长江科学院院报

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2025 , Vol. 42 >Issue 9: 10 - 16

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240828

河湖保护与治理

陆水水库建库近60年泥沙淤积、库区演变及影响

  • 刘心愿 , 1 ,
  • 李凌云 1, 2 ,
  • 张金武 3 ,
  • 张丹 4
展开
  • 1 长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010
  • 2 长江水利委员会 汉江流域治理保护中心,武汉 430010
  • 3 长江水利委员会 陆水试验枢纽管理局,湖北 赤壁 437399
  • 4 湖北省碾盘山水利水电枢纽工程建设管理局,武汉 430010

刘心愿(1981-),男,河南周口人,正高级工程师,博士,主要从事水文预报及调度、河流演变及治理等研究工作。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-08-04

  修回日期: 2024-11-29

  网络出版日期: 2025-04-30

基金资助

国家自然科学基金长江水科学研究联合基金项目(U2240224)

国家自然科学基金长江水科学研究联合基金项目(U2240206)

水利部三峡后续工作项目(CKSG2024272/HL)

水利部三峡后续工作项目(CKSG2024273/HL)

收起

Sedimentation and Evolution of Lushui Reservoir and Their Impacts over the Past 60 Years since Construction

  • LIU Xin-yuan , 1 ,
  • LI Ling-yun 1, 2 ,
  • ZHANG Jin-wu 3 ,
  • ZHANG Dan 4
Expand
  • 1 Key Laboratory of River and Lake Regulation and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of the Changjiang River of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China
  • 2 Hanjiang River Basin Management and Protection Center of the Changjiang Water Resources Commission,Wuhan 430010,China
  • 3 Lushui Experimental Junction Administration Bureau of the Changjiang Water Resources Commission,Chibi 437399,China
  • 4 Construction Management Bureau for Nianpanshan Water Conservancy and Hydropower Junction Project in Hubei Province,Wuhan 430010, China

Received date: 2024-08-04

  Revised date: 2024-11-29

  Online published: 2025-04-30

Fold

摘要

研究库区泥沙淤积情况对于水库的运行和管理十分重要,结合陆水水库建库前及近期库区地形,复核了陆水水库建库前库容曲线,采用断面法和栅格地形法分析了陆水水库库区的淤积时空分布特征,开展了淤积重点区域的河道演变分析,并从多个方面综合分析了库区淤积的影响。总体而言,陆水水库泥沙淤积总量不大,但局部库段淤积比较突出,对防洪、航运、灌溉、发电等功能发挥带来了不利影响,建议采取机械清淤、加强汛期排沙调度等措施,控制库区泥沙淤积,保持水库有效库容。研究成果可为水库相关管理工作提供参考。

关键词： 陆水水库; 泥沙淤积; 地形法; 河道演变; 淤积影响

本文引用格式

刘心愿 , 李凌云 , 张金武 , 张丹 . 陆水水库建库近60年泥沙淤积、库区演变及影响[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(9) : 10 -16 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240828

Abstract

[Objective] This study systematically examines the characteristics of sediment deposition and river evolution in Lushui Reservoir over 60 years since its construction and evaluates their comprehensive impacts. [Methods] Based on pre-construction (1959) 1∶10 000 topographic maps and recent (2018) 1∶5 000 maps, sediment volumes and stage-capacity curves were calculated using the cross-section method and 10 m × 10 m grid-based method (combined with Simpson’s 3/8 rule). [Results] The total deposition was 32.397 million m3, accounting for only 4.6% of the total storage below the design flood level, indicating overall light siltation. However, the spatial distribution was highly uneven—74% of the deposition was concentrated below the flood-limit water level, with the Hongshang-Shikeng downstream 11km reach becoming the core deposition zone, accounting for 51% of the total (local maximum deposition thickness up to 11.79 m), while the Hongshang-Langkou reach was likely in a scouring state due to unregulated sand mining and reduced sediment inflow. For channel evolution, the thalweg in the Hongshang-Shikeng reach rose on average 6.27 m, and the shoreline at the 45 m dead water level elevation shrank markedly; maximum thalweg migration reached 660 m (at the Lashupu widening), and the depositional pattern tended toward a deltaic form—with the Hongshang-Shikeng reach dominated by main-channel deposition, and sections above Hongshang mainly showing floodplain deposition. Deposition significantly impaired reservoir functions: (1) For flood control, 6.856 million m3 of flood-control capacity was lost (4.2% loss rate), and the cross-section area in the Hongshang-Shikeng reach was reduced by 26% on average (up to 54%), markedly lowering discharge capacity and raising the regulated flood levels under design floods. (2) For beneficial use, 17.193 million m3 of active storage lost (equal to an annual power loss of 842 000 kW·h), and 12.29 million m3 between the dead water level and flood-limit level was lost (8.1% of mean annual irrigation withdrawal). (3) For navigation, thalweg elevations were generally at or above the 45 m dead water level elevation, severely restricting navigation during low-flow periods. [Conclusion] Although the overall sedimentation rate of Lushui Reservoir is low, local deposition poses a significant threat to flood-control and navigation functions. Mechanical dredging in the key reach (Hongshang-Shikeng) and optimization of sediment-flushing schedules during the flood season are urgently needed to control sediment and maintain effective storage capacity. These findings provide a scientific basis for sediment management in long-operating reservoirs and for the development of “modern reservoir operation and management matrix” proposed by the Ministry of Water Resources.

Key words： Lushui Reservoir; sedimentation; topographic method; river channel evolution; sedimentation impacts

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0 引言

水库兴建和运用后,库容会随着泥沙淤积而不断缩减,分析库区泥沙淤积情况对于水库的运行和管理十分重要。我国现有水库9.8万多座, 80%以上修建于20世纪50—70年代,大多数水库已运行达50 a以上,库区的泥沙淤积情况是一个非常值得研究的课题。特别是随着近期水利部现代化水库运行管理矩阵建设先行先试工作、大中型水库防洪库容安全管理专项行动的推进,开展水库库容曲线复核工作、掌握水库库容的淤损情况十分必要和急切。
陆水水利枢纽为三峡工程和葛洲坝的试验坝,自1958年10月动工兴建,已运行近60 a,其泥沙淤积分析对于同时期兴建的其他水库的泥沙淤积影响及治理对策研究具有重要参考意义。本文在综合分析已有研究成果的基础上,结合建库及最新实测地形资料分析研究了陆水水库建库以来的泥沙淤积规律,为相关工作提供参考依据。

1 水库水沙特征

陆水为长江中游南岸一级支流,源出湘、鄂、赣三省交界的幕阜山脉,流经咸宁三县一市,于武汉市上游约157 km的陆溪口注入长江,干流全长183 km,流域面积3 950 km2。陆水水利枢纽位于陆水干流山谷出口处赤壁城区附近,控制流域面积3 400 km2,占全流域面积的86%。
陆水水利枢纽是以防洪为主,兼具灌溉、发电、航运、养殖、供水、旅游及试验等综合任务的大(2)型水利枢纽,工程于1958年10月动工兴建,1967年6月下闸拦洪,1969年12月首台水轮发电机组并网发电,1974年底全部机组安装完毕投入运行。陆水水库总库容7.06亿m3,兴利库容4.08亿m3,调洪库容2.29亿m3,为不完全年调节水库。陆水水库上游流域内现有大型水库1座(青山水库),中小型水库100多座,基本上是在20世纪70年代建成的。其中青山水库1973年基本建成,总库容4.28亿m3,为多年调节水库,一般洪水年份仅有发电尾水入注陆水水库,遇大洪水时才开闸泄洪。
陆水属雨洪补给的山溪性河流,河水陡涨陡落,其径流量年内分布不均,汛期3—8月份径流量占年总径流量约80%,其中又以5、6月份最为集中,约占40%。根据陆水水库1984—2018年资料统计,年最大洪峰出现在6月份的几率最大,占总年数的31.4%;其次为7月份,占总年数的22.9%;再次为4月份和5月份,均占总年数的17.1%。年最大24 h、7 d入库洪量出现在6月份的几率最大,占总年数的34.3%;其次为4月份,占总年数的22.9%。据1953年以来的资料统计,历年最大入库洪峰为8 650 m3/s,出现在1954年(约80 a一遇);次大洪峰为6 860 m3/s,出现在1967年;历史最高库水位56.48 m,出现于1973年。陆水水库入库10 a一遇、50 a一遇、100 a一遇设计洪水洪峰流量分别约5 300、8 250、9 390 m3/s,但陆水河道下游堤防防洪标准偏低,不足5 a一遇,其最大过流能力仅2 500 m3/s左右,由于陆水水库的修建,陆水下游的洪水威胁大大减轻,防洪标准提高到约15 a一遇。
陆水河为少沙河流,干流崇阳站多年平均悬移质含沙量0.137 kg/m3,年输沙量73.2万t,平均年输沙模数405 t/km2。1983年之后,由于河流来沙量不大,入库控制站崇阳站改为常年观测水位、流量,而毛家桥、白霓桥二站也因上游修建中、小型水库,河道枯季流量很少,也不再进行泥沙监测。

2 水库淤积情况分析

陆水水库库区回水可达距坝址上游约52 km的崇阳县城。陆水水库库区内布设了永久性的泥沙淤积观测大断面及水文站网,用于水库运行后的泥沙淤积观测,1961—1982年每2~3 a观测一次,1983年以后改为每3~5 a施测一次。水库蓄水初期布设断面多达22个,经过几年观测后,对淤积量很小且沿程变化不大的库段进行了适当精简。到1995年底,常年观测的断面有:主坝上游800 m山头间、聂四渡、石坑、新庄、易家埠、白云潭、浪口、夹泽畈、施家渡、小港、谭家湾、崇阳、清江、上门、郭家岭15处。目前已有库区淤积成果主要依据的是库区大断面观测资料,本研究收集了建库前1959年库区1∶10 000地形图和最新2018年中下段库区1∶5 000地形图对库区淤积进行计算分析。

2.1 淤积计算方法

河道冲淤量常用计算方法有输沙量平衡法、断面地形法和栅格地形法等[1-5],不同方法计算的冲淤量结果往往差别很大,甚至可能会存在冲淤性质相反的情况[1-5]。不同方法各有其适用条件,近年随着测绘及计算技术发展,栅格地形法由于能提供更详细和精确的数据,应用越来越广泛。

2.2 断面法计算成果分析

收集了陆水水库库区泥沙淤积计算已有部分研究成果,发现存在差异较大情况,见表1。毛荣生等[6]针对陆水水库1961—1991年淤积情况进行了计算分析,采用断面法计算得到滞洪期(1961—1967年)淤积量为360.4万m3,蓄水期(1967—1986年)泥沙淤积量约1 550.1万m3,1987—1991年累积淤积约252.6万m3;而根据文献[7],采用断面法计算得到滞洪期淤积量193.9万m3,蓄水期(1967—1986年)总淤积量832.7万m3,1961—1986年累积淤积量1 026.6万m3;而蔺秋生等[8]采用库区大断面法计算得到1967—1986年淤积量1 578.8万m3,接近于毛荣生等[6]研究成果;本次复核采用大断面法,基于2005年底实测大断面资料及1959年地形剖取的断面,计算淤积量为1 494.3万m3,比较接近于水文部门的计算成果。但水文部门报告结论中提到,只根据固定断面资料计算,缺乏水道地形资料,库区泥沙淤积计算成果的代表性可能欠佳,建议实施库区地形测量。可以看出,陆水水库库区淤积量已有成果差异明显。2005年以来,根据收集的2018年库区实测地形按照固定断面位置进行剖分计算,2005—2018年库区总体冲刷约189.7万m3,其中花庙至坝前冲刷约608.8万m3,而主要淤积部位位于花庙以上至腊树铺,达377.1万m3。根据现场调研,2005—2018年该库段曾有大量无序采砂活动。
表1 已有研究成果对比

Table 1 Comparison of existing research results

成果来源 滞洪期(1961—1967年)
淤积量/(万m3)		 蓄水运用期淤积量/(万m3) 计算
方法
1967—1986年 1987—1991年 1991—2005年 1959—2005年 2005—2018年
毛荣生等[6] 360.4 1 550.1 252.6 — >2 163.1 — 断面法
水文报告 [7,9] 193.9 832.7 — 317.0 >1 343.6 — 断面法
蔺秋生等[8] — 1 578.8 311.6 1 142.5 >3 032.9 — 断面法
本次计算 — — — — 1 494.3 -189.7 断面法

注:本次淤积计算只统计了坝前至浪口段,而浪口以上库尾段限于资料收集没有统计,负值表示冲刷。

不同时期计算成果差异较大,由于库区多湖汊,岸线十分曲折,断面数量及断面布置可能会对冲淤计算结果产生较大影响。陆水水库库区长约52.5 km,建坝初期(1961年)布设固定断面8个,1967年增加为20个,1986年底及以后观测固定断面为23个。
针对断面布置对库区冲淤量计算的影响,将库区划分为若干个等间距的断面,基于1959年和2018年库区地形进行剖分计算,结果如表2所示,可以看出断面间距不同时,淤积量计算差异非常显著,断面平均间距2 915 m与研究河段固定大断面的平均间距比较接近,但淤积量计算结果仍然差别较大。说明了断面的布置及数量对多湖汊库区冲淤计算结果的影响十分显著。
表2 断面法计算成果分析

Table 2 Analysis of calculation results using cross-section method

断面平均间距/m 2 915 1 003 2 007 203
淤积量/(万m3) 2 115.4 4 594.5 5 149.5 3 189.7

2.3 地形法计算成果分析

采用建库前数字化后的1959年12月地形测图,采用10 m×10 m栅格地形法,提取库区57.1 m最大等值线范围,并将库区地形切割出来,然后采用Simpson’s 3/8 Rule(辛普森3/8法)算法计算建库前不同水位的蓄水容积,并与设计库容曲线进行比较,如图1所示,可以看出,两者比较接近,说明了栅格地形法计算成果的可靠性。
图1 建库前水库水位-库容曲线复核计算

Fig.1 Verification of pre-construction stage-capacity curve

本文采用不同栅格尺寸的地形进行了冲淤计算分析(表3),可以看出,栅格尺寸对计算结果影响相对较小,计算结果较为稳定可靠,因此,本文以栅格地形法计算成果为主。本文采用10 m×10 m栅格法计算成果,坝前至浪口段总淤积量3 239.7万m3,与较密的断面法计算成果比较接近;浪口以上2018年没有测量地形,根据1959年地形计算得到浪口以上库容占总库容约4.6%,占比较小,加上洪上以上修堤拦汊导致大量湖汊被围占、库尾筑坝(天成电站建设)占用库区容积面积,现状浪口以上库区容积面积较1959年萎缩不少。而且根据已有研究[8-9],浪口以上库尾有冲有淤,加上采砂影响,淤积较少。因此库区坝前至浪口段淤积量总体上能代表整个库区的淤积量。
表3 栅格地形法计算成果分析

Table 3 Analysis of calculation results using grid-based topographic method

栅格尺寸/(m×m) 10×10 100×100 200×200
淤积量/(万m3) 3 239.7 3 191.5 3 203.0

2.4 淤积时空分布特征

采用栅格地形法计算了库区浪口至大坝段建库以来不同特征水位以下的总淤积量,如表4所示。按地形法计算淤积量约占总库容(校核洪水位以下)的4.6%,可以看出,水库整体淤积情况不严重。汛限水位以下淤积量占总淤积量的74%,说明垂向上淤积主要分布于汛限水位以下部位。
表4 不同特征水位以下总淤积量

Table 4 Total sediment volume below different characteristic water levels

特征水位 高程/m 总淤积量/(万m3)
死水位 45.0 1 151.5
灌溉限制水位 50.5 2 097.7
汛限水位(主汛期) 53.0 2 380.5
正常蓄水位 55.0 2 870.8
防洪高水位 56.0 3 066.1
设计洪水位 56.5 3 150.9
校核洪水位 57.1 3 239.7
水库纵向沿程冲淤变化有所差别,统计各段淤积量及淤积强度,如表5所示。可以看出淤积量主要分布于花庙—洪上段,尤其是石坑—腊树铺段淤积量最大,淤积强度最高,占库区总淤积量的51%,说明局部库区段淤积问题突出。洪上—浪口段总体呈冲刷特点,据调研主要受库区来沙较少库尾冲刷以及之前的无序采砂等影响。
表5 不同河段淤积量及淤积强度统计

Table 5 Statistics of sedimentation volume and intensity in different segments

河段 距离/km 总淤积量/(万m3) 淤积强度/(m3·m-1)
坝上—花庙 15.7 254.4 162
花庙—石坑 5.7 990.4 1 738
石坑—腊树铺 4.7 1 642.2 3 494
腊树铺—洪上 7.5 887.2 1 183
洪上—浪口 8.5 -534.5 -629
基于地形法绘制了陆水水库库区的冲淤分布图,如图2所示,可以直观看出,库区花庙以下段淤积较少;库区洪上至石坑下游附近段为泥沙淤积重点部位,且以主槽淤积为主,滩地以上也有少量淤积;而洪上以上库段总体呈冲刷特点,淤积部位以淤滩为主。
图2 建库以来库区冲淤分布

Fig.2 Distribution of erosion and deposition in reservoir since construction

根据已有研究成果[7-8],工程施工滞洪期间(1961—1967年),由于库水位常年维持在31 m以下,泥沙主要淤积区在石坑断面以下,石坑断面以上因受坝前蓄水影响淤积很少。1967—1991年蓄水运用期,重点淤积部位为腊树铺至易家埠段,该段为变动回水区与常年壅水区连接段,大量泥沙落淤;1991年后,淤积部位逐渐下移至石坑至腊树铺段,该段为水库由河道型向湖泊型转变的过渡段;上游以上有冲有淤,淤积较少,受无序采砂影响,呈冲刷特点。
总体看来,陆水水库蓄水运用近60 a来泥沙淤积不太严重,主要原因在于:
(1)陆水流域植被条件较好,水土保持状况良好,为典型的少沙河流,库区上游总体来沙量不大。
(2)水库上游修建的各种大、中、小型水库对减少入库泥沙也起了重要作用。
(3)无序采砂也是一个重要影响因素。

3 库区演变分析

建库以来库区深泓高程变化如图3所示,可以看出,建库以来花庙以下、洪上以上库段深泓高程呈略微冲刷下切,而洪上至石坑下游库段大幅淤高,局部库段甚至高于死水位;水库淤积形态趋向三角洲淤积。建库以来各典型断面变化如图4所示,各断面主槽滩槽均有不同程度淤高,特别是新庄固定断面,平均淤高约7 m;腊树铺固定断面位于河道向湖泊过渡的狭颈处,加上近年来受桥梁建设及采砂等人类活动影响,淤高幅度不大;石坑固定断面建库以来主槽平均淤高约3.5 m,滩地平均淤高约1.6 m;腊树铺和石坑固定断面淤积幅度不显著,可能与该断面位置有关,均接近于断面缩窄位置,流速较大不易落淤,但结合库区冲淤分布图和深泓线高程变化图可以看出,洪上至石坑下游附近库段淤积最为显著。此外,结合冲淤分布图和固定断面变化图可以看出,洪上至石坑下游段主槽以淤积为主,而洪上以上库段淤积部位主要位于滩地。
图3 建库以来库区深泓高程变化

Fig.3 Changes in thalweg elevation in reservoir since construction

图4 典型断面变化

Fig.4 Changes in typical cross sections

针对洪上—石坑段长约11 km的重点淤积库段演变进行分析,如图5所示。岸线变化方面,建库前45 m高程线是全部贯通的,因水库淤积,至2018年5月45 m高程线不再贯通,范围大幅缩减;灌溉限制水位50.5 m高程线较建库前变化主要位于弯道段边滩及河流入汇口附近,高程线有所萎缩。库区深泓线平面摆幅较大位置主要位于洪上至石坑河段,特别是腊树铺以下放宽段,深泓最大摆幅达660 m。沿程深泓线高程整体较建库前大幅淤高,最大淤高达11.79 m,沿程深泓线平均淤高6.27 m,特别是腊树铺至石坑放宽段。
图5 淤积重点库段河道演变平面变化

Fig.5 Planform evolution of key sedimentation segments

4 水库泥沙淤积影响分析

水库泥沙淤积会对水库库容、使用寿命及综合效益等方面产生影响。陆水水库淤积总量不大,仅占水库总库容的4.6%,水库泥沙淤积问题整体上并不严重,但局部库段问题比较突出。泥沙淤积对库区防洪、兴利及航运等方面带来了一定影响。
防洪方面,建库以来防洪库容淤损约685.6万m3,淤损率约4.2%,最大调洪库容淤损约859.2万m3,淤损率约3.7%。防洪库容淤损量可使56 m的防洪高水位抬高近11 cm,库容淤损对水库调洪水位存在着一定影响。此外,库区洪上至石坑段过流能力变化,如图6所示,沿程断面平均淤损约26%,最大达54%,该库段沿程断面淤损严重。在假定糙率、比降、水力半径不变的情况下,根据曼宁公式,各断面过流能力与断面面积呈正比,则该库段过流能力降低非常明显,若遭遇设计洪水会抬高洪水位。
图6 设计洪水位以下洪上至腊树铺沿程过水断面面积淤损百分比

Fig.6 Reduction ratio of cross-sectional area along Hongshang-Lashupu reach below design flood level

兴利方面,兴利库容淤损约1 719.3万m3,库容淤损率约4.2%,不考虑汛期库容的重复利用,按每kW·h电能耗水约19 m3,淤损容积对应的水量折合电能约84.2万kW·h,按上网电价0.3元/(kW·h),每年可以折合25.3万元的发电效益,库容淤损会造成一定的发电效益损失,但影响较小;灌溉是陆水水库的重要功能之一,死水位至汛限水位之间库容淤损失1 229.0万m3,陆水水库的年均无偿灌溉取水量为1.52亿m3,库容淤损占陆水水库灌溉用水的比例约8.1%。
航运方面,该河段深泓线高程抬高较为明显,大部分深泓线高程均接近或超过死水位45 m,如图3所示,枯水期水库水位较低,所以水库淤积对枯水期通航影响非常明显。
可以看出,陆水水库库区淤积对水库防洪、兴利、航运、灌溉等功能发挥均造成了不利影响,尤其是库区局部淤积带来的防洪及航运问题较为突出,应引起重视,可考虑采取一定措施控制泥沙淤积,如采取机械清淤等工程措施和加强汛期排沙调度等非工程措施,保持水库有效库容和功能正常发挥。

5 结论

(1)本文结合陆水水库建库前及近期库区地形,分析比较了已有库区泥沙淤积研究成果,研究了存在较大差异的原因,结果表明断面的布置及数量对多湖汊库区冲淤计算结果的影响十分显著。
(2)采用栅格地形法开展了建库前陆水水库水位-库容曲线复核计算,栅格尺寸对计算结果影响相对较小,结果表明栅格地形法计算成果较为稳定可靠。
(3)基于10 m×10 m栅格地形法计算得到坝前至浪口段总淤积量3 239.7万m3,约占总库容的4.6%,水库整体淤积情况不严重。垂向上淤积主要分布于汛限水位以下部位;库区洪上至石坑下游段淤积量大,淤积强度高,为泥沙淤积重点部位。
(4)结合库区演变分析,洪上至石坑附近库段淤积最为显著,死水位45 m高程线萎缩明显,深泓摆幅大;水库淤积形态趋向三角洲淤积,库区局部淤积问题突出。洪上至石坑下游附近段主槽以淤积为主,而洪上以上库段淤积部位主要位于滩地。
(5)库区泥沙淤积对水库的防洪、兴利、航运、灌溉等功能发挥带来了不利影响,尤其是局部淤积带来的防洪及航运方面的问题较为突出,应引起重视,可考虑采取一定措施控制泥沙淤积,保持水库有效库容和功能正常发挥。
(6)本文冲淤计算主要基于建库前库区范围,没有考虑近60 a来拦汊筑坝修堤对库区范围及库容的影响,建议进行全库区地形测量,并对库区范围及库容面积进行全面复核计算分析。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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