赫振平

（冊田水庫管理中心，山西 大同 037300）

在河道上興建水庫必然會改變河流的水流條件和泥沙運動狀態(tài)，水庫淤積研究就是為了掌握水庫的淤積特性和沖淤的動態(tài)發(fā)展，有效控制水庫泥沙淤積，延長水庫使用壽命，提高水庫的效益，為水庫調(diào)度運行以及除險加固提供科學(xué)依據(jù)。黨的十九大指出，必須樹立和踐行綠水青山就是金山銀山的理念，要求把水庫生態(tài)調(diào)度納入到現(xiàn)行的水庫運行管理當(dāng)中，水庫淤積研究也成為水庫生態(tài)調(diào)度，保護河流生態(tài)系統(tǒng)的一個重要課題[1]。

同時，由于2018年冊田水庫除險加固工程設(shè)計對水庫原始的特征水位、水閘高度等作了較大的修正，水庫非常溢洪道六孔閘門由舊閘的6 孔12m×9.6m（b×h）弧形閘門變更為12m×7.6m，門高降低了2m，水庫設(shè)計洪水位由957.57m 變更為957.07m，這些較大改動的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一就是通過推算遠(yuǎn)期水庫泥沙淤積庫容進行調(diào)洪演算得到的。因此，為慎重起見，對水庫的泥沙淤積重新進行復(fù)核計算。

1 工程概況

冊田水庫位于海河流域永定河水系，是桑干河干流上山西省出境控制性工程。壩址以上控制流域面積1.67萬km2，占下游官廳水庫以上總流域面積的38.5%。水庫大壩為均質(zhì)土壩，壩頂高程962m，最大壩高42m，總庫容5.8 億m3，是山西省唯一一座全國重點防汛水庫。

水庫始建于大躍進時期的1958年，當(dāng)時規(guī)劃的主要任務(wù)是農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電以及為下游官廳水庫防洪攔沙延長其使用壽命。1992年第一次除險加固工程完成后，水庫的任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑篮闉橹?，同時兼顧大同市供水、灌溉，為北京市輸水的任務(wù)。2018年除險加固工程對原設(shè)計指標(biāo)進行了調(diào)整，正常蓄水位956m，設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，相應(yīng)水位957.07m，校核洪水為2000年一遇，相應(yīng)水位960.04m。

桑干河是山西省五大主要河流之一，流域多年平均降水量380.8mm，河道平均縱坡3.3‰，河床糙率0.03，河型為寬淺式的游蕩型河流。流域多年平均實測輸沙量303萬t，多年平均輸沙模數(shù)547 t/(km2·a)，輸沙主要集中在汛期，約占年輸沙總量的80%。冊田水庫壩址上游桑干河干流總長241km，河床土質(zhì)為粉砂土，穩(wěn)定性差，干流屬于不穩(wěn)定河槽（沖淤河槽），各支流除渾河由細(xì)泥沙組成外，其余由砂卵石組成。

2 泥沙淤積分析

水庫淤積是一個長期的過程，水庫淤積是入庫徑流對水中不同粒徑泥沙分選的結(jié)果。一方面，在水庫回水末端區(qū)由于水的流速迅速遞減，卵石、粗沙等推移質(zhì)首先淤積，隨后懸移質(zhì)中的大部分床沙質(zhì)沿程沉淀形成三角洲，過三角洲后由于水面擴大水流的紊動強度銳減，懸移質(zhì)中剩余的床沙質(zhì)淤積在壩前，當(dāng)洪水的含沙量較大時，也可能形成異重流，如果適當(dāng)利用，可大大減少水庫的淤積；另一方面，淤積過程使水庫回水曲線不斷抬高，淤積末端逐漸向上游伸延，但整個發(fā)展過程隨時間和距離逐漸減緩；最終，在回水末端以下，直到攔河壩前的整個河段內(nèi)，河床將建立起一種新的平衡[2]。

2.1 庫區(qū)淤積形態(tài)

2.1.1 縱向淤積形態(tài)

由水庫泥沙淤積縱斷面變化（見圖1）分析，水庫淤積縱向形態(tài)大致可分成4 個區(qū)：

第一區(qū)：壩前約10km，多年處于庫水位變動范圍的下部，本區(qū)為水庫的主要淤積區(qū)，受庫水位與河道地形的限制，泥沙淤積成漏斗狀，壩前淤積最為嚴(yán)重、最大淤積厚度達(dá)25m，淤積高程達(dá)945m。此區(qū)平均淤積寬度約1350m，淤積量約占總淤積的47%。

第二區(qū)：壩前10～18km，本區(qū)位于庫水位變動范圍之內(nèi)，淤積面基本和原始河道底坡平行，屬帶狀淤積的輸沙平衡區(qū)，最大淤積厚度10.1m，平均寬度約1560m，淤積量約占總淤積的26%。

第三區(qū)：壩前18～25km，本區(qū)位于庫水位變動的上部，是豐水年庫水位運行區(qū)，屬淤積三角洲。在1985年以前淤積三角洲位于第二區(qū)中部，以后淤積三角洲逐漸后移。主要是由于水庫建成后被評定為全國首批43 座病險庫之一，水庫在建庫后的前30年時間里一直保持低水位運行，運行水位為945m～951m 之間，1992年水庫第一次除險加固工程完成后，逐步提高蓄水位，水庫開始維持在較高水位運行。本區(qū)最大淤積厚度7.9m，平均寬度約1480m，淤積三角中部凸出約1.2m，淤積量約占總淤積的20%。

第四區(qū)：壩前25～32km，此區(qū)雖然處于壩頂高程以下庫區(qū)范圍，但是由于水庫水面從未上升至此區(qū)，本區(qū)主要屬天然河道的沖淤，淤積最大厚度約4.8m，斷面最小平均淤積厚度約1.6m，淤積量約占庫區(qū)總淤積量的7%。

圖1 冊田水庫泥沙淤積縱斷圖

2.1.2 橫向淤積形態(tài)

水庫淤積的橫向形態(tài)基本上是對原河道斷面的沖淤變化。由于自1995年以后，除1996年最大入庫洪 峰 為506m3/s，1998年 為201m3/s，2003年 為310m3/s 外，最大入庫洪峰均在100m3/s 以下，因此庫區(qū)兩岸處于穩(wěn)定狀態(tài)，河道的水流形態(tài)基本沒有大的改變，淤積斷面逐年上抬，在最高蓄水位以下水庫淤積橫向產(chǎn)生平衡的效果。

第一、二、三區(qū)淤積形態(tài)在橫向上基本呈均勻性的水平狀，寬度逐年增寬；第四區(qū)由于處于庫水面以上，受水庫回水影響較小，因此河道橫斷面存在明顯的深泓線，淤積橫向沖刷狀態(tài)較為明顯，淤積厚度比其他三區(qū)大為減少。庫尾固定橋橫斷面淤積變化見圖2，庫尾固定橋斷面平均淤積厚度約1.6m，淤積速率約3 cm/年。由于近年來天然徑流與入庫洪峰的逐年減小，第四區(qū)的深泓線深度一般為1m 以下、最大不超出2m，這些深泓線與沖溝在第二區(qū)就基本上消失了。

2.2 淤積的時效性

2.2.1 淤積速率

由水庫年淤積、徑流、洪峰、降雨量過程線圖3 可知，年淤積速率減小趨勢明顯，20 世紀(jì)60年代年平均淤積量為1294萬m3，70年代為523萬m3，80年代為320萬m3，90年 代 為57.2萬m3，2000—2009年 為57.7萬m3。特別是從1983—2009年26年間，水庫淤積維持在較低水平，其年均值僅為57.5萬m3，僅為建庫初期的4.4%，說明庫區(qū)淤積速率總趨勢急劇減小的同時也愈來愈趨于平緩。

2.2.2 淤積過程峰值

由水庫淤積、徑流、洪峰、降雨量過程線（見圖3）可知，與水庫天然徑流的峰區(qū)相對應(yīng)水庫淤積明顯存在兩個峰區(qū)，其中，1967—1969年3年淤積量為6370萬m3，1978—1981年4年淤積量為4718萬m3，兩次淤積總量約占水庫總淤積的50%。水庫從1960年開始攔洪至1983年的24年間累計淤積量占總淤積量的94.1%，水庫的淤積從此開始減少且平緩，1983年以后26年的累計淤積量僅占總淤積的5.9%。

圖2 庫尾（固定橋）橫斷面淤積變化圖

圖3 淤積、徑流、洪峰、降雨量過程線

2.2.3 淤積分高程的時間分布

由淤積分高程分布圖4 可知，在1982年以前水庫淤積主要集中在954m 以下，954m 以下淤積約占當(dāng)時總淤積量的93%。分析原因，主要是1960年水庫開始攔蓄洪水，至1975年15年間，當(dāng)時大壩壩頂高程僅為953.6m，水庫蓄水水位維持在940m～944m之間；1975年水庫二期擴建工程完工后，大壩加高至961.5m 高程，至1980年庫水位一般為950m～953m，這是前期淤積分布在954m 以下的主要原因；1982年以后，由于庫水位的逐年提高，水庫淤積主要集中在954m 以上，至1997年庫水位上升至正常水位956m（期間1995年10月達(dá)到歷史最高水位956.52m），同時這一時段的徑流與洪峰均有較大的減小，因此淤積逐步后移，這是后期水庫淤積主要分布在954m 以上的主要原因。

圖4 淤積分高程分布圖

2.3 水庫輸沙量分析

桑干河輸沙有懸移質(zhì)、推移質(zhì)和躍移質(zhì)，水文觀測資料僅限于懸移質(zhì)。水庫入庫泥沙數(shù)據(jù)[3]是由冊田水庫庫尾固定橋水文站實測入庫水量及懸移質(zhì)輸沙量乘以冊田水庫流域面積與固定橋流域面積（15803km2）之比求得，推移質(zhì)按實測懸移質(zhì)的10%計算。經(jīng)統(tǒng)計計算，水庫從1960 開始攔洪，至2004年45年間入庫泥沙系列均值為1041萬t，變差系數(shù)為1.9。其中，最大來沙年發(fā)生于徑流量最大的1967年，入庫泥沙為12041萬t（其中懸移質(zhì)11149萬t，推移質(zhì)892萬t），占45年總?cè)霂炷嗌沉康?5.7%。

由表1 可知，水庫平均入庫泥沙（懸移質(zhì)與推移質(zhì)之和）從20 世紀(jì)60年代的3203萬t，至2004年減少到43萬t，減少比例為98.6%；平均徑流量由26714萬t，減少至6219萬m3，約減少76.7%。

表1 水庫年入庫輸沙量與平均徑流量表

河道輸沙量隨不同年代入庫徑流量逐漸減少，入庫泥沙（懸移質(zhì)與推移質(zhì)之和）總的趨勢呈現(xiàn)減少趨勢，而且入庫泥沙的減小幅度逐漸變大，同時入庫泥沙比的年徑流減小幅度更大。含沙率隨天然徑流的的減小而減小，平均含沙率由20 世紀(jì)60年代的119.8 kg/m3減少至6.9 kg/m3，約減少94.2%。因此，入庫泥沙與徑流的含沙率大為減小這一現(xiàn)象說明，從20 世紀(jì)70年代以來桑干河中上游流域進行的大規(guī)模的水土保持與河道治理工作作用明顯，成效顯著。

2.4 相關(guān)分析

由于水流是泥沙的載體，有必要根據(jù)相關(guān)系列開展入庫水沙量相關(guān)分析。表2、表3 中天然徑流為經(jīng)還原計算后的入庫徑流，實測徑流和入庫洪峰為水庫庫尾固定橋水文站實測值，降雨量為庫區(qū)上游艾莊水文站實測年降雨量。水庫年淤積量與天然徑流、實測入庫徑流、年最大洪峰、擬降雨量的相關(guān)系數(shù)見表2。

由表2 中各數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析可知，除年降雨量的相關(guān)性較差外，其余四者總體上相互均有較好的線性相關(guān)關(guān)系。

表2 相關(guān)性計算

表3 回歸分析計算

由回歸分析得出如下關(guān)系式：

式中，V（t）為年淤積量，萬m3；Q1為年還原后在天然徑流量，萬m3；Q2為年實測徑流量，萬m3；Q3為年入庫最大洪峰，m3/s；Q4為年降雨量，mm。

通過徑流、洪峰、降雨量對水庫淤積的回歸分析，求出其復(fù)相關(guān)系數(shù)R 為0.8809，表明它們之間的關(guān)系為高度正相關(guān)。由表3 可知，入庫洪峰系列的回歸系數(shù)為0.7226，其統(tǒng)計量參數(shù)p 值為3.43E-05，可以認(rèn)為模型在α=0.000034 的水平上顯著，其置信度達(dá)99.9966%，說明水庫淤積與入庫洪峰的相關(guān)性較其他三者更為顯著；降雨量系列的回歸系數(shù)為-0.3487，說明水庫淤積與年降雨量呈弱的負(fù)相關(guān)性，也說明此雨量站不能近似地代表全流域的降雨情況，而降雨量系列的衰減情況并不明顯，說明天然徑流與入庫洪峰逐年減小，主要是桑干河中上游人類活動影響所致。

3 庫容特性與泥沙淤積預(yù)測

3.1 庫容特性[4]

選擇原始庫容、1969年、1982年、1999年以及2009年的庫容成果，繪制成水庫庫容演變曲線圖（見圖5）。歷年庫容數(shù)據(jù)表明，冊田水庫從1960年開始蓄水?dāng)r洪，前期淤積速率極快，至1982年水庫淤積已基本形成沖淤相對平衡狀態(tài)，1982年以后水庫的淤積很小，至2009年總淤積量占總庫容的39%。其中，正常蓄水位以下淤積20900萬m3，占興利庫容的55%；設(shè)計水位庫容損失21593萬m3，約減小50%；校核水位庫容損失22383萬m3，約減少40%，顯示出水庫低水位庫容的損失嚴(yán)重。

圖5 水庫庫容演變曲線圖

3.2 水庫淤積預(yù)測

3.2.12018 年除險加固工程設(shè)計中淤積預(yù)測

在2018年水庫除險加固工程設(shè)計中，水庫入庫泥沙選用1952—1998年實測入庫輸沙量系列，采用沙量平衡法和水沙關(guān)系法相互輔佐應(yīng)證進行計算，由于近年來水庫來沙量很小，出于對工程安全的考慮，計算時未加入1998年以后的輸沙系列。入庫泥沙和水庫淤積的預(yù)測見表4，其中2030年數(shù)據(jù)為本文按設(shè)計中2010年和2020年的數(shù)據(jù)推算。

3.2.2 由水庫淤積系列預(yù)測

水庫從1960年開始攔洪，1964年開始正式對水庫淤積測量，至1999年只有少數(shù)幾年未進行淤積測量，水庫淤積的測量方法采用斷面法進行，于2009年采用斷面法與水下地形測量對水庫淤積進行了測量，沒有測量數(shù)據(jù)幾年的淤積量采用徑流相關(guān)法進行插值。由水庫累積淤積量及其預(yù)測圖6 可知，1983年為淤積變化的分界點，之前24年的累計淤積量占總淤積量的94.11%，這也與桑干河年際徑流的突變點的結(jié)論相一致[5]。因此，采用1983—2009年的淤積系列進行分析預(yù)測，得出如下水庫淤積模型，預(yù)測數(shù)據(jù)見表5。

表4 2018年除險加固工程對水庫入庫泥沙和淤積的預(yù)測表

式中，V 為水庫累積淤積，億m3；t 為時間，年。

圖6 水庫累積淤積量及其預(yù)測

3.2.3 由入庫輸沙量系列預(yù)測

2018年除險加固工程設(shè)計中1998—2010年的平均入庫輸沙量是按900萬t 計算的，而由實測入庫泥沙計算1998—2004年平均量僅為105.6萬t，由水庫1990—2009年的實測淤積量返推的年入庫泥沙為87萬t（排沙比取10%），后二者基本接近。

由于1983年既是桑干河流域年際徑流的突變分界點，同時也是冊田水庫庫區(qū)淤積發(fā)生突變的分界點，因此入庫輸沙量分析采用1983年以后系列進行計算。1983—2004年入庫泥沙總量約為5239萬t，年平均為238萬t，比長系列均值小約1/4，因此計算時不再考慮其遞減量，排沙比按文獻與2018年設(shè)計選取為10%，最后計算得年凈淤積率為164.8萬m3。

由表5 可知，采用水庫淤積數(shù)據(jù)系列和采用入庫輸沙量系列計算的結(jié)果較為一致，二者2020年的預(yù)報值相差5%、2030年相差9%，說明水庫在1983年以后，水庫淤積進入平衡狀態(tài)，年際徑流、入庫洪峰以及含沙量由于受上游人類活動以及本流域與全球水文氣象特性變化的影響而發(fā)生改變，2018年設(shè)計時未考慮這些情況，得出的淤積量較大，偏重于安全。

表5 水庫淤積系列與輸沙量系列對水庫淤積預(yù)測比較表

4 結(jié)語

通過以上水庫入庫泥沙淤積的分析可得出如下結(jié)論：

一是冊田水庫建庫以來泥沙淤積較為嚴(yán)重，截至2009年底，水庫總庫容損失39%，總淤積量約占官廳水庫總淤積量[6]的34.6%，自身雖然淤積嚴(yán)重，但是很好地完成了為下游官廳水庫攔沙的任務(wù)；

二是水庫淤積年際變化較大，1983年是其突變點，之前是淤積高峰期，從建庫至突變點時的淤積量占總淤積量的94.1%，1983年以后的淤積速率僅為建庫初期的4.4%；

三是采用淤積系列與入庫輸沙量系列對水庫淤積與庫容的預(yù)測結(jié)果較為一致，說明其預(yù)測成果較為可靠，而2018年設(shè)計值未考慮水文特征年際變化的影響，預(yù)測的淤積量較大（偏于安全）。