变动回水区水文泥沙的影响分析

2023-08-23 理论教育版权反馈

【摘要】：从丹江口水库变动回水区泥沙冲淤情况来看，当坝前水位较低，变动回水区相应河段回水消失，即发生冲刷。

水库变动回水区是指在一段时间内受水库回水影响、另一段时间内回水消失的河段，一般位于水库的上（中）段，指水库正常蓄水位回水末端（图14.20中点A）与最低水位回水末端（图14.20中点B）之间的河段。水库变动回水区具有水库和河道两重性，水库入库流量小时为水库，入库流量大时则恢复为天然河道。

水库蓄水后，中枯水期变动回水区河道水位沿程抬高，流速普遍减小，河道的输沙能力随之降低，其水流运动和泥沙输移特性将发生较为明显的变化。主要体现在两个方面：一是水力条件变化，包括水位抬高、水面比降变缓和水流流速减小等；二是泥沙冲淤特性，变动回水区内宽浅河段（往往是浅滩所在地）在蓄水前一般表现为汛期淤积，汛后冲刷，泥沙年际冲淤基本平衡，但蓄水后水库蓄水缩短了汛后冲刷时间，汛期淤积的泥沙在汛末不能全部冲走，河段将发生累积性淤积，泥沙冲淤特性随着水库坝前水位的高低而发生相应变化。

14.5.3.1　对水力条件的影响

水库蓄水后，变动回水区同流量下水位抬升，水面比降变缓，水流流速减小。如在三峡工程135～139m围堰发电期（2003年6月至2006年8月），清溪场站（距三峡大坝约473.8km）位于三峡水库变动回水区末端，中高水时水位～流量关系无明显变化，但入库流量较小时，水位～流量关系则发生了一定的变化，同流量下水位略有抬高；2006年9月20日三峡工程156m蓄水后，清溪场站水沙特性受蓄水影响明显，水位～流量关系发生较大变化，同流量下水位抬升明显（图14.21）。

图14.21　三峡水库135～139m蓄水期清溪场站水位流量关系图

如位于葛洲坝变动回水区内的扇子碛，在1987年葛洲坝二期工程运行后，当入库流量小于20000m3／s时，扇子碛明显受到回水影响。当流量小于12400m3／s时，最大流速随流量减小而减小，比降亦随之减小（与蓄水前变化趋势相反）。碛面最大流速2.65～3.96m／s，最大比降2.21×10－4～4.23×10－4，都小于蓄水前。

在三峡工程135～139m运行期间，处于水库变动回水区内的土脑子河段（图14.22），位于三峡库区涪陵珍溪镇至南沱镇之间，上起五羊背凸嘴上游500m的蔡家滩，下止鹭鸶盘，长约3km；该河段下距三峡大坝456.1km，为分汊河段，两岸由坚硬的岩石组成，床面绝大部分为砂卵石覆盖。天然情况下，本河段洪枯水河宽差别较大，枯水期水面宽约300m，洪水期一般洪水河宽大于1000m，最大河宽达1600m。

图14.22　三峡水库变动回水区土脑子河段示意图

三峡水库蓄水前，土脑子河段在流量为16000m3／s时比降最大，约为2.95×10－4，当流量大于16000m3／s时，随着流量的增大，比降逐渐减小，如流量为30000m3／s时，比降减小为1.73×10－4；当流量小于16000m3／s时，随流量减小，比降也逐渐减小，如流量为5000m3／s时，比降减小至2.40×10－4。蓄水后，河段水面比降随流量变化规律虽未发生变化，但同流量下比降减小34%～75%，蓄水前后的比降变化见表14.27和图14.23。

表14.27　三峡水库蓄水前后土脑子河段水面比降变化表

图14.23　三峡水库蓄水前后土脑子河段水面比降变化

同时，由于水库壅水，土脑子河段水深增加，过水面积增大，断面流速减小。表14.28为蓄水前后S252＋4断面的流速变化成果。由表可见，在枯季坝前水位139m下，流量5000m3／s时的断面流速较蓄水前减小了81%；在汛期坝前水位135m下，流量20000m3／s、40000m3／s时的断面流速较蓄水前分别减小了10.9%、7.5%。

表14.28　三峡水库蓄水前后S252＋4断面流速变化表

在消落期，由于水库水位下降，水深变浅，过水面积减小，断面流速增大。如入库流量为14500m3／s，坝前水位为138.5m时，土脑子河段S252断面的平均流速为1.48m／s；当坝前水位降低到135.5m时，S252断面的平均流速增加到1.61m／s。

14.5.3.2　对泥沙冲淤特性的影响

水库变动回水区的泥沙冲淤特性除与入库流量、含沙量及水库地形有关外，起决定作用的还是坝前水位，坝前水位的高低和变化使变动回水区不同的河段遭受不同的回水影响，泥沙冲淤特性也有所差异。

（1）丹江口水库变动回水区。丹江口水库汉江干流库区的变动回水区系峡谷段，河床自然坡降大，水流输沙能力较强，汛期多处于自然河道状态，在涨水初期及水库消落期河道发生冲刷，将蓄水期淤在本段的泥沙冲向常年回水区，限制了水库淤积的上延及“翘尾巴”的出现。水库蓄水后，汉江干流库区1968～1989年淤积量达9.3亿m3，其中变动回水区淤积量为6148万m3，仅占全库区淤积量的6.6%。变动回水区下段的淤积量占整个变动回水区淤积量的94%，其上段不仅没有淤积还出现了冲刷，年际间冲淤交替（表14.29）。

表14.29　丹江口水库汉江干流库区沿程历年冲淤量分布统计　单位：万m3

注　表中“＋”为淤积，“－”为冲刷。

从丹江口水库变动回水区泥沙冲淤情况来看，当坝前水位较低，变动回水区相应河段回水消失，即发生冲刷。从坝前水位升降过程及冲刷特性看，可分为两种冲刷。

1）充水过程的冲刷（简称充水冲刷）。充水冲刷一般发生在洪峰入库，它属于一种沿程冲刷，与一般沿程冲刷的差别是由于洪水入库，库水位不断提高，冲刷逐渐减弱。

2）消落冲刷是当坝前水位下降，回水末端逐渐下移，而形成的冲刷前淤积物的现象。这种冲刷的特点是：冲刷时间长（从11月开始至次年4月），冲刷河段长（变动回水区中下段均会陆续出现这种冲刷），上冲下淤逐渐向下发展而冲刷量逐渐增大。

（2）葛洲坝水库变动回水区。葛洲坝库区从坝前到奉节关刀峡口，全长约210km。水库蓄水后，库区具有“汛期是河道，枯季是水库”的基本特性，即枯季库区水力因素减弱较多，其水流挟沙能力较小，开阔段比峡谷段更小；而汛期虽有减少但较蓄水前而言减小甚微，仍保持着天然河道的水流特性。

1981～1998年，库区共淤积泥沙1.01亿m3。就库区形态而言，开阔段（80.16km）是主要的淤积库段（表14.30），该段淤积量（1981～1998年）占全库区总淤积量的90.3%；峡谷段（87.54km）和过渡段（42.2km）仅占9.7%。就库区回水影响而言，常年回水区（76km）是主要的淤积库段。

表14.30　葛洲坝水库各库段累积冲淤量统计表　单位：万m3

注　表中“＋”为淤积，“－”为冲刷。

葛洲坝水库变动回水区在1982年达到淤积相对平衡，淤积量达到最大，为0.2615亿m3，之后则出现了长时间的冲刷过程，累积最大冲刷量为0.1122亿m3。总的来说，进库段仍基本保持天然条件的冲淤变化特征，变动回水区比常年回水区先达到淤积平衡，峡谷段比开阔段先达到淤积平衡。

（3）三峡水库135～139m运行期变动回水区。三峡水库在135～139m蓄水运用期间，水库变动回水区位于丰都—李渡段，全长约66.4km，属山区性河道，河道两岸多为山石组成，岸线比较稳定，故断面变化主要表现为垂向冲淤，其冲淤形态取决于河道形态、位置和水流条件。河道在平面上呈S形（图14.24）。本河段内最大支流乌江从涪陵南岸汇入长江。

图14.24　三峡库区李渡—丰都河段示意图

根据蓄水前地形观测资料分析，1996年12月至2003年3月，丰都至涪陵河段（长55.1km）总淤积量为225万m3，年均淤积强度为1.02万m3／（km·a），其中主槽淤积96.3万m3，表现为滩槽均淤。

2003年6月三峡水库蓄水运行后，受长江寸滩以上及乌江来水、来沙和三峡水库调度的影响，李渡—丰都河段从2003年3月至2006年10月，河段略有冲刷，冲刷量为47万m3，冲刷以主槽为主，但中高滩部分则有所淤积。而2003年10月至2005年10月，总冲刷量为1614万m3，其主槽冲刷量占总冲刷量的96%，冲刷主要集中在2004年汛期；2005年10月至2006年10月淤积泥沙642万m3。

李渡—丰都河段深泓纵剖面有冲有淤。除个别位置冲淤变化较大外，其余河段深泓冲淤幅度均较小，一般在1.0m以内；2003年10月至2005年10月河段内深泓最大淤积幅度20.9m，位于土脑子河段，距离三峡大坝457.8km；深泓最大冲刷深度为9.4m，距离三峡大坝459.2km。

位于三峡水库135～139m运行期变动回水区内的土脑子浅滩段，在三峡水库蓄水前受河道边界条件制约及来水、来沙影响，主要表现为汛期淤积、汛后冲刷，年际冲淤基本平衡，故多年来枯水期断面比较稳定。

三峡水库蓄水后，土脑子河段冲淤变化规律发生了明显变化，受入库流量、坝前水位的变化，年内冲淤过程由原来的汛期淤积、汛后冲刷变化为4个阶段，包含两个淤积阶段，即上年末至本年消落之前的淤积阶段、汛期的淤积阶段；两个冲刷走沙阶段，即汛末及汛后的冲刷阶段、消落期的冲刷阶段。从总体来看，主要表现为：

①累积性淤积，如2003年3月至2005年12月净淤积泥沙437.6万m3。

②冲淤过程受入库流量和坝前水位影响较大，坝前水位愈低，河段流速、比降愈大，则冲刷量愈大。

如2004年5月1～20日、5月26～30日，入库平均流量均为10000m3／s，但5月1～20日坝前平均水位为138.18m，土脑子河段冲刷强度为1.05万m3／（km·d）；5月26～30日坝前平均水位降到137.1m，河段冲刷强度增加到7.68万m3／（km·d）。若坝前水位升高，回水末段上移，土脑子河段流速、比降减小，河床发生淤积，如2004年3月27日至4月30日，坝前水位由136.48m抬升至138.13m，土脑子河段淤积量达98.8万m3。

变动回水区水文泥沙的影响分析

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