水库建设对下游砂砾石推移的影响分析

许继良 杨超 姜利杰

摘要：水库的建设旨在蓄丰补枯，为人类社会发展保驾护航。水库的运行调度改变了天然径流分配，在不少水库前期论证中，专家学者对水库建设可能对下游造床造成的影响表示担忧。以某水库为例，以考虑粗化影响的砂砾石起动流速为标准，建立坝下特征断面流量与不同粒径砂砾石起动流速的相关关系;通过分析水库建设前后特征断面流速和流量的变化，提出水库建设和调度影响较大的砂砾石粒径范围，为类似项目提供参考。

关键词：砂砾石推移;起动流速;水库调度;水库建设

中图法分类号：TV121

文献标志码：A

据第一次全国水利普查统计数据，我国已建水库大坝9.8万余座，是世界上建造水库大坝最多的国家，另有过流能力不低于1m3/s的闸、堰等水利设施27万多座。这些水利工程在实现水资源开发利用的同时，也给河流生态环境带来了一定的负面影响，特别是因水库调蓄改变了下游的径流过程，可能对下游砂砾石等河床质的推移造成影响。研究因水库调度改变径流从而造成的造滩影响，为工程建设和环境保护提供参考依据是十分必要的。

本文以在国家级风景名胜区上游建设的某水库为例，从河床质级配、起动流速、水库调度对径流的改变等方面人手，浅析水库建设对河床质移动及滩林的影响，为类似项目在分析思路、方法、结论上提供参考。

1砂砾石起动条件概述

目前，国内外学者对于砂砾石起动条件的表达方式主要有起动切力和起动流速两种，二者既是统一的，也存在明显的差异。起动切力具有明显的物理意义，但由于难以获得准确的河床坡度和床面切力资料，实际应用时相对困难。起动流速虽然作为间接的起动因子，但由于其在天然河流中易于观测，起动流速的表达方式也因此得到更为广泛的应用。自20世纪60年代以来，我国广大学者从不同角度研究了砂砾石起动的特点与规律，建立了不同的起动流速表达式，如窦国仁、华国祥、唐存本、秦荣昱、陈媛儿和谢鉴衡、韩其为、冷魁等人的研究成果，为河势演变分析提供了较大的参考价值。

一般来说，天然河道中的床沙为非均匀沙，尤其是山区卵石河道，坡降陡、流速大、颗粒级别宽，床沙的最大粒径与最小粒径相差可达数千倍。在天然河道中，河床的冲刷与粗化现象普遍，当河道水沙条件改变引起床面冲刷时都会出现粗化。如今泥沙界学者普遍认识到不均匀沙的起动输沙过程也是床沙粗化过程。国内学者刘兴年认为卵石河道冲淤计算中更应考虑补给条件不同对非均匀沙起动流速的影响，通过水槽实验和野外实测.考虑床沙粗化及隐暴作用的起动流速，建立了起动流速公式，即式中，H为水深，m;d为床沙粒径，m;d为床沙等效粒径，m;y为水密度，kg/m3;y.为床沙密度，kg/m3;D为水的运动粘度，m2/s;g为重力加速度，m/s2。

通过研究国内相关文献，笔者认为式（1）适用于该水库下游河床的砂砾石起动流速计算。

2实例分析

2.1特征断面河床砂砾石起动条件分析

某规划水库位于某流域上游，流量总面积2436km2，规划水库集水面积312km2，水库下游为国家级风景名胜区，风景区滩林分布众多。根据地质勘察，下游河道主要是石质河床和卵石河床，也有少量的沙质河床。考虑水库对下游断面洪水的影响大小，选取距离坝址下游约2.2km的断面进行分析。该河流砂砾石成分为中酸性火山岩，次圆一次棱角状为主，粒径以20～100mm为主，少数150～20mm，局部见漂石，漂石粒径最大可达1000mm以上。该水库坝址表部和上部砂砾卵石层颗粒级配曲线分别见图1和图2。

基于以上分析，选取起动流速公式计算不同粒径下的起动条件。由于计算断面流量在水库工程调度过程中运用更为广泛，因此通过绘制特征断面的水位一流量关系曲线（见图3），可将起动流速与流量对应起来，成果见表1。由表1可知，随着砂砾石粒径的增大，该断面砂砾石起动所需的流量也越来越大。

2.2水库建设后断面流速变化

根据坝址下游河道行洪特性，采用非恒定流计算方法对河道行洪进行分析演算。水利计算模型上边界取坝址断面为流量边界，下边界取已建供水工程拦河坝为水位边界，区间洪水作为旁侧人流汇人，模型计算河长48km。采用长系列54a逐时计算（水文系列1961～2014年），针对特征断面选取了3个典型年进行分析（见图4）。从计算成果分析可知：①从选取的典型年和计算断面流速分析，水库下游流速基本在4m/s以下。②从长系列计算成果来看，水库建设后对下游河道流速的影响主要集中在1.5m/s以下的流速区间。水库建设后较建设前低流速的占比减少，高流速的占比增加。③从丰、平、枯3个年份来看，水库建设对丰水年河道水流流速影响较小，对枯水年流速影响较大。水库建设后调丰补枯，下游河道水量增加，流速也较建设前提高。

综上，水库建设后对下游水流流速的影响较小，在枯水期更是提高了下游水流流速。

2.3水库建设对砾石输移的影响分析

根据地质调查，该水库坝址以下河道砂砾石成分主要为中酸性火山岩，粒徑以20～100mm为主，少数150～200mm。根据起动流速分析成果，坝址下游典型断面砂砾石粒径在20～100mm的起动大致流速在1.33～2.57m/s之间，相应的流量在160～960m3/s之间。

（1）从流速角度进行分析。1.5m/s以上流速占比小，水库运行调度对该段流速影响小。由于水库泄放生态流量要求，水库建设后增加了断面1.3m/s流速的时间。因此水库运行调度可能会增加下游20mm左右砂砾石的推移，但由于粗化现象的存在，影响可能更小。

（2）从流量角度进行分析。坝址下游特征断面的区间面积约271.9km2，区间20a一遇设计洪水为2790m3/s，5a一遇设计洪水为l570m3/s，2a一遇洪水约1040m3/s，常遇洪水约400m3/s。根据表1中的成果分析可知，发生常遇洪水时，可使特征断面粒径40mm的砂砾石起动;遭遇2a一遇洪水时，基本能使粒径在100mm以下的砂砾石起动;遭遇5a一遇洪水时，基本能使溪口断面粒径在140mm以下的砂砾石起动;而遭遇20a一遇洪水时，可使该断面河床大部分砂砾石起动推移。随着更多支流的汇人，特征断面以下规划水库控制面积所占比例也会越来越小，区间洪水越来越大，可推断水库对下游砂砾石的起动也基本无影响。

3结论

（1）水库建设和调度改变了天然径流分配，可能会对下游造床产生影响。本文以砂砾石起动流速的经验公式为标准，结合特征断面的水位一流量关系，建立特征断面的砂砾石粒径一起动流速一起动流量关系;再通过长系列水文资料计算分析水库建设前后下游特征断面的流速变化，通过比较水库建设前后的流速和流量，初步判断水库建设对下游不同粒径的砂砾石推移影响。笔者认为在缺少资料的条件下，该方法可为决策者在水库前期论证过程中提供一定的参考依据。

（2）在实际中，砂砾石迁移的影响因素较多，砂砾石运动的随机性也较大。对下游有造滩需求的水库，建议在保证下游防洪安全的基础上，可定期通过水库下泄，形成人造洪峰，提高下游河道水流流速，增加砂砾石运动的可能性。

参考文献：

[1]窦国仁，论泥沙起动流速[J].水利学报，1960（4）：44-60.

[2]华国祥，泥沙起动流速[J].成都工学院学报，1964（1）：1-12.

[3]唐存本.泥沙起动规律[J].水利学报，1963（2）：1-12.

[4]秦荣昱，王崇浩，河流推移质运动理论及应用[M].北京：中国铁道出版社，1996.

[5]陈媛儿，谢鉴衡.非均匀沙起动规律初探[J-武汉水利电力学院学报，1988（3）：28-37.

[6]韩其为，何明民.泥沙运动统计理论[M].北京：科学出 版社，1984.

[7]冷魁，非均匀沙卵石起动流速及输沙率的试验研究[D].武汉：武汉水利电力大学，1993.

[8]刘兴年.沙卵石推移质运动及模拟研究[D].成都：四川大学，2004.