以来，我国 已建成各类水库8 万多座。这些水库在防洪、灌溉、发电、航运、城市 工矿供水以及发展旅游等方面发挥了巨大的作用，促进了国民经济的发 展。但同时由于修建水库破坏了河流天然水力、泥沙条件与河床边界的 相对平衡，使水沙条件与河床形态重新调整。库区水位雍高，水深增大， 流速减小，水流输沙能力显著降低。造成库区泥沙淤积，水库有效库容 被泥沙淤积侵占，影响水库正常功能的发挥，并因水库调蓄能力不足而 对工程运行和下游地区防洪安全构成严重威胁。 宁夏南部山区自5 0 年代开始，组织人力、物力，在重点流域修建了 大量水库工程。以对流域洪水进行拦蓄调节，减小洪水流量，减免河谷 川道人口密集区村庄、集镇和重要交通设施洪水威胁。充分利用有限的 2 第一章绪论 地表水资源，发展灌溉农业，提高农作物产量，改善地区生态，保证主 要乡镇、城市生产、生活用水供应。工程建设曾为促进地区经济发展发 挥了重要作用。但是，在工程建设和运行过程中，由于对流域径流、输 沙特点和水库淤积研究、认识不足，在工程设计和调度运用方面主要存 在以下问题： ( 1 ) 水库泥沙淤积严重，病险状况加剧。几十年中，南部山区各县 累计修建各类水库工程2 6 0 余座，总库容1 3 亿m 3 。大部分水库早期均 采用蓄洪运用方式，对全部径流进行拦蓄调节。由于当地植被覆盖差， 水土流失剧烈，洪水过程中水流含沙量较大，最大含沙量高达3 0 0 一 9 0 0 k g m 3 ，造成大量泥沙沉积于库区，水库调蓄库容大量淤积损失。部 分水库因调洪库容不足，防洪能力达不到设计防洪标准，运行安全无可 靠保证而成为病库、险库，并成为地区防洪安全隐患。部分水库因防洪 标准降低，洪水漫坝造成坝体渍决而彻底报废，同时对下游村庄、集镇 和水利等工程设施造成严重破坏。至1 9 9 5 年调查统计，尚存各类水库工 程共1 9 5 座，占水库总数的7 5 。现存水库中因库容淤积，防洪标准不 足而存在病、险的共1 2 1 座，其中中型水库1 2 座，小型1 0 9 座，占水库 总数的6 2 。 ( 2 ) 汛期径流得不到充分利用，工程效益发挥受限。随水库库容损 失的加剧，为减少泥沙淤积，保证水库运行安全，后期各水库工程均改 为空库迎汛的运行方式。即水库只对非汛期径流进行拦蓄，汛期7 月一9 月份水库闸门全部开启，不拦蓄水量。该过程虽然水库淤积速率有所减 缓，但由于区域范围内降水分布不均，大部分降雨径流集中在6 9 月份。 造成水库工程蓄水不足，供水效益急剧衰减，水库功能得不到有效发挥。 目前，全区水库工程年均供水量o 8 3 亿m 3 ，灌溉面积2 8 万亩，仅为设 计面积的5 3 9 。原有水库灌区因水量不足，得不到及时、有效灌溉， 农作物产量锐减，群众生活水平难以稳定提高。 ( 3 ) 水库设计中淤积库容确定缺乏依据。近年来，国家安排大量资 3 西安理工大学工程硕士专业学位论文 金对山区病险水库集中进行加固改造。1 9 9 8 年至今，全区共安排改造中 小型水库工程3 4 座，工程总投资2 2 亿元。但是在工程改造设计中，由 于对水库冲刷及淤积规律研究和认识不足，淤积库容设计多采用定性方 式估算。水库规模确定缺乏可靠依据，淤积库容设计往往偏大，造成建 设投资浪费。也有部分水库因设计值偏小而使工程运行形成安全隐患， 工程投资效益不能充分发挥。 限于上述问题，针对水库工程设计和调度运用，加强水库工程淤积 影响因素的分析研究，并根据水沙运动规律，制定合理的运用方式，完 善工程设施，以减少水库淤积，延长工程寿命，充分发挥水库工程的综 合功能是非常必要的。同时，近年来上述问题也已受到了各级水利部门 和工程设计、运行管理各方的高度关注，并已进行了积极的尝试和探索。 在水库改造工程设计上，逐步形成了增建大底孔，提高水库泄流能力， 通过泄洪排沙减少水库淤积，延长水库使用年限的思路。工程运行方面， 部分管理单位在总结以往经验的基础上，根据来流情况，打破常规，提 前下闸蓄水，尽可能增加拦蓄水量，保证正常灌溉要求。但由于对水库 淤积有关问题研究不够，各方面意见终难形成统一，对扭转整个工程设 计和运行管理思路带来了很大影响。本课题主要通过对不同运行方式下 水库淤积状况和调蓄水量的分析比较，为水库工程运行方式的优化提供 充分依据，为工程改造设计工作的完善提供有益的借鉴。 1 3 研究目的及意义 南部山区占据着宁夏“半壁河山”，当地经济建设和人民生活水平的 提高直接影响着全区经济社会的总体发展步伐。多年来，在国家的大力 支持下，自治区及山区各市县组织动员广大群众，进行了艰苦卓绝的努 力。但受水资源短缺影响，其经济生产水平始终难以稳定提高，一部分 群众的温饱问题尚未得到稳定解决，导致全区经济生产长期处于较低的 水平。另外，随着地区经济的发展和人口数量的迅速增加，水资源短缺 4 第一章绪论 的矛盾还将进一步加剧。区域水资源供需问题是目前当地正常经济生产 的主要制约因素，也是影响地区生产水平进一步提高和全区社会发展的 关键所在。 为了解决区域水资源短缺的问题，七十年代以来，针对当地资源性 缺水和工程性缺水并存的实际，自治区相继建设了大规模扬黄工程，使 一些地区经济生产得到了根本上的改观。但同时大面积高扬程扬水灌区 的开发也使自治区背上了沉重的财政负担。另外，随着整个黄河流域各 省区用水矛盾的日趋紧张，依靠黄河干流水量维持区域经济的进一步发 展已不现实。而宁夏南部山区当地水资源开发目前尚处于较低水平，还 有一定的开发潜力。从工程经济和目前的现实条件两方面而言，缓解区 域水资源供需矛盾，支持当地经济的进一步发展，必须对当地水资源的 开发和利用给以高度的关注。 水库工程建设是开发利用当地水资源的有效手段。工程的有效运用 是提高水资源开发利用水平，缓减地区水资源供需矛盾，支持当地经济 发展的重要措施之一。长期以来，由于对水库运行方式和淤积规律缺乏 深刻认识和研究，不仅造成水库工程淤积严重，病险状况加剧，水资源 开发利用水平低下，而且对地区防洪安全构成严重威胁。针对目前水库 工程普遍存在的泥沙淤积和水量拦蓄调节的矛盾，加强水库工程淤积机 理和运行调节方式的研究，有利于从根本上掌握水库工程的淤积成因和 主要影响因素，从以下几方面对提高地区水资源开发利用水平，发挥工 程效益产生积极作用。为改善群众生产生活条件，推动地区经济生产的 持续、稳定发展和人民生活的提高创造条件。 ( 1 ) 协调水库泥沙淤积防治和水量调蓄间的矛盾。宁夏南部山区水 土流失严重，地表径流含沙量较大，水库泥沙淤积和水量拦蓄调节的矛 盾是水库工程调度运用中长期存在的核心问题。这一问题的存在，不仅 影响着水库工程效益的长期、稳定发挥，而且决定着区域水资源开发利 用水平的提高。目前，南部山区水库工程总库容1 2 4 亿m 3 ，有效库容 西安理工大学工程硕士专业学位论文 3 7 亿m 3 。其中水库工程较为集中的黄土丘陵区现存水库总库容7 7 亿 m 3 ，有效库容2 9 亿m 3 ，接近区域径流总量。但由于调度运行方式不尽 合理，年供水量仅3 0 0 0 - - 4 0 0 0 万m 3 ，约为径流总量的1 0 1 5 ，水资 源利用率极低。通过课题的研究，可在充分掌握水库泥沙淤积成因的基 础上，促进水库调度运用方式的转变。采取针对性的措施减缓泥沙淤积， 延长工程使用寿命，缓减工程险情，消除地区防洪安全隐患。同时在保 证工程运行安全的前提下，增加水库拦蓄水量，提高工程供水能力，扩 大工程效益，促进投资效益的充分发挥。 ( 2 ) 推进工程设计水平的提高。近年来，国家投入大量资金对存在 病险的水库工程进行大规模的改造扩建，水库工程设计是宁夏目前水利 建设的重要问题之一。通过课题的研究，在全面掌握水库淤积影响因素 的基础上，对水库调节运用方式进一步优化，有助于工程设计思路和基 本理念的转变，为设计工作提供有益的借鉴和指导。以合理控制工程建 设规模，促进建设投资的合理使用，提高工程调度运用和管理水平。 ( 3 ) 促进当地生态环境建设的稳步发展。宁夏南部山区由于自然环 境条件制约，水资源开发利用不足，水资源严重短缺，农业及经济生产 长期处于较低的水平。而随着人口的增加，生产水平的低下直接造成了 农业生产规模的盲目扩张，加剧了水土流失，使区域水资源开发利用更 为困难，形成了“越穷越垦、越垦越穷”的恶性循环。近年来，国家投 入大量资金实施生态环境建设，为从根本上改变这种局面提供了有利契 机。处于流域河谷川道的水库灌区是区域农业及经济生产的重点和精华， 其农业及经济生产对提高当地经济发展水平，遏止土地的盲目垦植具有 举足轻重的影响。通过课题的研究，有利于保证水库工程的正常运用和 供水能力的提高，确保灌区农业和地区经济生产的稳步发展，从而为加 快区域生态环境建设步伐，巩固建设成果创造良好条件。为从根本上改 变当地自然环境条件，促进地区经济的可持续发展奠定基础。 第一章 绪论 1 4 水库淤积问题及研究现状综述 泥沙淤积是使水库有效库容不断减少，兴利效益逐年下降，甚至导 致水库报废或溃坝失事的关键因素之一。我国一些河流泥沙之多是世界 著名的，其中黄河名列首位。从河流含沙量来说，辽河排位世界第三， 其次长江位列十三，西江第十四位。不少中小河流泥沙更为严重。 表1 - 1我国部分大中型水库库容淤损情况表 总淤积量 水库原始库容统计年数 占总库容 省( 区)绝对量 名称 ( 1 0 8 m 3 ) ( 起止年份)的百分数 ( 1 0 8 m 3 ) ( ) 7 5 ( 1 9 5 8 - 1 9 6 6 )3 3 9 l4 4 0 三门峡豫、晋、陕 7 7 0 0 7 0 ( 1 9 6 7 - 1 9 7 3 ) 1 1 6 41 5 o 官厅河北2 2 7 02 4 ( 1 9 5 3 - 1 9 7 7 )5 5 32 4 4 0 青铜峡宁夏6 0 75 ( 1 9 6 7 1 9 7 1 )5 2 78 6 9 0 刘家峡甘肃5 7 2 0 8 ( 1 9 6 9 - 1 9 7 6 )5 2 29 1 l 丹江口鄂豫 1 6 0 0 01 56 2 53 9 1 大伙房辽宁2 0 1 0 1 6 0 2 9 1 4 5 丰满吉林1 0 7 8 0 2 7 1 4 21 _ 3 2 盐锅峡甘肃 2 2 04 ( 1 9 6 2 - 1 9 6 5 )1 5 06 8 2 0 新桥 陕西2 0 01 4 ( 1 9 6 0 - 1 9 7 3 )1 5 67 5 0 0 石峡口宁夏1 7 03 3 ( 1 9 5 9 - 1 9 9 2 )1 4 18 2 9 三盛公内蒙古0 8 0 l l ( 1 9 6 1 1 9 7 1 )0 4 45 4 9 0 新安江 浙江1 7 8 0 01 6o 2 00 1 1 随着我国大量水库的建设，水库泥沙以及泥沙淤积问题逐渐突现出 来。尤其是在一些多沙河流上修建的水库，淤积速率相当惊人。表1 - 1 西安j e s 大学工程硕士专业学位论文 是我国部分水库淤积情况的统计资料。从表中可以看出，华北、西北和 东北西部河流上水库泥沙淤积问题十分严重。黄河干流上的盐锅峡水电 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 ；特 别是三门峡水库，因其淤积发展快、影响大而受到了水利界，乃至社会 各个方面的高度关注。中小河流上，水库泥沙淤积问题同样不容忽视。 根据宁夏1 9 9 2 年现存水库中1 8 7 座水库的调查资料，淤积量占总库容的 7 0 2 3 。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m 3 ，占总库容的3 1 5 。内蒙古调查1 9 座1 0 0 万 m 3 以上的水库，淤积量占总库容的3 1 4 。陕西榆林、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 8 3 。 正是由于我国多沙河流多，水库淤积问题严重，影响大，国家对泥 沙问题研究颇为重视。经广大科技人员和水库管理、测量人员努力，在 水库淤积研究方面做了大量工作，取得了很多成果。其中某些方面属于 首创。 建国初期，我国水利和泥沙专业方面的科技人员在水库淤积观测的 基础上，结合具体水库进行了深入分析，并将结果予以应用，以改造和 控制水库的淤积。中国水利水电科学研究院研究人员最早对官厅、三门 峡、刘家峡、青铜峡、三盛公等水库进行了基础性研究，有关单位对一 些水库作了较深入的研究。其成果有一定应用的有：内蒙黄河工程管理 局对三盛公水库【8 l ；红领巾水库管理所、内蒙古水利勘测设计院对红领巾 水库”；华国祥、王敏生、白荣隆、彭润泽等对龚嘴水库【2 0 】的研究等。 特别是范家骅、吴德一等对官厅水库 3 4 】、钱宁、麦乔威等对三门峡水库 3 6 1 、韩其为、童中均、杨克诚等对丹江口水库 3 7 ，3 8 1 的淤积等均有大 量研究成果。 水库泥沙运动的研究方面，国内外在均匀流、均匀沙条件下，通过 求解二维( 立面二维) 扩散方程研究悬移质不平衡输沙的文献基本是从2 0 世纪6 0 年代开始的。国内张启舜h 7 1 、侯昌辉【4 8 】在这方面也取得了一定进 第一章绪论 展。后来国内也出现了方程的数字解。但是由于二维扩散方程求解受制 于难以可靠确定的边界条件，其解多为无穷级数和数字解，因果关系不 够简明，用起来受到限制。除张启舜的研究有所尝试【4 9 j 外，这些结果基 本上未在水库淤积中应用。从实用出发，前苏联一些学者从2 0 世纪3 0 年代开始直接从沙量平衡出发，建立一维不平衡输沙方程。稍后我国窦 国仁【5 2 l 也提出了类似的方程。这些研究成果虽然抓住了不平衡输沙的主 要矛盾，方程简明。但都限于均匀沙和均匀流，难以符合水库悬移质运 动的实际，且理论上也没有和悬沙运动的扩散方程联系起来。韩其为针 对实际非均匀沙和非均匀流首次通过积分二维扩散方程得到了一维非均 匀沙不平衡输沙方程 5 4 , 5 5 】，并且当其为均匀沙和均匀流时与前述苏联学 者和窦国仁公式的形式完全一致，从而给出了一维扩散方程的根据。后 来又进一步利用悬沙与床沙交换的统计理论【4 5 】，给出了二维扩散方程的 一般边界条件，并与已得到的一维不平衡输沙方程的结果完全一致【5 6 4 5 1 ， 同时还能给出有关参数的表达式。 水库异重流方面，范家骅、吴德一、焦恩泽等于2 0 世纪5 0 年代联 系到官厅水库观测和室内试验，做了较深入的研舟【6 8 j ，给出了异重流的 潜入条件和异重流排沙和孔口出流计算方法。韩其为对水库异重流的潜 入条件进行了进一步研究，认为必须补充均匀流条件 6 ”。即潜入点水深 必须大于异重流正常水深，否则潜入不成功。并认为异重流挟沙能力及 不平衡输沙规律与明流的完全一致，但其水力因素应由异重流部分确定 6 9 】，并且证明了水库异重流是超饱和输沙，因而沿程淤积是必然的【6 9 朋 。 对于干支流向异重流倒灌，谢鉴衡h 2 1 、范家骅【7 2 】金德割7 3 1 、韩其为【7 ”、 秦文引7 5 1 等都有所研究，其中文献7 4 7 5 1 还对倒灌淤积做了专门工作。吕 秀珍按势流理论对排泄异重流的孔口提出了专门成果7 6 7 7 1 。 在高含沙水流特性方面，我国学者在沙玉清【4 0 】、钱宁 7 8 】、张瑞瑾【4 2 等带动下除对高含沙水流的流变特性、泥沙沉速的影响以及输沙规律等 有较深入研究( 集中反映到钱宁主编的“高含沙水流运动”专著【7 8 1 ) 外，尚 西安理工大学工程硕士专业学位论文 有对水库颇为重要的高含沙挟沙能力规律方面的成果( 如张浩、许梦燕 【7 9 、曹汝轩的研耕8 0 1 ) 。方宗岱和胡光斗、焦恩泽口5 1 等对水库高含沙水 流淤积资料进行了分析，陈景梁等对水库高含沙水和浑水排沙实际资料 进行了研究 2 4 , 8 2 , 8 3 】，王兆印及张新玉也对高含沙水流进行了试验【8 4 】。 水库淤积形态方面，我国研究较早的是三角洲淤积。2 0 世纪5 0 年代 末6 0 年代初根据官厅水库的资料，水利水电科学研究院河渠所对三角洲 的淤积形态及计算做了初步研究口。8 6 】。6 0 年代张威提出了三角洲理论结 果【8 ”，7 0 年代初韩其为根据非均匀悬移质不平衡输沙的规律首次从理论 上详细论证了水库淤积的三角洲趋向性、形成特点、三角洲和前坡淤积 比例、洲面线与水面线方程以及前坡长度等陋8 9 f9 0 朋】。罗敏逊用官厅水 库的资料对其进行了验证【9 2 】。 水库排沙方式也曾有多种研究。除一般的依靠水流冲刷外，对小水 库还有水力吸泥泵以及高渠拉沙冲滩等。不少水库的排沙特性被分析研 究，如红领巾水库管理所、内蒙古水利勘测设计院对红领巾水库的研究 1 1 9 ；辽宁省水科所、彰武县闹德海水库管理所对闹德海水库1 8 】：青铜峡 水库站、青铜峡电厂对青铜峡水掣6 】等均结合具体条件对排沙做了较广泛 的研究。此外张振秋和杜国翰口、曹叔尤和张新平口2 1 、陈洪升【3 3 】、陈景 梁和赵克玉怛4 】等结合具体水库对有关水库排沙和减淤以及恢复库容也做 了不少的研究。其中，溯源冲刷作为水库排沙的一种重要形式，研究成 果较多。由挟沙能力方程和河床变形方程适当简化后，可将溯源冲刷的 纵剖面方程化为二阶常系数热传导( 偏微分) 方程，在数学物理方程中对此 已有成熟的解法。彭润泽、白荣隆等最早对推移质进行了这方面的实验 研究和求解，得到的结果与实际颇为符合。曹叔尤对这种方法做了进一 步研究，按般的初始条件和边界条件，求出了分析解，并且以悬移质 的溯源冲刷进行了检验。巨江改变了前三位研究者在有限的区域求解方程 的方法，将其在无限区域内进行，从而获得能够直接积分河床变形方程。 在水库排沙研究运用方面，一些水库利用水库淤积和排沙规律，在 第一章绪论 实践中摸索出了一些成功经验。通过水库调度，采用“蓄清排浑”的方 法，使水库淤积大量减缓，甚至不再淤积。其中较典型的有闹德海水库【1 8 】、 红领巾水库 i9 】等的研究。2 0 世纪6 0 年代开始，唐日长、林一山根据闹 德海水库和黑松林水库成功经验，提出了水库长期使用的设想和概念， 在三门峡水库1 9 7 3 年改建完成前的1 9 6 4 1 9 6 6 年，就预见了它能做到 长期使用。并且认为如果水库建在峡谷中( 八里胡同坝址) ，长期使用指标 更为优越。后来由韩其为进一步从理论上阐述了水库长期使用的原理和 根据，并给出了保留库容的确定方法。三门峡水库改建并运行的成功， 也从实践上证实了大型综合利用水库长期使用的可能性。 1 5 研究主要内容和方法 深处宁南山区腹地的固原市原州区、西吉县、彭阳县和海原县中南 部远离黄河干流，经济生产主要依赖于当地水资源的支持，水库工程的 建设和有效运用在区域水利建设发展中占据极为重要的地位。现共建有 水库1 3 9 座，占山区水库工程总数的7 1 。同时，由于区域地处黄土丘 陵沟壑区，水土流失极为严重，水库工程泥沙淤积与水量调蓄矛盾也最 为突出。为此，课题主要针对该区域范围的特点，根据基础资料和工程 情况，选取西吉县夏寨水库为代表对象进行研究。研究内容包括： ( 1 ) 水库入库径流、泥沙及代表洪水过程分析。水库工程入库水、 沙情况是开展课题研究必需的基础资料。夏寨水库所处葫芦河干流附近 一直未设立水文测站，无实测水、沙及洪水资料。课题研究中主要依据 水库附近支流车路沟测站和下游将台测站的实测水文过程，根据流域降 雨观测资料，综合分析确定了建库三十年的入库径流、泥沙情况和设计 洪水过程。 ( 2 ) 水库泥沙淤积影响分析。主要根据典型期水库工程入库径流、 泥沙情况和调度运行方式，结合水库实测淤积资料，利用水库溯源冲刷 西安理_ t - 大学工程硕士专业学位论文 的有关研究方法，分析了水库蓄水期、灌溉放水期的淤积变化，初步确 定了不同状况下水库工程淤积与入库径流的关系。另外，针对水库设计 洪水过程，分析了各种情况下洪水的排沙变化，明确了洪水过程的冲淤 关系。 ( 3 ) 水库运行调度方式改进论证。主要参照目前在多沙河流上运用 较多的“蓄清排浑”调度方式，考虑泥沙淤积对水库运行的影响，根据 入库径流、泥沙的时段分布，按照提高水库拦蓄水量，减缓水库淤积的 目标，对水库工程不同的调度运用方式进行了模拟分析比较，提出了改 进工程运行状况的基本思路和途径。 第二章流域概况与水库基本情况 2 流域概况与水库基本情况 2 1 流域概况 夏寨水库位于西吉县城以东约6 公里的夏寨乡夏寨村葫芦河干流上， 控制流域面积4 9 2 k m 2 。流域地处黄土丘陵地貌单元，植被稀疏，水土流 失剧烈。最大海拔高程2 6 3 3 m ，多年平均降水量4 5 0 m m ，其中作物生长 期3 - 6 月降水量占全年降水量的2 8 6 ，为1 0 1 6 7 m m ，汛期7 - 9 月份降 水量占全年降水量的5 9 7 ，为2 1 2 2 3 r a m 。蒸发量9 3 0 m m ( e 6 0 1 型) ， 径流深2 3 m m 左右。水库各月水面蒸发分配情况见表2 1 。 表2 - 1夏寨水库水面蒸发月过程表( 单位：m m ) 月份 1234567 分配比( )2 93 6 7 41 2 11 5 31 5 4 1 2 8 蒸发量 2 7 03 3 56 8 81 1 2 51 4 2 31 4 3 21 1 9 月份 891 01 11 2 合计 分配比( ) 1 1 37 ，55 63 52 61 0 0 蒸发量 1 0 5 16 9 85 2 13 2 52 4 29 3 0 流域葫芦河川道区地势平坦，可耕地资源为丰富，是当地农业和经 济生产的核心区域。长期以来，受水资源短缺和开发条件制约，农业生 产主要以早作农业为主。产量低而不稳，极大地制约了当地优势条件的 发挥。5 0 年代后期，为有效开发利用河道径流资源，减少水土流失，保 证当地农业生产和经济发展需要，当地先后组织修建了各类水库和水保 骨干工程。目前，流域范围水库上游共建有小( 一) 型水库4 座，小( 二) 型水库1 0 座，水保骨干坝1 4 座。各水库情况见表2 - 2 。 西安理_ y - 大学工程硕士专业学位论文 表2 - 2 夏寨上游主要水库一览表 流域面积校核洪水标准 水库名称水库等级 ( 平方公里)( 1 9 9 2 年资料) 黄家川 2 0 1 小( 一)5 0 0 永清清水库小( 一) 大滩 3 2 小( 一)3 0 0 铁家窑2 0小( 一)3 0 0 陈阳j i i 7 4 小( 二) 5 0 0 碱滩 1 1 6 小( 二)3 0 0 华尖坝 1 5小( 二)1 0 0 0 二府营4 7 ，8小( 二)2 0 套子湾 1 2小( 二)1 0 0 罗庄 9 2小( 二)1 0 大庄 1 5小( 二)2 0 龙王坝 6 1 小f 一、 1 0 0 0 短岔 3 0 ，hf 一) 1 0 0 0 甘沟口 8 8 小f 一) 1 0 0 0 2 2 水库改造与水库基本资料 夏寨水库始建于1 9 7 2 年，初始库容1 0 2 0 万m 3 ，为黄土均质坝体。 1 9 7 7 年坝体加高3 5 m ，水库总库容达到1 9 3 5 万m 3 。坝顶高程1 8 9 4 7 9 m ， 长度9 1 0 m ，顶宽4 m ，最大高度2 2 m 。至1 9 9 9 年实测其有效库容为1 1 9 5 万m 3 ，已淤积7 4 0 万m 3 ，防洪标准不足3 0 0 年一遇。原输水建筑物底高 程18 8 1 1 m ，由取水竖井、输水洞、消力池组成。采用螺杆起闭机操作， 平板闸门控制。输水洞为2 2 m 矩形钢筋混凝土压力箱涵，长6 7 2 m ， 设计最大泄水流量4 0m 3 s 。 鉴于水库防洪能力低，供水量少，淤积严重，坝体隐患多等问题， 2 0 0 0 年对水库进行了改造。主要包括加固上游护坡和坝体加固培厚，新 建坝顶防浪墙和泄洪建筑物，以及现输水建筑物改造等。 水库坝体改造根据坝体稳定要求，在现有坝面基础上，采用坝前加 坝方式将坝顶加宽至7 米。同时考虑风浪影响，在坝顶迎水侧增设高l r n 1 4 第二章流域概况与水库基本情况 的防浪墙。另为增加水库泄洪能力，提高防洪标准，新修建了三孔泄洪 洞。泄洪建筑物进口底板高程1 8 8 2 o o m ，进水孔口尺寸为3 孔3 3 6 r n ， 采用平板钢闸门控制。泄洪洞为3 孔3 3 6 m 钢筋混凝土箱涵，洞长5 0 m ， 进口底板高程1 8 8 2 o m ，出口高程1 8 8 1 5 0 m ，设计最大泄量3 0 3 8 2 i l l 3 s 。 原输水建筑物改造维持原有尺寸不变，仅更换闸门及启闭设备。 改造后按照泥沙淤积预测和防洪要求，水库设计总库容1 7 2 9 8 万m 3 ， 新增4 8 2 万1 1 2 3 。水库水位一库容一水面面积及主要泄水建筑物泄流能力 如表2 3 所示，水库设计特征水位和库容情况如表2 4 所示。 表2 - 3 水库水位一库容一水面面积及主要泄水建筑物泄流能力统计表 水位 库容面积输水洞泄洪洞合计泄量 1 8 8 1 100 0o 0 0o0 0o 0 0 1 8 8 2 06 2 11 3 0 89 7 59 7 5 1 8 8 3 04 5 3 11 4 1 61 4 1 6 1 8 8 4 0 8 4 4 0 6 4 4 01 7 5 0o 0 01 7 5 0 1 8 8 5 01 6 9 4 52 0 2 98 6 1 11 0 6 4 0 1 8 8 6 0 2 5 4 5 0 1 0 5 7 02 2 7 51 2 17 81 4 4 5 3 1 8 8 7 03 6 9 0 02 4 9 61 4 9 1 41 7 4 1 0 1 8 8 8 04 8 3 5 01 3 3 3 02 7 o o1 7 2 2 21 9 9 2 2 1 8 8 906 3 8 9 02 8 8 81 9 2 5 42 2 1 4 2 1 8 9 0 07 9 4 3 01 6 7 5 03 0 6 62 1 0 9 22 4 1 5 8 1 8 9 1 09 8 0 3 03 2 3 32 2 7 8 22 6 0 1 5 1 8 9 2 01 1 6 6 3 02 0 4 5 03 3 9 32 4 3 5 52 7 7 4 8 1 8 9 3 ，01 3 8 9 0 0 3 5 4 52 5 8 3 3 2 9 3 7 8 1 8 9 4 01 6 1 1 7 02 4 0 9 03 6 9 12 7 2 3 03 0 9 2 l 1 8 9 5 01 8 6 6 9 5 3 8 3 1 2 8 5 5 93 2 3 9 0 1 8 9 6 02 1 2 2 2 02 6 9 5 03 9 6 72 9 8 2 93 3 7 9 6 1 8 9 7 02 4 0 7 7 04 0 9 73 1 0 4 73 5 1 4 4 18 9 8 02 6 9 3 2 03 0 1 5 04 2 2 53 2 2 1 93 6 4 4 4 1 8 9 8 5 2 8 5 0 o o 3 6 4 4 4 1 8 9 9 03 0 4 50 03 6 4 4 4 1 8 9 9 53 2 2 50 03 6 4 4 4 1 9 0 0 03 4 5 0 0 03 6 4 4 4 西安理工大学x - 程硕士专业学位论文 表2 4 夏寨水库改造设计特征水位及库容情况表 特征水位( 米)库容( 万m 3 ) 名称高程 名称 库容 设计淤泥面 1 8 8 6 ，0 7 淤积库容 2 6 2 6 正常蓄水位 1 8 8 7 4 0 兴利库容 1 6 0 2 设计洪水位 1 8 9 1 8 4 调洪库容 8 7 3 4 0 校核洪水位1 8 9 4 4 6防洪库容 1 4 6 7 2 0 2 3 水库灌溉供水量计算 夏寨水库主要功能是灌溉供水和防洪。灌区种植作为夏粮以小麦为 主，秋粮包括玉米、洋芋、油料、糜谷等。各类作物灌溉供水定额为： ( 1 ) 夏粮：亩产按3 0 0 k g 计算，每亩净需水量按： e = k y( 2 1 ) 计算，其中： e 每亩净需水量( m 3 ) ； k 需水系数，取o 7 7 ； y 每亩产量，取3 0 0 k g 。 计算结果：e = 2 3 1m 3 ，亩。 作物生长期的有效降水量取保证率为7 5 的年份3 - 6 月份降水量为 1 0 1 6 7 毫米，降水效利用系数为0 6 ，则有效降水为6 l 毫米，折合每亩 4 0 7r l l 3 。扣除有效降水后作物灌水定额为： m = 2 3 1 4 0 7 = 1 9 0 3 ( r l l 3 亩) 灌区已完全达到小畦灌溉，故灌溉水利用系数取o 7 ，则夏粮灌溉定 额为： m = 1 9 0 3 0 7 = 2 7 2 ( m 3 亩) 灌溉定额按冬灌一次，生长期灌溉三次计算，则每次净灌溉供水为： m = 19 0 3 4 = 4 7 6 ( r n 3 亩) 毛灌溉供水定额为： 1 6 第二章流域概况与水库基本情况 me = 4 7 6 0 7 = 6 8 ( m 3 亩) ( 2 ) 秋粮：秋粮按三次灌水考虑，玉米、糜谷、洋芋平均为： m = 5 7 ( m 3 亩) ，ma = 4 0 ( m 3 ，亩) ( 3 ) 经济作物：经济作物仍按三次灌溉供水考虑，平均为： m = 5 0 ( m 3 亩) ，m = 3 5 ( m 3 亩) 水库灌区原设计灌溉面积1