水库淤积的综合分析及优化建议

水库蓄水后，由于水深加大，流速变缓，水流挟沙能力减弱，悬移质泥沙开始大量淤积，粗颗粒泥沙首先淤积在库尾，然后由粗到细沿程分选淤积至坝前。随着运用年限的增加，淤积体不断向坝前推进，并向库尾延伸，床面不断抬高。但淤积以向坝前推进为主。随着淤积的发展及淤积达到一定程度之后，泥沙淤积便逐渐趋于平衡状态。

水库蓄水后，根据水库泥沙冲淤变化的特点和研究库区泥沙冲淤变化规律及其影响的需要，常常把库区分为常年回水区和变动回水区。常年回水区受坝前壅水影响，水深大、流速缓、水流挟沙能力弱，泥沙多集中此段淤积。变动回水区，受回水影响小，当汛期坝前水位降低时，此库段仍处于天然状态，仅汛后蓄水时，才受回水影响，因此此段泥沙淤积较少，仅边滩有少量累积性淤积。这是水库淤积分布一般规律。

（一）水库的纵向淤积分布

在水库泥沙淤积发展过程中，其淤积分布多由淤积纵剖面形态来反映。水库淤积纵剖面一般呈现三种基本类型，即三角洲、锥体及带状淤积形态。在水库运用过程中，影响水库纵向淤积形态的因素是多方面的。

水库泥沙淤积分布是比较复杂的问题，其影响因素比较多，有坝前水位及其变化，库容大小、水库地形，来水来沙过程、数量以及泥沙颗粒级配组成等。而以坝前水位的变化和库容的大小与库区地形为主要影响因素。

当水库坝前水位变幅较大，水库淤积呈现均匀分布，往往形成带状淤积体。水库的库容较小，壅水较低，泥沙很快运行到坝前，其淤积形态多为锥体。当坝前水位变化不太大，水库的库容相对较大，且来沙多、颗粒粗，库区泥沙多以三角洲形态淤积，其三角洲淤积体不断向前发展，向后延伸及向上抬高。其次，库区形态及来水来沙数量和泥沙粒径的粗细，对库区淤积形态的发展，有加速或延缓形成的作用。如库区为湖泊型，来沙多且粗，库区较易形成三角洲淤积体。库区如为河道型，形成三角洲淤积体则较缓慢。

以上水库悬移质泥沙淤积体的三种基本类型，既是水库在不同运用条件下，泥沙淤积在纵向分布的实际反映，同时也反映了水库整体淤积状况。

从现有水库淤积的实测资料分析，影响水库淤积量及淤积分布的决定因素，主要是水库的运用方式和库区地形条件。

丹江口水库是一座具有防洪、发电、灌溉、航运等综合效益的大型水库，正常蓄水位为157m，防洪限制水位为149.0～152.5m，死水位为139.0m。1960～1967年为第二期施工阶段。1968年开始蓄水至1980年运用期间，正常运用年限较短，尤其是1976～1979年为超低水位运行，1980年以后水库运行基本正常。从实测汉江库区淤积资料分析，第二期施工阶段为带状淤积形态。1968～1986年运行期间，汉江库区淤积纵断面从外形看，既非明显三角洲形又非锥体淤积，见图3-11。造成这种形态的原因主要有两点：其一，由于库区地形为宽窄相间，使纵向淤积不连续，淤积厚度沿程不规则；其二，由于坝前水位变幅过大，使变动回水区由60km增至92km，纵向淤积无法形成稳定的床面。从1968～1994年的实测资料分析，汉江库区淤积量为9.23亿m3，主要集中在坝址至油坊沟长约117km的常年回水区库段，其淤积量为8.79亿m3，占汉江库区的95.2%。而油坊沟以上长约60km变动回水区的淤积量仅占4.8%。变动回水区上段处于冲淤交替状态。

葛洲坝水库正常蓄水位66m以下的库容为15.8亿m3。从1981年开始蓄水到1986年5月，坝前水位为60.0～63.5m。1987年汛期以后坝前水位为66.5m。由于坝前水位变幅小，长江水量大、沙量多，从1981～1992年葛洲坝库区泥沙淤积已达到淤积相对平衡，全库区淤积量为1.46亿m3，其中坝址至秭归长76km为常年回水区，累积淤积量为1.53亿m3，秭归以上112km为变动回水区，1981～1992年累积冲刷285.5万m3（见表3-20）。库区淤积纵断面形态为与原河床起伏相似的锯齿状（图3-24）。

从丹江口水库排沙量、淤积量与库容比等方面分析，全库区泥沙淤积还远未达到相对平衡，目前水库的纵断面形态仅为过渡性质的淤积形态，今后还将继续调整。葛洲坝水库的库容与入库径流量的比值很小，坝前水位全年保持在同一水位，库区淤积已达到相对平衡，库区淤积纵断面为与原河床起伏相似的锯齿状。达到淤积平衡的水库可以大渡河的龚嘴水库为例^[8]。龚嘴水库距大渡河口87km，为河道型水库，正常蓄水位528m相应的库容为3.45亿m3，库面平均宽330m，回水长度42km，原河床比降为1.4‰，床沙中值粒径为120～200mm。入库泥沙的悬移质为主，另有相当数量推移质。1971～1972年8月水库开始运用，由于坝前水位变幅较大，全年变幅为12.6～36.9m，库区出现带状淤积。但1972年8月以后，库区水位较为稳定，全年平均变幅仅为0.8～2.6m，有利于库区出现三角洲淤积。1973年4月，洲头起始位置尚距坝22.7km，此后洲头平均每年以2.07km的速度向前推进，至1983年基本到达坝前（图3-29）。

分析丹江口水库等国内水库资料，得出判别淤积形态的经验公式^[9]：

图3-29　龚嘴水库淤积纵断面（高程：m）

决定水库淤积纵向形态的关键指标之一是泥沙淤积百分数式中S0和S分别表示河段进口断面和其下游某一断面的含沙量）。根据悬移质不平衡输沙理论，只有当水库淤积百分数λ小于某个数值后才能维持坝前淤积最厚，从而形成典型锥体。对于典型的三角洲淤积，必须壅水较高，水库淤积百分数λ大于三角洲淤积百分数（一般在0.6～0.85之间），并且坝前水位变幅必须小于某个数值。对于典型带状型淤积的条件，除淤积百分数要较大外，变动回水区的长度一般要达到水库长度的0.5～0.6倍以上^[10]。

（二）水库的横向淤积分布

水库淤积在横断面上的分布影响因素也很多，主要与水库地形、河势、断面所在的部位、水库运用方式、来水来沙条件等因素有关。根据丹江口、葛洲坝等水库实测资料分析，水库淤积在横断面上的分布，主要有4种基本类型：淤槽为主、淤滩为主、沿湿周等厚淤积、水平淤积。在水库淤积过程中，不同库段横断面淤积分布形态也是不同的。如在常年回水区坝前段，由于水深大、流速小、泥沙颗粒细，横断面一般呈水平淤积。当河宽比较大时，泥沙往往沿湿周均匀分布。在常年回水区上段，受回水影响小，滩地水深远较主槽为小，因此横断面以淤槽为主，两岸滩地淤积较小。当河宽较小时，横断面可能会呈现水平淤积。在变动回水区，由于汛期仍具有天然河道的冲淤特点，蓄水期又成为水库的一部分，因此河道冲淤具有周期性的变化，使横断面往往以淤滩为主，使滩槽高差明显增大。

以上是水库淤积在横断面上的分布形态的基本类型。不同的水库具有不同的特点，横断面淤积形态亦不相同，即使是同一水库随着运用年限增加，横断面淤积形态也会不断调整互相转化。

（三）水库的淤积末端

1.水库淤积末端的变动

水库蓄水后，泥沙大量淤积于库区。随着淤积的发展，淤积体不断向坝前推进，并向库尾延伸，当淤积终止于库尾某一位置时，则称为淤积末端。在库区泥沙淤积发展过程中，淤积末端是不断变化的。

图3-30　水库回水与淤积相互作用的示意图

假定库水位维持为最高库水位不变，入库水沙条件也不变，随着库区泥沙淤积，水库淤积末端将上延发展。若淤积前河床为At0，相应的回水曲线为A't0，回水末端为0点（图3-30）。挟沙水流进入回水段后开始淤积，到t1时，河底淤成为At1，淤积末端为A1，相应的回水曲线为A't1，回水末端上延至1点。回水段1～0的水面比降变缓，水深增加，流速减小，淤积末端从A1点上延至A2。与新淤河底At2相应的回水曲线为A't2，回水末端上延至2点。由此可见，回水和淤积的相互作用造成淤积末端的上延。

假定库水位并非固定不变，在库水位下降后，上述回水范围内形成的淤积体，若仍部分或全部未被冲掉，当该淤积段脱离回水影响以后，淤积体对其上游河段起着局部壅水作用，并导致发生泥沙淤积和比降调整，从而造成水库淤积末端上延，甚至可能超过原来的库水位。当水库淤积达到极限平衡时，水库淤积末端上延和库区淤积形态如图3-31所示。(www.xing528.com)

图3-31　水库淤积末端的示意图

从上述两种情况分析，水库淤积末端上延并可能超出最高库水位。假定最高库水位与原河床纵剖面的交点作为回水末端初始淤积的起点，若淤积末端上延至该点上游，通常称为水库淤积出现“翘尾巴”现象。由图3-31可见，“翘尾巴”的程度与淤积平衡河床的比降Jk及原河床比降J0的比值及库区新河床侵蚀基面与原河床的高差（以淤积前后坝前水深比值h/H表示）有关。对同一侵蚀基面而言，JK/J0比值越小，则淤积末端距大坝越近，“翘尾巴”程度越轻；若JK/J0比值越大，淤积末端距大坝越远，“翘尾巴”程度越严重。

水库淤积末端上延情况，常以淤积末端上延系数表示。

式中：L为淤积末端距坝距离（km）；L0为最高库水位与原河床的平交点距坝距离（km）；ΔH为淤积末端与最高水位的高程差（m）；H为最高库水位与坝址河底高程差（m）。

表3-26列出了我国部分水库淤积末端上延情况［7］。从表中看出，一部分水库出现“翘尾巴”现象。

表3-26　我国部分水库淤积末端的上延情况

2.影响水库淤积末端变动的因素

影响水库淤积末端变动的因素比较多，主要有坝前水位、水库运用方式、水库变动回水区地形条件、原河道的坡降及河床组成、来水来沙及泥沙粒径等因素。

坝前水位和水库运用方式是影响水库淤积末端是否上延的重要因素。在相同的库区地形、来水来沙相同条件下，对担负防洪等任务的综合利用水库，例如汉江丹江口水库，汛期库水位一般降至防洪限制水位，以利调蓄洪水，变动回水区水面比降加大，相应发生冲刷，限制了水库淤积末端的上延。长江葛洲坝枢纽担负着改善航道和发电任务，库水位全年保持66m，因此汛期流量增大，回水末端下移，变动回水区水面比降加大，相应发生冲刷，限制了水库淤积末端的上延。

库区河道地形及河床组成对水库淤积末端的上延影响比较大，尤其变动回水区的河谷形态，当变动回水区位于由卵石和基岩组成的峡谷河段时，天然河床比降大，水流挟沙能力有富余，水库蓄水后，泥沙淤积末端将远离回水末端。如丹江口和葛洲坝水库，变动回水区中上段均为峡谷段，河床由卵石和基岩组成，原河床坡降比较大，水流输沙能力强。水库运用多年后，变动回水区上段基本上无累积性淤积，淤积末端变化不大。

（四）水库的糙率

在计算水库回水曲线时，一般使用下列水流阻力公式：

式中：U为平均流速；h为平均水深；J为水面比降；n为糙率系数，或简称糙率。

糙率的选定对水库回水曲线计算精度有重要影响。天然河道的糙率可分为3部分，即岸壁糙率、床面糙率和河床形态糙率。岸壁糙率与河岸的土质组成和岸壁平整程度有关。床面糙率与床沙粒径、沙波尺度和床面局部形态有关。河床形态糙率主要指河道平面和垂向形态变化引起的糙率，受河宽的沿程收缩或扩大、弯道以及局部深槽等因素影响。由上述3部分组成河道的综合糙率，其中岸壁糙率和床面糙率在综合糙率中所占的比例主要取决于河道横断面宽度与深度的比值。水库的综合糙率除具有天然河道糙率的特点外，在水库淤积过程中不断变化，最终形成淤积平衡后的糙率。根据丹江口、葛洲坝水库实测资料，水库的综合糙率有如下特点^[11]。

（1）常年回水区的糙率较建库前明显减小。例如丹江口水库汉江常年回水区，邓家湾—榆树林（距坝100.08～105.29km）和榆树林—蛤蟆口库段（距坝105.29～113.13km），建库后综合糙率和淤积厚度变化见图3-32，自1967～1985年，综合糙率较天然情况减小26.1%～61.5%。葛洲坝水库蓄水后1982年常年回水区（香溪至坝址全长69.1km）的综合糙率较建库前1979年明显减小，其中太平溪至南津关库段（长41.3km）由0.0647～0.067减小至0.0503～0.0527，平均减小20%左右。

（2）常年回水区与变动回水区交替段的综合糙率较天然情况减小。丹江口水库汉江库区蛤蟆口—油坊沟（距坝113.13～117.11km）和油坊沟—辽瓦店库段（距坝117.11～123.79km），建库后综合糙率和淤积厚度见图3-33，自1967～1985年，综合糙率较天然情况减小30.4%～44.6%。

（3）变动回水区中、上段的糙率较建库前变化不大。丹江口水库汉江库区王家湾—灵牌石库段（距坝138.5～147.17km），床面组成虽较建库前变细，但主要仍为卵石、砾石和粗沙，且河床形态改变不大，蓄水后其综合糙率较天然情况变化不明显。1967～1985年其综合糙率变化不大（图3-33）。又如葛洲坝水库香溪以上的变动回水区，蓄水后1982年的综合糙率较蓄水前1979年无明显变化。

图3-32　水库糙率与淤厚的变化过程

图3-33　水库各段糙率与淤厚的变化过程