柘溪水库拦门沙淤积及治理对策九五优秀科研成果介绍

柘溪水库拦门沙淤积及治理对策研究课题是应电站和库区管理部门的邀请和委托于 1 995年至1 996年间由长沙中南机电技术研究所进行和完成的 ,并以我国优秀科研成果入选《中国九五科学研究成果》丛书 (该成果研究论文在本刊 1 996年第 2期刊出 )。该研究成果首先明确了泥沙淤积是水库运行中五大环境工程地质课题之一 (其他 4个课题为水库渗漏 ,诱发地震 ,库岸变形和矿产淹没 ) ,同时明确了将库尾和各支流入库口的泥沙淤积称为拦门沙 ,提出了对库区泥沙淤积的研究方向。拦河筑坝建立水库 ,使库区的河道落差集中到坝址 ,改变了原来河道的水沙流态和流速 ,引起了河道自然环境变化和河床演变。     

复杂边界作用下三峡水库泥沙淤积特征与趋势

受上游水沙条件和水库调度过程等影响,三峡水库实际淤积过程较为复杂。本文基于一维泥沙数学模型,分析上下游边界条件变化对三峡水库淤积特征的综合影响,建立入库沙量和汛期坝前水位与库区淤积的经验关系,讨论了其贡献及未来淤积趋势。结果表明：上游干支流入库沙量和汛期坝前水位是影响三峡水库淤积的主要因素,其变化均将造成库区淤积重心的偏移,变动回水区下段及常年回水区上段的泥沙分选及冲淤情况受影响最为明显;2013—2020年,干流来沙对三峡库区淤积的贡献减小(由65%减小至42%),支流来沙贡献逐步增大(由32%增大至56%);汛期坝前水位变化对该时段库区淤积较2003—2012年期间的影响已经较小(1.6%～1.8%);当遭遇平常水文年水沙过程,未来三峡水库泥沙淤积量约在0.5亿t/a左右;当遭遇不利洪水组合水文年,尤其是支流发生大规模强降雨使岷江和嘉陵江洪峰流量大于30 000 m³/s时,三峡水库泥沙淤积量约在1.6亿t/a左右。     

澽河入黄段输沙量计算及泥沙淤积变化规律分析

澽河系黄河右岸的一级支流,发源于陕西省黄龙县黄龙山主脊冢字梁,自西北向东南流经黄龙、韩城两县(市),于韩城市芝川镇司马庙东汇入黄河,流域面积1 083 km~2。澽河入黄段因黄河洪水倒灌淤积,河床不断抬升,加之黄河主槽不断西移,导致澽河入黄口己上提2.50 km。通过对澽河入黄段河道输沙量进行计算,并对泥沙淤积规律进行分析,结果表明,实际产沙进入澽河的流域面积为119 km~2,年平均进入澽河河口段的泥沙量为6.77万m~3。澽河入黄泥沙量较小,对河道淤积影响不大,澽河下游黄河洪水倒灌段受黄河高含沙洪水倒灌影响,淤积明显,倒灌段以上河段冲淤平衡。为该河段治理工程建设、防汛工作和黄河流域同类型河流泥沙分析提供参考。     

整治工程影响下的河口拦门沙航道回淤特征及成因——以射阳港航道为例

通过不同时期实测地形资料,对比分析射阳港拦门沙航道一期整治工程建设后航道的回淤分布特征;利用实测水文泥沙资料和潮流数学模型计算分析射阳河口拦门沙航道开挖后的水流、含沙量特征;探讨了射阳港拦门沙航道淤积的泥沙来源和淤积成因。研究表明:航道开挖后沿程普遍淤积,尤其是口门及堤根区段航道淤积严重。导致航道淤积的主要原因为:有掩护航道内涨潮流速大、落潮流速小,口门外高含沙量水体进入航道后泥沙很难被带出航道,导致航道内普遍淤积;口门内2 km范围内回淤较大是由于越堤流输沙和口门内侧涨潮期间存在明显回流;导堤根部航道段回淤较大是由于射阳河与黄沙港河汇流后河道放宽,落潮期间出河口的水体挟沙力突然降低。     

小浪底水库溯源冲刷效率评估试验

水库溯源冲刷试验是评估在水库速降水位过程中,结合工程控制条件、水沙条件、冲刷时机和初始水库蓄水条件等因素,研究支流拦门沙坎破坏程度对干流溯源冲刷的影响。采用按照水库高含沙模型相似律建立的小浪底水库实体模型开展了4个组次的水库降水库区发生溯源冲刷的试验,第1~4组次库容恢复率依次为11.6%、6.8%、12.2%和6.6%。拦门沙坎破坏越严重,水量越大,库区溯源冲刷量越大,库容恢复率大;侵蚀基准面越低,库区溯源冲刷量大,库容恢复率大;库区淤积量42.00亿m3时采用降低水位引起库区发生溯源冲刷优于库区淤积量32.00亿m3。对原有的陕西水利科学研究所与清华大学的逐日溯源冲刷公式在考虑支流促因的基础上进行了改进,说明支流蓄水量进入干流越多,引起支流口以下的干流河段冲刷量越大,其计算结果与实测值满足生产实践精度,可作为多沙河流水库调水调沙方案制定参考。     

三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道泥沙淤积分析

通过实测三峡水库135m运行阶段永久船闸下引航道及口门区泥沙淤积与水沙因子变化,计算分析了下引航道及口门区的淤积量及分布、拦门沙淤积形态、淤积机理及清淤时机,建立了口门含沙量与长江含沙量、口门斜流流速与长江流量、拦门沙淤积高度与来沙量等关系;并结合倒灌异重流理论,计算验证了下引航道及口门区异重流、环流淤积。结果表明,下引航道及口门区主要集中在主汛期(7~9月)淤积,汛末(10~12月)进行一次清淤即可满足航深要求。     

柘溪水库拦门沙淤积问题及治理对策探讨

柘溪水库于1961年2月15日下闸蓄水, 至1995年3月, 已运行34年。由于拦门沙淤积, 抬高了上游的洪水位, 增大了库周及库尾的淹设损失, 影响了航运, 必须及时进行整治。本文根据对水库拦门沙地质调查测量资料, 分析泥沙来源, 探讨治理对策。     

三峡水库汛期泥沙淤积对坝前水位的滞后响应

河床演变中普遍存在着滞后现象,而以往的三峡水库泥沙研究对滞后现象鲜有考虑。为深入认识三峡水库运行带来的泥沙淤积特征,建立了考虑上游来沙和坝前水位双重影响的泥沙淤积滞后响应模型。基于2003—2017年实测水沙资料,分析了三峡入库水沙特性及汛期泥沙淤积特点,利用滞后响应模型探究了汛期泥沙淤积的滞后规律。结果表明:2003—2012年入库水沙呈现“大水带大沙,少水带少沙”的特点,汛期淤积随坝前水位抬升而增加;2013—2017年入库水沙关系的一致性发生变化,受上游梯级库群拦沙影响,汛期淤积减缓。三峡水库汛期累计淤积与5年线性叠加坝前水位之间有较好的相关关系,汛期淤积不仅与当年来沙和坝前水位运行有关,也与前4年的来沙和坝前水位调度有关。     

黄河倒灌渭河的数值模拟

根据渭河下游河道水沙及河床演变特性,提出了黄河倒灌渭河的数学模型.该模型不仅适用于黄河倒灌渭河时渭河下游河道水位、流量、含沙量及河床淤积的数值模拟,也适用于其它双向水流及干支流交汇或分流河段的水沙计算.验证计算表明,该模型能较好地反映黄河倒灌渭河时渭河下游水文泥沙因素变化.     

水沙调节后三峡工程变动回水区泥沙冲淤变化

长江上游溪洛渡、向家坝等水电工程的建设,改变了进入三峡水库变动回水区及库区的水沙环境。上游水库水沙调节后,变动回水区的泥沙淤积情况将会发生相应变化。在分析三峡工程变动回水区水沙特性的基础上,应用建立的适合多连通域的贴体正交曲线坐标系下的二维水沙数学模型,根据三峡工程初步设计阶段选定的1961-1970年(简称60系列)及上游水库水沙调节后的水文系列及相应进出口边界条件,预测了重庆主城区河段100年泥沙冲淤的时空变化规律。研究表明,60水沙系列条件下,该河段淤积比较严重,淤积主要位于岸线凹凸不平的弯沱、回流区及河道的宽浅河段;上游水沙调节后,仅局部岸线凹凸不平的弯沱有少量泥沙淤积,主城区川江段的淤积量仅为60系列的17.4%,嘉陵江段仅为60系列的10.3%,这对三峡水库有效库容的保持及主城区河段岸线利用有利。     

黄河宁蒙段河道水沙输移过程的仿真分析

通过建立河道水沙仿真系统模型,系统的模拟了天然状态下宁蒙河道泥沙的输移过程,并与现状条件下该河段泥沙输移过程进行比较.结果表明:龙羊峡和刘家峡水库建成运行后,由于水库拦蓄作用,宁蒙河段入口下河沿站1969-2003年累计减少输沙量25.9966×108t,说明上游梯级水库的蓄水拦沙作用显著地减轻了宁蒙河段的淤积过程.宁...     

水库拦沙对长江水沙态势变化的影响

为探讨水库建设对水沙变化态势的影响,通过引入来沙系数、输沙模数和流域水库调控系数,深入分析了长江水库拦沙对水沙态势变异的作用。长江干支流水沙参数与流域水库库容参数之间有重要关系,主要水文站年输沙量随流域累积库容增加而逐渐减少,来沙系数和输沙模数随流域水库调控系数成指数关系衰减,表明水库蓄水拦沙是长江水沙态势变异的主要因素。长江干支流输沙量衰减规律有一定差异,支流来沙系数和输沙模数衰减规律相对独立,而干流上游站衰减幅度大于下游水文站,且干流各站输沙模数的衰减规律比较接近。     

多沙河流河口泥沙淤积自生性过程试验研究

多沙河流河口输沙不平衡带来的淤积演变过程,动态调整着上游河道控制基面,影响通航和防洪安全等。开展水槽试验,控制上游水沙条件和下游水位不变,研究河口三角洲自生性过程的形成机理、波动性和趋势性演变特征。试验中观测到淤积朵体迁移、溯源冲淤和河道摆动等自生性调整现象,其中朵体发育和迁移起控制作用。研究结果表明:自生性过程具有内在临界性,不同水沙条件下淤积朵体临界尺度不同,相应的水位波动周期、溯源波能量、水位涨落规律和三角洲形态亦有所差异。结合试验成果探讨了自生性过程形成的内在动力、临界性及其与三角洲形态的内在联系。     

河口盐水入侵作用研究动态综述

河口是河流径流与海洋水体交接的过滤地带。由于水流扩散，挟沙能力降低，河流挟带的泥沙进入河口后将逐渐沉降。但沉降的泥沙常在某段槽床聚积，形成拦门沙坝而阻碍航运。拦门沙形成的原因与河口环流、泥沙絮凝沉降和最大混浊带等现象紧密关联，而这些现象又由盐水入使所造成。本文综述了国内外对河口盐水入侵作用的认识和研究进展，以及目前的研究动态。     

深水库区细颗粒淤积物重力驱动流动数值模拟——以三峡水库为例

针对三峡水库近坝区细颗粒泥沙淤积特征,从过程机理出发,提出了深水库区细颗粒泥沙淤积过程的物理图形。采用临界坡度作为细颗粒淤积物失稳流动的判别标准,借鉴浅水流动模式,描述失稳后细颗粒淤积物重力驱动流动过程,通过耦合三维水沙数学模型,建立了细颗粒淤积物重力驱动流动的数值模拟方法,在此基础上对三峡水库近坝区细颗粒泥沙淤积形态进行了模拟研究。研究结果表明:水库蓄水运行初期近坝区细颗粒泥沙主要淤积在断面深槽内,且呈水平状,考虑重力驱动流动后的模拟结果与实测结果吻合较好,从而为进一步深入研究深水库区细颗粒泥沙运动特征提供了技术支撑。     

2012年洪水对黄河内蒙古段冲淤影响

2012年洪水是内蒙古河段1989年以来历时最长、洪峰流量最大的洪水过程。为了解粗泥沙对黄河内蒙古段河床冲淤变化的影响,依据宽河谷河段巴彦高勒、三湖河口和头道拐水文站实测资料,分析了内蒙古河道2012年洪水水沙特征,通过计算推移质输沙量和比较断面河底变化,探讨了粗泥沙对河底调整的影响。结果表明:2012年洪水造成粗泥沙在上游段冲刷、下游段淤积;固定低水位下过流断面存在涨冲落淤的规律;洪水过后,巴彦高勒和三湖河口低水位面积分别扩大了19 m2和29 m2,头道拐减小约100 m2。由于粗泥沙排沙不平衡,底部河床的真正高程并没有降低,防洪风险依然存在。     

小型水坝拆除后河貌演变模拟分析——以西河水坝为例

小型水坝随着服役时间的增长,其面临的安全、经济和生态方面问题日益突出,针对一些修复价值较低的病险水坝,实施降等或报废拆除已成为一种综合最佳的管理措施。拆坝后,原库区大量淤沙无控释放将改变原有河道形态,对水生生物栖息地造成影响。为预测拆坝后河道在不同时间尺度上的变化特征,以长江流域乌江水系内的西河水坝为研究对象,建立二维水沙数学模型,分别研究了拆坝后水沙输运造成的短期和长期河床形态变化。结果表明:拆坝后短期内,坝址上游主河道发生了强烈的冲刷下切,且水库淤沙前缘部分出现了显著的淤积抬高,相比而言,坝址下游河床变化并不明显,只有坝下河段及河口附近出现较显著的泥沙淤积;在拆坝后长期的河床演变过程中,坝址上下游河道均发生了不同程度的冲刷下切,拆坝2年后下游河床逐渐趋于稳定,而上游主河道由冲刷下切转化为冲淤交替的演变趋势,河床形态不断调整变化。本研究可为病险坝和小水电报废拆坝后的河道治理、水生生物栖息地修复提供参考依据。     

金沙江下游溪洛渡水库排沙效果及影响因素

溪洛渡水电站自2013年开始直接拦截金沙江的泥沙,其排沙效果对水库运行及下游向家坝和三峡入库泥沙都会造成影响。本文基于水文泥沙及河道断面观测资料,对比分析溪洛渡水库和三峡水库排沙规律异同点,研究溪洛渡水库排沙效果及影响因素。结果表明,2014—2019年溪洛渡水库共计排沙1 490万t,排沙比为3.1%,较设计值和向家坝、三峡水库均明显偏小。溪洛渡水库排沙比偏小主要有3个原因:入库水沙峰值协调性较差、水库长期高水位运行及库区河道二级天然潜坎对泥沙运动的阻隔效应。     

长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义

通过河流输沙分析研究了长江上游河道的悬移质泥沙存贮量及其变化。结果表明,1956～2000年屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化可以划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和1个泥沙释放期。1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,累计存贮量为4.0126×10⁸t,与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系;1969～1983年为泥沙释放期,累积释放量为2.6533×10⁸t——支流水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少,含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放;1984～2000年为第2个泥沙存贮期,累积存贮量为4.0733×10⁸t。金沙江下游重点产沙区产沙量增加,进入长江干流的泥沙增多,葛洲坝水库建成后投入运行,三峡水库大坝的建设,也导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间均存在较明显的正相关关系,而存贮量与降水量不相关,说明河道泥沙存贮对于降水量的变化不敏感。屏山-宜昌河道泥沙输移比的时间变化大致可以分为两个阶段,即在1956～1982年河道泥沙输移比呈增加趋势,1983～2000年则呈减小趋势。这种变化可以用河道泥沙存贮的变化来解释。长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化相位在一定程度上是相反的,说明上游河道泥沙存贮增多会导致中游河道泥沙存贮减少,上游河道泥沙存贮减少会导致中游河道泥沙存贮增多。     

辽东湾北部浅海区泥沙输送及其沉积特征

根据实测资料，本文定量分析了辽东湾北部泥沙输送及其分布，并对辽河三角洲沉积区划作了初步讨论。研究表明本区泥沙以纵向搬运为特征。双台子河以西来沙和辽河西水道入海泥沙是区域东部拦门沙体和浅滩发育的主导因素。汛季大潮期，泥沙自西向东运移落淤在河口及毗邻浅水域；小潮期，泥沙除向东扩散外，大部泥沙向海方搬运。调查区可划分六个现代沉积作用区，即潮坪沉积区、辽河水下三角洲细粒沉积区、河口沙洲沉积区、波浪潮流冲蚀沉积区、河口冲积沉积区以及潮汐水道沉积区。