CN108320095A - 一种水库淤积风险评估方法 - Google Patents

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李新杰
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李涛
任智慧
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Abstract

本发明公开了一种水库淤积风险评估方法,首先定性识别了水库库容、入库水沙、泥沙组成、水库淤积形态等评估水库淤积风险的影响因子,继而从河床演变学中冲积河流平衡趋向性的一般关系出发,提出了水库淤积风险强度的概念与计算方法,形成了水库淤积风险评估图及水库冲淤平衡线,构建了完整的水库淤积风险评估方法。应用该方法于中国不同流域43座水库,展现了本发明方法的合理性、适用性及应用前景。本发明的水库淤积风险评估图可直观反映水库淤积风险的区域性特征,定量识别水库的淤积风险,并进一步指导水库管理者选取适当的水库功能恢复措施,为未来水库管理者采取适当的水库淤积防治与功能恢复措施提供重要的参考依据。

Description

一种水库淤积风险评估方法
技术领域
本发明涉及一种水库淤积风险评估方法,属于水利领域。
背景技术
水库淤积是全球性问题。据2001年的统计数据,世界上大型水库的年均库容淤损量占剩余库容的0.5%~1%。中国水库淤积更为严重,水库年淤损率达到2.3%,为世界平均值的2~3倍。无论是多沙的黄河流域还是含沙量较少的长江、珠江流域,都不同程度地存在水库淤积问题。根据20世纪80年代水利部直接管理的20余座水库的观察资料,多数水库运行不足20年,淤积量占原设计库容的18.6%。同时,中小型水库淤积问题突出,国内550余座有淤积资料的水库统计表明,中小型水库淤积速率一般较大型水库高出50~237%。
水库淤积为水资源管理带来了一系列问题。水库有效库容减小,库容损失影响水库效益的发挥;淤积上延影响上游地区的生态环境;水库变动回水区的冲淤对航运带来不利影响;坝前泥沙淤积易形成进水口的淤堵与水轮机等过流部件的磨损,影响枢纽的安全运行;水库下泄清水对下游河道河床的冲刷以及附着在泥沙上的污染物对水库水质的影响等;汛期拦蓄削峰能力大为弱化,使下游河道的防洪压力增加,沿岸地区的生命财产安全受到严重威胁。此外,淤满的水库可能面临拆坝问题,造成经济损失。
为维持库容总量,全世界每年需花费约130亿美元新建大坝。随着移民问题和生态环境问题的日益突出与备受关注,新建水库受到的限制条件越来越多。因此,对水库进行泥沙淤积风险评估,有效控制泥沙淤积,保持甚至恢复已建水库的功能,已成为当前解决水资源短缺、洪涝灾害严重等问题的重要手段。
水库淤积风险评估-水库淤积影响评价-水库淤积防治措施是水库淤积管理的三个必经步骤。淤积风险评估评价自然状态下水库可量化的淤积程度,淤积影响评价则进一步评价该淤积风险造成的社会、经济、环境等多方面的综合影响,综合考虑自然条件、社会经济环境影响后,才能采取相应的水库淤积防治措施。当前学者对后两步的关注与研究较多,而对自然状态下的水库淤积风险,多简单采取单因子的水库淤积量或年淤积速率加以表达。事实上,这种表达远不能反映不同水库自然条件下的淤积风险,因此也就无法有效的指导水库淤积防治。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的是提供一种水库淤积风险评估方法,能够定量识别水库的淤积风险,并进一步指导水库管理者选取适当的水库功能恢复措施。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种水库淤积风险评估方法,包括以下步骤:
(1)根据水库水文、地形资料及设计工况,计算水库的库容V、回水长度L、坝前水深H;或,水库的库容V、回水长度L、坝前水深H、三角洲顶点到回水末端的水平距离L0、三角洲顶点处的水深H0
(2)根据步骤(1)得到的水库的库容V、回水长度L、坝前水深H,和/或,三角洲顶点到回水末端的水平距离L0、三角洲顶点处的水深H0,计算得水库概化河宽
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
其中,△H=H-H0,△L=L-L0
(3)根据泥沙情况,计算水库的多年平均入库流量Q入库、多年平均入库床沙质输沙率G入库、床沙质中值粒径D50
(4)将步骤(1)得到的水库库容V、回水长度L和/或三角洲顶点到回水末端的水平距离L0,步骤(2)得到的水库概化河宽和步骤(3)得到的水库多年平均入库流量Q入库、多年平均入库床沙质输沙率G入库、床沙质中值粒径D50,代入水库冲淤平衡关系式:
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
其中,△L=L-L0
(5)以Q入库V为横坐标,以为纵坐标,绘制水库淤积风险评估点;
(6)将水库淤积风险评估点,与以冲淤平衡线划分的水库淤积风险分区进行比较,得到水库淤积风险评估结果。
所述的冲淤平衡线:
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
水库淤积风险区域以冲淤平衡线为界,分为高风险区和低风险区,冲淤平衡线的线上区域为高风险区,线下区域为低风险区。
本发明有益效果:
1、本发明首先定性识别了水库库容、入库水沙、泥沙组成、水库淤积形态等评估水库淤积风险的影响因子,继而从河床演变学中冲积河流平衡趋向性的一般关系出发,提出了水库淤积风险强度的概念与计算方法,形成了水库淤积风险评估图及水库冲淤平衡线,构建了完整的水库淤积风险评估方法。应用该方法于中国不同流域43座水库,展现了本发明方法的合理性、适用性及应用前景。本发明的水库淤积风险评估图可直观反映水库淤积风险的区域性特征,定量识别水库的淤积风险,并进一步指导水库管理者选取适当的水库功能恢复措施,为未来水库管理者采取适当的水库淤积防治与功能恢复措施提供重要的参考依据。
2、本发明利用水库冲淤平衡线,将水库淤积风险评估图中分为高风险区与低风险区,为水库清淤的对象与时机选取提供决策依据。
3、淤积风险评估图可定性反映水库淤积风险的区域性特征,也可定量反映不同水库功能恢复措施的目标与工程量,可用于参考选取适宜的水库淤积防治措施,判别是否实现了功能恢复目标,具有广阔的应用前景。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1为三角洲淤积形态图。图中,L为回水长度,H为坝前水深H,L0为三角洲顶点到回水末端的水平距离,H0为三角洲顶点处的水深。
图2为锥体淤积形态图。图中,L为回水长度,H为坝前水深H。
图3为带状淤积形态图。图中,L为回水长度,H为坝前水深H。
图4为水库淤积风险的区域性分布图。图中,虚线为冲淤平衡线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例1
一种水库淤积风险评估方法,包括以下步骤:
(1)根据水库水文、地形资料及设计工况,计算水库的库容V、回水长度L、坝前水深H;或,水库的库容V、回水长度L、坝前水深H、三角洲顶点到回水末端的水平距离L0、三角洲顶点处的水深H0
(2)根据步骤(1)得到的水库的库容V、回水长度L、坝前水深H,和/或,三角洲顶点到回水末端的水平距离L0、三角洲顶点处的水深H0,计算得水库概化河宽
三角洲淤积形态(图1):
锥形淤积形态和带状淤积形态(图2、3):
其中,△H=H-H0,△L=L-L0
(3)根据泥沙情况,计算水库的多年平均入库流量Q入库、多年平均入库床沙质输沙率G入库、床沙质中值粒径D50
(4)将步骤(1)得到的水库库容V、回水长度L和/或三角洲顶点到回水末端的水平距离L0,步骤(2)得到的水库概化河宽和步骤(3)得到的水库多年平均入库流量Q入库、多年平均入库床沙质输沙率G入库、床沙质中值粒径D50,代入水库冲淤平衡关系式:
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
其中,△L=L-L0
(5)以Q入库V为横坐标,以为纵坐标,绘制水库淤积风险评估点;
(6)将水库淤积风险评估点,与以冲淤平衡线划分的水库淤积风险分区进行比较,得到水库淤积风险评估结果。
所述的冲淤平衡线:
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
水库淤积风险区域以冲淤平衡线为界,分为高风险区和低风险区,冲淤平衡线的线上区域为高风险区,线下区域为低风险区。
实施例2
以中国境内不同流域43座水库(表1)多年平均入库流量Q入库、正常蓄水位以下库容V、床沙质中值粒径D50、多年平均入库床沙质输沙率G入库、回水长度L、坝前水深H、三角洲顶点到回水末端的水平距离L0、三角洲顶点处的水深H0等相关数据,计算对应的水库淤积风险强度和水库自处理风险能力(Q入库V)指标,以自处理风险能力为横坐标,淤积风险强度为纵坐标,将43座水库按照长江流域、黄河流域、珠江流域、海河流域、辽河流域、浙闽片河流域、西南诸河流域、西北诸河流域划分为8类。将各类型标注在水库淤积风险评估图中,如图4所示。
以青铜峡水库(锥形淤积形态)为例,多年平均入库流量Q入库为324亿m3,正常蓄水位以下库容V为0.56亿m3,床沙质中值粒径D50为0.03mm,多年平均入库床沙质输沙率G入库为2.36亿t,回水长度L为45km,正常蓄水位对应的坝前水深H为11m,计算得到:
Q入库V=181.44(亿m3*亿m3)
表1研究水库所处流域信息表
图4结果表明,水库淤积风险呈现显著的区域性特征。大部分黄河流域水库、部分辽河流域水库及西北诸河流域水库主要位于Ⅰ区(高风险区),水库当前库容恢复需求较为迫切,亟需采取人工干预措施实现水库功能恢复;而Ⅱ区(低风险区)主要包含长江流域、珠江流域、海河流域、浙闽诸河流域及西南诸河流域水库,其当前自处理风险能力相对较强,近期水库清淤的需求并不迫切。这一分区结果与目前的定性认识是一致的,也一定程度上验证了淤积风险评估方法与冲淤平衡线设立的合理性。黄河流域、西北诸河、东北辽河地处干旱半干旱区,长期以来水少沙多,水沙不协调的问题突出,大量水库均存在严重的泥沙淤积问题,影响了水库兴利功能的发挥,因此本发明为水库淤积防治措施的实施提供了参考依据,具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明最佳的实施例,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种水库淤积风险评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)根据水库水文、地形资料及设计工况,计算水库的库容V、回水长度L、坝前水深H;或,水库的库容V、回水长度L、坝前水深H、三角洲顶点到回水末端的水平距离L0、三角洲顶点处的水深H0
(2)根据步骤(1)得到的水库的库容V、回水长度L、坝前水深H,和/或,三角洲顶点到回水末端的水平距离L0、三角洲顶点处的水深H0,计算得水库概化河宽
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
其中,△H=H-H0,△L=L-L0
(3)根据泥沙情况,计算水库的多年平均入库流量Q入库、多年平均入库床沙质输沙率G入库、床沙质中值粒径D50
(4)将步骤(1)得到的水库库容V、回水长度L和/或三角洲顶点到回水末端的水平距离L0,步骤(2)得到的水库概化河宽和步骤(3)得到的水库多年平均入库流量Q入库、多年平均入库床沙质输沙率G入库、床沙质中值粒径D50,代入水库冲淤平衡关系式:
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
其中,△L=L-L0
(5)以Q入库V为横坐标,以为纵坐标,绘制水库淤积风险评估点;
(6)将水库淤积风险评估点,与以冲淤平衡线划分的水库淤积风险分区进行比较,得到水库淤积风险评估结果。
2.根据权利要求1所述的水库淤积风险评估方法,其特征在于,所述的冲淤平衡线:
三角洲淤积形态:
锥形淤积形态和带状淤积形态:
3.根据权利要求1所述的水库淤积风险评估方法,其特征在于,水库淤积风险区域以冲淤平衡线为界,分为高风险区和低风险区,冲淤平衡线的线上区域为高风险区,线下区域为低风险区。
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