在河道上筑坝形成水库后，水深增大，水面坡度变缓，水流流速减小，水流挟沙能力降低，导致水流中的部分悬移质和推移质泥沙沉积在库区内。图G4.8满足自流灌溉引水要求确定死水位示意图库区泥沙淤积的影响因素很多，其规律复杂，因而难以精确计算淤积库容。一般假定泥沙淤积主要在死库容内，且呈水平状增长，并把水库开始运行到泥沙全部淤满死库容，开始影响兴利库容的这段时间，称为水库的正常使用年限。......
2023-06-21
水库泥沙淤积的规律分析及优化对策
【摘要】：以下以三峡水库的数学模型计算结果为例，说明水库淤积规律。图14-18三峡水库淤积过程2.水库淤积过程水库蓄水初期，水面比降平缓，流速小，库容大，特别是死库容大，水库淤积速率大。
水库建成运用后，由于库区水位抬高，水深增加，流速减缓，水流挟沙能力减小，含沙量处于超饱和状态，大量泥沙将淤积在库区。水库泥沙淤积与库区的形态、水库运用方式、入库水沙条件等因素有关。20世纪50年代和60年代，水库泥沙淤积预估主要采用平衡坡降法、三角洲淤积计算法等经验性方法，20世纪70年代以来，建立了一维悬移质不平衡输沙数学模型。以下以三峡水库的数学模型计算结果为例，说明水库淤积规律。
14.5.1.1 水库淤积过程
1.水库蓄水位与库区淤积量的关系
影响库区淤积量的主要因素是防洪限制水位，其次是正常蓄水位和枯水期消落低水位。防洪限制水位是水库新的侵蚀基面，该水位越高，淤积越严重。正常蓄水位越高，汛后水位抬高越多，滩面淤积量越大。枯水期消落低水位越高，库区降水冲刷的能力越弱。
图14-19为三峡水库各方案的代表水位与淤积量的关系，可以看出，同一调度方案下，代表水位与淤积量有较好的关系，即代表水位愈高，淤积量愈大。
图14-18 三峡水库淤积过程
2.水库淤积过程
水库蓄水初期，水面比降平缓，流速小，库容大，特别是死库容大，水库淤积速率大。水库运行头10年，各方案的拦沙率都在70%左右，水库淤积量随代表水位的增高而增大(见表14-7，图14-18所示)。运行50年后淤积速率逐步变缓，变缓的速度随方案的不同而异，一般是代表水位愈高，淤积速率愈慢。随着水库运用年限的增加，库区河槽逐渐与来水来沙相适应，年内与年际间出现冲淤交替状态，直至河槽达到冲淤平衡。175m—145m—155m (正常蓄水位—防洪限制水位—枯季消落低水位，下同)分期蓄水方案约在水库运行80年可达初步冲淤平衡。该方案在运行100年末的淤积量约为170亿m3。
3.水库的长期保留库容
三峡水库运用后，泥沙绝大部分淤积在常年回水区的死库容内，库尾段及滩地上有少部分累积性淤积，使有效库容有所损失，但损失较小，见表14-7。水库运用50年末，各方案防洪库容可保留90%左右;调节库容，除正常蓄水位150m 方案外，其他方案均能保留95%以上。水库运用100年末，各方案防洪库容能保留85%左右;调节库容能保留90%以上。可见三峡水库经过长期运用后仍能保留大部分有效库容供长期使用。
表14-7 三峡水库泥沙淤积数学模型计算成果表
注 175m—145m—155m 方案为分期蓄水方案;初期10 年按156m—135m—140m 方案运行，之后按175m—145m—155m 方案运行，是最后采用的方案。
14.5.1.2 水库排沙比
排沙比是水库拦截泥沙程度的指标之一。排沙比大，水库淤积强度小;排沙比小，水库淤积强度大。三峡水库蓄水初期的排沙比约为30%，其后逐渐增大，当排沙比增至85%以上时，水库达到初步平衡状态 (见表14-8)。排沙比与代表水位也有较好的关系(如图14-19所示)，同一淤积年限，代表水位高，排沙比小。
表14-8 三峡水库各方案排沙比的计算成果(单位:%)
注 175m—145m—155m 方案为分期蓄水方案。
图14-19 代表水位与库区淤积量的关系及排沙比的关系
1—150m—135m—130m;2—160m—135m—145m;3—170m—140m—150m;4—180m—145m—165m;5—180m—150m—160m;6—160m—158m—160m;7—160m—140m—140m;8—172m—142m—155m(分期，控制蓄水);9—170m—145m—160m (推迟蓄水);10—175m—145m—155m (分期蓄水);11—180m—145m—165m (控制蓄水);12—180m—150m—160m (分期蓄水)
14.5.1.3 变动回水区泥沙冲淤规律
天然情况下，三峡水库变动回水区河道汛期因缓流、回流等原因淤积的泥沙，汛后10～11月即可冲走，没有累积性淤积。水库建成运用后，汛期因不受回水影响，仍会发生淤积，但汛末10月水库蓄水，11月维持高水位运用，汛期淤积的泥沙难以被冲走。变动回水区的上段，因受水库回水影响较迟，在汛末冲刷较多;变动回水区的中、下段，冲刷时间将推迟到次年水位消落期，甚至第一涨水期，但很难全部冲走，从而出现累积性淤积。随着水库运用时间的增加，库区淤积增多，河床不断抬高，变动回水区的淤积量也有所增加。
14.5.1.4 水库淤积纵断面
三峡水库为河道型水库，上段河谷较宽阔，下段为峡谷河段，汛期有阻水作用，水库的淤积形态近似三角洲。计算成果表明，175m—145m—155m 分期蓄水方案水库运用20年末，三角洲顶点大约在距坝230～288km 的云阳至万县之间，淤积末端在距坝570km的木洞附近，此后三角洲顶坡平行淤高并向上游淤积延伸，延伸速度与淤积量均不大，但淤积向坝前推进的速度却很快。水库运用50年末三角洲顶点已推进到距坝125km 的巫山附近。80年末库区淤积初步达到平衡，三角洲淤积体推进到坝前，淤积末端上延至距坝约616km，与距坝660km 的正常蓄水位与天然河床平交点相距仍较远 (如图14-20所示)，说明三峡水库淤积末端未出现“翘尾巴”现象。淤积平衡后洲面坡降为0.7‱左右，约为库区天然河道比降的35%。
图14-20 三峡水库淤积纵剖面
14.5.1.5 库区洪水位变化
由于泥沙淤积，库区洪水位抬高，且随着运用年限增加，淤积量的增大，水位不断抬高(见表14-9)。如重庆主城区(朝天门)水位，水库运用30年及100年，频率1%洪水的水位分别为195.94m 和199.09m，较淤积前分别抬高1.64m 和4.79m。由于涪陵至长寿段位于常年回水区上端，受坝前回水影响小，而泥沙淤积对水位影响则较明显，因此淤积后此段水位抬高较其他河段多。
14.5.1.6 三峡水库上游建库对三峡水库淤积的影响
利用数学模型计算研究了上游干支流新建水库的拦沙作用及其对三峡水库淤积的影响，以下为溪洛渡、向家坝、亭子口修建后三峡水库淤积情况。按三峡水库运用12年后金沙江溪洛渡、向家坝水库蓄水运用，三峡水库运用15年后嘉陵江亭子口水库投入运用，进行三峡水库淤积计算。结果表明，向家坝、溪洛渡水库同时运行10～60年，拦沙率为60%～63% (与朱沱站1961～1970年10年平均值3.33亿t比较)，同时运用至90年，拦沙率为46%，朱沱站悬移质输沙量仍未恢复到建库前的状态。亭子口水库运用10年时，北碚站悬移质泥沙较建库前减少约31%，水库运用至90年末，北碚站悬移质泥沙减少18.3%，仍未达到建库前实测值。
表14-9 三峡水库淤积后重庆洪水位抬高值(单位:m)
根据上述三个水库运用后的水沙条件进行三峡水库淤积计算(三峡水库与溪洛渡水库联合调度)。其中三峡水库2003年6月～2006年9月坝前水位按135m 运行，2006年10月～2012 年9 月按156m—135m—140m 运行，2012 年10 月～2102 年12 月按175m—145m—155m 运行。
(1)溪洛渡、向家坝枢纽建成运用后，三峡水库运用100年末库区淤积量约为143亿m3，相当于三峡水库单独运用54年的淤积水平。溪洛渡、向家坝、亭子口枢纽建成运用后，三峡水库运用100年末库区淤积量为131.37亿m3，相当于三峡水库单独运用47年的淤积水平。
(2)溪洛渡、向家坝水库与三峡水库联合运用10年以后，干流库区重庆主城区以上河段减淤作用较大，约减少淤积量65%～84%，朝天门至涪陵河段的减淤作用为30%～27%，嘉陵江库段的淤积约减少12%～24%。
溪洛渡、向家坝、亭子口水库建成运用后，变动回水区库段的减淤作用较大，嘉陵江库段减淤35%～52%，朝天门至涪陵河段减淤45%～49%。
(3)三峡水库的防洪库容和调节库容，在水库蓄水运用前分别为221.5 亿m3和165亿m3。三峡水库建成运用后，水库仍能在较长的时间内保留大部分防洪库容和调节库容。溪洛渡、向家坝和亭子口水库建成运用后，拦截大量泥沙，三峡水库防洪库容和调节库容保留百分数较上游不建库有所增加(见表14-10)。
(4)三峡水库运用100年末朝天门1%、5%、20%频率洪水位，溪洛渡、向家坝水库建成运用后，分别较淤积前抬高3.93m、4.43m、5.21m，较不建库方案低1.24～1.51m。溪洛渡、向家坝、亭子口水库建成运用后，分别抬高3.18m、3.57m、4.20m，较不建库方案低1.99～2.52m (见表14-11)。
表14-10 不同方案三峡水库防洪库容及调节库容保留百分数
表14-11 重庆主城区河段朝天门洪水位变化
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