梯级水库下游水沙累积影响分析

河流径流和泥沙，在改造河流形态和维护河流地貌环境和生态系统等方面起着重要作用。建库后河流发生的种种变化，其原因都可以归结为水沙输移特性的改变。本节根据已建立的数学模型，结合已有的研究，对水库下游水沙条件的变化，以及由此引起的河床演变现象进行了计算，其目的是对水库下游可能出现的水沙条件变异和河床调整现象进行预测。水库参数见表5-16。梯级水库建立后，径流量及其时间分配被改变，另一方面大坝拦截来沙，使下游沙量、粒径、输移特性均发生变化，以下分别对两个方面进行讨论。

1.研究区概况

研究区是金沙江下游流域，干流上起华弹，下迄宜宾，河段长353km，支流黑水河从宁南至入汇口长约25.3km，昭觉河从昭觉至入汇口长约99.3km，牛栏江从小河至入汇口长约21.9km，美姑河从美姑至入汇口长约27.8km，西宁河从西宁至入汇口长约40.6，水系概化图见图5-10。

图5-10　研究区水系概化图

表5-16　梯级水库参数表

2.计算条件

选1986年（平水年）为计算时段，入口流量由金沙江的华弹，黑水河的宁南，昭觉河的昭觉，牛栏江的小河，美姑河的美姑，西宁河的西宁站控制（见图5-10）。出口由宜宾站控制水位，溪洛渡水库和向家坝水库的泄水规则如前文所述。

3.径流特性变化

图5-11给出了溪洛渡和向家坝水库修建前后宜宾站的径流过程，可见水库调节使汛期流量削减、枯期增加，径流的年内变幅减小。计算分析可知，梯级水库的日平均流量年内变幅要比向家坝和溪洛渡两水库单独调节时的变幅程度之和还要大1.51%，这说明梯级水库的累积影响要比单个水库的影响的累加之和要大。

图5-11　水库修建前后年内径流变化图

水库调节使汛期流量削减、枯期增加，径流的年内变幅减小。其中，天然状况下出现于8，9月份的洪峰，经过溪洛渡和向家坝水库的联合调节后，洪峰大大减小，最大可减少洪峰流量2055.77m3/s。从单库的径流调节程度来看，向家坝由于调节库容（9.03亿m3）较小，对径流过程改变较小，最大可减少洪峰流量510m3/s，溪洛渡调节库容（64.6亿m3）较大，对径流过程改变的就比较大，最大可减少洪峰流量1315m3/s。天然径流经过水库的调节后，洪水期缩短，流量减小；洪峰降低，频率减小，持续期缩短，洪水强度大大削弱。这些变化的程度因水库调节性能不同而有差异。

4.造床流量的累积影响分析

近年来，随着大量水利枢纽工程的修建和人类活动的加剧，河道大洪水漫滩的机遇愈来愈少，特别是梯级水库实行联合调度后，水库下游来水来沙条件发生了显著变化，径流量减少、流量过程调平、汛期和非汛期水量比例改变、洪水频次和洪峰流量降低，河道造床流量明显减小。

表5-17　造床流量基本参数值

从表5-17中四种情况下的造床流量得知，向家坝和溪洛渡作用下的造床流量比天然状态下的造床流量分别减少了2.27%和9.26%，而梯级水库作用下的造床流量比天然状态下减少了12.45%。

天然河流修建水库后，由于水库的调峰作用，水库下游的造床流量会减小，减小的程度与水库的均化系数有关。从表5-18的数据可以知道，造床流量的变化度与均化系数的变化是一致的，基本上呈线性关系，经回归分析，相关系数为0.995（见图5-12）。造床流量的变化和流量的均化是由于水库的调节引起的，二者变化的程度与水库的调节库容有关，调节库容大者，对流量的均化影响就比较大，造床流量的变化度也就大，反之亦然。

表5-18　造床流量变化度与均化系数关系表

图5-12　造床流量变化度与均化系数的线性关系图

造床流量减小，将会使得小洪水条件下大范围漫滩。洪水漫滩后，堤防偎水，部分河段存在较大的顺堤行洪，部分河段则有可能发生滚河，使堤防发生冲决和溃决的可能性增加。因此，研究造床流量的变化过程及其与来水量的响应关系，对于河道治理，利用水库调节水沙过程增大造床流量，塑造一个适当造床流量的中水河槽具有重要的理论和现实意义。

5.泥沙输移影响(www.xing528.com)

水库不可避免地要在一定时期内拦蓄上游来沙。水库能够淤积的总沙量取决于水库的死库容，而水库的排沙比则与坝前蓄水位、回水长度等因素有关。一些大型水库建库初期拦沙率往往大于99%。由于泥沙粒径和沉速的区别，水库对不同运动特性泥沙的影响程度不同，粗颗粒的推移质几乎被全部拦截，只有粒径很细的冲泄质才能被水流挟往下游。因此，沙量急剧减小且细化是建库后下泄泥沙的主要特点。尼罗河阿斯旺高坝下游34km的Gaafra站，建库前含沙量变幅从枯水期的42ppm到汛期的3760ppm；而建库后含沙量则相应变为32ppm和46ppm之间。科罗拉多河格伦峡坝（Glen Canyon Dam）修建前，下游Lees Ferry站年均含沙量超过10，000ppm，而建库后仅为200ppm。由于沙量减少和泥沙粒径的变化，下游床沙与悬沙交换将十分剧烈，导致下游出现不同于天然情况的输移特性。

（1）对含沙量的影响

图5-13　水库修建前后宜宾站的含沙量变化图

水库对泥沙的显著改变之一是含沙量的减少，梯级水库尤为明显。图5-13给出了水库修建前后宜宾站的含沙量变化情况，从图5-13中可以明显的看出，水库建立后的含沙量在一年内的任何时间都比天然状态下要低，这是因为水库拦沙的作用。

表5-19给出了宜宾站含沙量的几个特征值，天然状况下宜宾站的含沙量最大值为5.18kg/m3，而在水库联合调度的情况下最大值减小为4.56kg/m3，这主要是梯级水库削减了洪峰造成了含沙量的减少。从单个水库来看，大库容的水库（溪洛渡）要比小库容的水库（向家坝）含沙量平均值要大，这是因为大库容水库调节作用比较大所造成的，使枯水期的流量增大，含沙量随之增加。经过联合水库调节，流域年输沙量减少了21.80%。

表5-19　宜宾站含沙量特征值表

（2）水库拦沙系数。梯级水库在运行的期间均化流量的同时，也拦蓄了部分的泥沙，为了计算水库的拦蓄泥沙的程度，本文定义水库的拦沙系数

式中：W——泥沙减少量（亿kg），V——水库库容（亿m3）。

水库的拦沙系数在一定程度上反映了水库的在运行后能够拦蓄泥沙的程度。梯级水库在洪水期运行时，削减了洪峰，但同时也把洪水携带的大量泥沙拦截在水库里，使下泄的水的含沙量减少。经计算得知，向家坝水库的拦沙系数β11＝3.51×10-2，溪洛渡水库的拦沙系数β12＝1.13×10-2，梯级水库的拦沙系数β2＝1.66×10-2。

梯级水库拦沙淤积量的多少主要与水库所在位置、数量多少、库容大小、类型与用途以及运用方式等因素有关，是一个复杂的动态过程，在水库群拦沙淤积的同时，库群下游河道将发生泥沙调整，它包括河道本身的冲刷调整和区间水沙汇入的补偿调整等变化情况。水库的数量和库容大小是水库拦沙淤积的必要条件，水库所在位置是水库拦沙淤积的充分条件。单座水库的拦沙淤积作用具有阶段性，水库群体的拦沙淤积作用具有相对平衡性，水库拦沙对本身集水区域产沙的效应较明显，对整个流域产沙的效应不大。