亭子口水庫泥沙沖淤演變及治理分析

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

亭子口水庫泥沙沖淤演變及治理分析

林向陽

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

本文除對(duì)亭子口水利樞紐所在嘉陵江流域泥沙情況進(jìn)行分析外，還對(duì)該樞紐建庫投運(yùn)之后庫首泥沙沖淤變化情況進(jìn)行了測(cè)量分析，基本掌握了亭子口水利樞紐庫區(qū)泥沙沖淤演變規(guī)律。并針對(duì)該規(guī)律提出了相應(yīng)的防護(hù)、治理措施，以延長(zhǎng)亭子口水庫使用壽命，從而充分發(fā)揮亭子口水利樞紐綜合效益。

沖淤 懸移質(zhì) 推移質(zhì) 演變規(guī)律 疏浚 亭子口水庫

1 樞紐概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，下距蒼溪縣城約15km，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)，并具有攔沙減淤等效益的綜合利用工程。

工程壩址位于李家咀，壩型為碾壓混凝土重力壩，壩軸線總長(zhǎng)995.4m，壩頂高程465m(升船機(jī)壩段高程為467.7m)，最大壩高116m。樞紐布置為：河床中間布置8個(gè)表孔、5個(gè)底孔及消能建筑物，底孔(兼作排砂孔)布置在表孔左側(cè)，河床左側(cè)布置壩后式電站廠房，河床右側(cè)布置垂直升船機(jī)，兩岸布置非溢流壩段。

水庫正常蓄水位458m，死水位438m，設(shè)計(jì)洪水位461.3m，校核洪水位463.07m，總庫容40.67億m3。水庫預(yù)留防洪庫容10.6億m3(非常運(yùn)用時(shí)為14.4億m3),可灌溉農(nóng)田19.48萬hm2，電站裝機(jī)1100MW，通航建筑物為2×500t級(jí)。工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大(1)型。

2 流域產(chǎn)、輸沙情況

嘉陵江流域是長(zhǎng)江上游重點(diǎn)產(chǎn)沙河流，其泥沙主要來自支流，支流中產(chǎn)沙最豐的是上游支流西漢水和白龍江。白龍江流域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖層破碎，泥石流發(fā)育；西漢水上游約2350km2區(qū)域系黃土高原延伸區(qū)，侵蝕強(qiáng)度極高，其特點(diǎn)是水少沙多含沙量高。

根據(jù)嘉陵江流域各水文站1956-2000年輸沙資料統(tǒng)計(jì)，流域內(nèi)各區(qū)多年平均輸沙模數(shù)為200t/km2·a～2500t/km2·a，其分布極不均勻。主要產(chǎn)沙區(qū)為略陽站以上地區(qū)及白龍江、西漢水兩支流，西漢水中上游和白龍江中游舟曲至武都區(qū)間輸沙模數(shù)高達(dá)2500t/km2·a左右，干流武勝站以下輸沙模數(shù)在800t/km2·a左右。近年來由于嘉陵江上游及其支流修建多座水利工程，對(duì)河流泥沙的發(fā)展產(chǎn)生較大影響。白龍江上的碧口電站于1975年12月蓄水，碧口水庫淤積年限較短，攔沙能力有限。據(jù)亭子口水文站實(shí)測(cè)懸移質(zhì)資料分析，碧口建庫前后對(duì)亭子口站含沙量尚未出現(xiàn)明顯增減變化趨勢(shì)，基本維持天然河道含沙量。白龍江碧口電站下游的寶珠寺電站于1996年10月蓄水運(yùn)行，多年平均輸沙量建庫前后減少了13.7%。寶珠寺水庫泥沙淤積年限在100年以上，據(jù)估算，該水庫運(yùn)用初期10年末，水庫排沙比僅為6%；泥沙淤積量相應(yīng)也較多，約為1.6億t。

2.1 懸移質(zhì)

根據(jù)亭子口水文站1955-1956年、1958-1960年、1962-1964年、1966-1967年、1969-2004年共計(jì)46年完整的實(shí)測(cè)懸移質(zhì)系列統(tǒng)計(jì)，亭子口多年平均懸移質(zhì)年輸沙量為4880萬t,多年平均含沙量為2.54kg/m3。輸沙量年際變化較大，年最大輸沙量為1984年的16400萬t，最小年輸沙量為2002年的194萬t，最大最小輸沙量比為84.5，最大與平均輸沙量比為25.2。

表1 嘉陵江亭子口站各時(shí)期多年平均年輸沙量

亭子口站輸沙量年內(nèi)分配很不均，輸沙量主要集中在6～9月，占全年輸沙量的90%左右，豐沙年的1984年更為突出，如亭子口站1984年6～9月輸沙量占全年的97.9%，最大的一個(gè)月輸沙量占到了全年的49.3%。各控制站輸沙量的年內(nèi)分配見下表2。

表2 嘉陵江亭子口站輸沙量年均分配

根據(jù)嘉陵江亭子口站1977-2004年實(shí)測(cè)懸移質(zhì)顆粒級(jí)配分析，其多年平均顆粒級(jí)的中數(shù)粒徑為0.015mm，平均粒徑為0.026mm。最大粒徑為1.00mm(1998年)。亭子口水文站懸移質(zhì)顆粒級(jí)配成果見下表3。

表3 亭子口站懸移質(zhì)顆粒級(jí)配

亭子口壩址河段懸移質(zhì)礦物成份，采用嘉陵江中游武勝水文站沙樣。根據(jù)紅外吸光譜測(cè)試分析，懸移質(zhì)礦物成份中以莫氏硬度小于5的軟礦物為主，多水高嶺土、水云母、粘土及碳酸鹽等占60%～80%,莫氏硬大于5的硬礦物僅為石英，占20%～40%。亭子口壩址河段懸移質(zhì)各粒徑組莫氏硬度大于5的硬礦物含量成果見下表4。

表4亭子口壩址河段懸移質(zhì)各粒徑組硬礦物含量

粒徑組(mm)0 500～0 2500 250～0 1000 100～0 050<0 050硬礦物含量(%)31 935 019 521 9

2.2 推移質(zhì)

根據(jù)1997年7月對(duì)嘉陵江亭子口以上的亭子口壩址河段、上游干流新店子河段、支流清水河上寺河段及白龍江碧口水庫四處進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析計(jì)算，亭子口以上卵推主要來自白龍江，新店子以上砂推為主。由于白龍江分別有碧口和寶珠寺水庫的攔蓄作用，亭子口樞紐推移質(zhì)分析計(jì)算以嘉陵江干流和支流清水江為主。根據(jù)調(diào)查資料分析，上寺和新店子站級(jí)配成果如下表5所示。

表5 上寺、新店子站推移質(zhì)級(jí)配成果

推移質(zhì)輸移量依據(jù)調(diào)查資料和實(shí)測(cè)水位、流量，采用愛因斯坦公式法和長(zhǎng)科院經(jīng)驗(yàn)曲線法計(jì)算。推移質(zhì)主要來源于汛期洪水，故計(jì)算時(shí)忽略了非汛期推移質(zhì)量。計(jì)算成果見下表6。

表6 亭子口樞紐推移質(zhì)計(jì)算成果

經(jīng)綜合分析，愛因斯坦法計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際，各站推移質(zhì)總量成果，即上寺站3.61萬t，新店子站11.26萬t，合計(jì)14.87萬t。

鑒于推移質(zhì)調(diào)查和計(jì)算公式本身的局限性，計(jì)算結(jié)果可能存在一定誤差。將本次推移質(zhì)推薦成果與其它單位對(duì)嘉陵江流域各電站設(shè)計(jì)成果進(jìn)行比較。成勘院2004年10月完成的《嘉陵江蒼溪電航樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中，推移質(zhì)年輸沙量為11.5萬t；四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院2000年11月完成的《嘉陵江干流四川段防洪工程可行性研究報(bào)告》中，對(duì)亭子口以下河段閬中、南部、儀隴新政、蓬安、武勝等河段進(jìn)行了推移質(zhì)年輸沙量計(jì)算，分別為11.5萬t、14.1萬t、11.3萬t、10.3萬t、14.7萬t，見下表7。

表7嘉陵江干流沿程各段推移質(zhì)輸移量成果比較

河段位置閬中城區(qū)段南部-儀隴新政段蓬安段嘉陵-高坪段武勝段亭子口段推移質(zhì)輸移量(萬t)11 514 111 310 314 714 87

從上表7可以看出，嘉陵江干流沿程推移質(zhì)輸移量沒有明顯規(guī)律性，但各河段之間差別不大，總體變化在14.87萬t～10.3萬t之間，亭子口推算推移質(zhì)輸移量比其下游都要大，一般而言河道推移質(zhì)輸移量呈沿程遞減，因此，亭子口水利樞紐采用推移質(zhì)輸移量14.87萬t。

《中國(guó)造紙學(xué)報(bào)》是由中國(guó)造紙學(xué)會(huì)主辦、中國(guó)制漿造紙研究院承辦的造紙專業(yè)學(xué)術(shù)性期刊，創(chuàng)刊于1986年。主要刊登造紙專業(yè)研究論文、學(xué)術(shù)報(bào)告及綜合性學(xué)術(shù)評(píng)述，反映我國(guó)造紙工業(yè)在原材料、制漿、造紙、廢液綜合利用及污染防治、機(jī)械設(shè)備、分析檢驗(yàn)、工藝和質(zhì)量控制自動(dòng)化以及制漿造紙專業(yè)基礎(chǔ)理論等方面的新進(jìn)展和新成果，是我國(guó)造紙工業(yè)理論性強(qiáng)、水平高的學(xué)術(shù)性期刊。它為我國(guó)造紙工業(yè)提供了一個(gè)極好的學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，對(duì)國(guó)內(nèi)造紙工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步做出了較大貢獻(xiàn)。本刊的固定欄目有：研究論文與綜述等。

3 亭子口水庫下閘蓄水以來汛期水庫調(diào)度運(yùn)用

下閘蓄水至今，亭子口水庫遭遇2年一遇以上規(guī)模洪水兩次，具體如下：

2013年下閘蓄水次日，上游流域強(qiáng)降雨產(chǎn)生較大的洪水過程，6月20日水庫蓄水速度開始加快，6月21日15時(shí)，洪峰入庫，洪峰流量11800m3/s，最大72h洪量為14.1603億m3，期間最大出庫流量為1100m3/s，削峰率達(dá)91%。

2015年6月底，水庫迎來當(dāng)年第一場(chǎng)洪水，洪峰流量12600m3/s(6月28日10時(shí))，三日洪量10.59億m3，為下閘蓄水以來最大一次洪峰。28日23時(shí)30分，執(zhí)行省防辦指令開閘泄洪，期間最大出庫流量2870m3/s，削峰9730m3/s，削峰率77%。29日7時(shí)許，主雨峰過境東移，并預(yù)報(bào)后期無雨后關(guān)閉閘門，攔蓄洪尾。

其中，2013年6月18日下閘蓄水后當(dāng)年總泄水量約113.10億m3；2014年汛期來水偏枯，未泄水；2015年來水仍偏枯，僅開表孔閘門泄水4次，開閘歷時(shí)14.98h，共下泄水量約0.28億m3；2016年主汛期來水偏大，超汛限水位，表孔閘門操作22次，開閘歷時(shí)135.54h，共下泄水量約1.21億m3。

4 下閘蓄水以來庫首泥沙沖淤演變情況

亭子口水利樞紐于2013年6月18日下閘蓄水，蓄水之后成庫，水庫形成投運(yùn)之后破壞了天然河流水力、泥沙條件與河床邊界的相對(duì)平衡，使亭子口庫區(qū)水沙條件與河床形態(tài)重新調(diào)整。庫區(qū)水位雍高，水深增大，流速減小，水流輸沙能力顯著降低，造成庫區(qū)泥沙沖淤情況發(fā)生新的變化。

下閘蓄水前的2013年5月，在壩前及尾水共設(shè)計(jì)和測(cè)量了10條沖淤斷面，分別為0-100m、0-200m、0-500m、0-1000m、0+350m、0+500m、0+800m、0+1100m、0+1500m、0+2000m，掌握了壩區(qū)水下原始地形。2017年4月，對(duì)壩前0-600m區(qū)域進(jìn)行了多波束系統(tǒng)測(cè)深和三維建模(壩前0-600m區(qū)域多波束測(cè)深點(diǎn)云效果圖見下圖1)，并抽取與2013年5月對(duì)應(yīng)0-100m、0-200m、0-500m共3條橫斷面沖淤情況進(jìn)行了對(duì)比(詳見圖2、圖3、圖4)。

圖1 壩前0-600m區(qū)域多波束測(cè)深點(diǎn)云效果

圖2 0-100m斷面沖淤情況

圖3 0-200m斷面沖淤情況

圖4 0-500m斷面沖淤情況

樞紐自下閘蓄水投入運(yùn)行以來的4年中，流域來水整體偏枯，未經(jīng)歷過五年一遇以上洪水和長(zhǎng)時(shí)間泄洪運(yùn)行工況，同時(shí)根據(jù)庫首3個(gè)斷面水下地形測(cè)量成果顯示，水流挾沙形成的推移質(zhì)、懸移質(zhì)到達(dá)庫首的較少，庫首3個(gè)斷面主河床底部沖淤變化均不明顯；而河床岸坡陡峻部位局部有輕微沖刷，低洼部位局部有輕微淤積，主要因蓄水后兩岸床沙長(zhǎng)期被庫水浸泡致使粘結(jié)力下降，在其自身重力作用下順岸坡表面向庫底方向運(yùn)移所致。

5 亭子口庫區(qū)泥沙淤積演變分析

根據(jù)庫首水下沖淤測(cè)量成果及亭子口水利樞紐建庫后水沙條件的改變，經(jīng)計(jì)算分析，在水庫運(yùn)用20a、50a、100a，庫區(qū)泥沙淤積量分別為5.277億m3、12.922億m3、23.046億m3。其中，壩址-昭化段為常年回水區(qū)，由于水深大、流速緩，入庫泥沙絕大部分在此段落淤。同時(shí)在汛期壩前水位降低至防洪限制水位運(yùn)行，入庫流量大，水流挾帶泥沙能力強(qiáng)，庫尾段淤沙及上游來沙多被帶到此段淤積。水庫運(yùn)用20a、50a和100a后，該河段泥沙淤積量分別為5.117億m3、12.668億m3及22.70億m3，占庫區(qū)同期淤積總量的98%左右。

亭子口水庫泥沙淤積形態(tài)為三角洲淤積方式，隨水庫運(yùn)用年限增加，三角洲淤積體不斷向壩前推進(jìn)和向上游延伸，洲面緩慢抬高。水庫運(yùn)用20a，庫區(qū)三角洲淤積體的頂點(diǎn)在距壩80km左右；水庫運(yùn)用50a，三角洲淤積體頂點(diǎn)已移至距壩60km左右；水庫運(yùn)用80a后，庫區(qū)泥沙淤積速度放慢，并由單向淤積逐步向沖淤交替發(fā)展，從而使水庫泥沙沖淤變化逐步過渡到平衡狀態(tài)。

6 亭子口樞紐攔沙減淤效益

嘉陵江是長(zhǎng)江支流中的多沙河流。嘉陵江泥沙是三峽入庫泥沙的主要來源之一，約占三峽水庫入庫沙量的27%。而亭子口水利樞紐上游的西漢水和白龍江又是嘉陵江泥沙的主要來源，約占嘉陵江泥沙總量的50%。亭子口水利樞紐的運(yùn)行將有效攔蓄西漢水和白龍江的部分沙量，減少三峽水庫入庫泥沙。不建亭子口水庫情況下，北碚水文站年輸沙量達(dá)1.79億t，當(dāng)亭子口水庫運(yùn)用20a、50a和100a時(shí)，北碚水文站懸移質(zhì)泥沙比不建亭子口水庫時(shí)減少31%、25.9%和14.7%?？梢姡ぷ涌谒麡屑~可明顯減小三峽水庫的入庫泥沙量，延緩三峽水庫的淤積速率，有利于充分發(fā)揮三峽水利樞紐的綜合利用效益。

同時(shí)，亭子口水庫的減淤作用，還可減少下游嘉陵江已建和待建的15級(jí)低水頭徑流式梯級(jí)水庫的泥沙淤積，延長(zhǎng)下游梯級(jí)水庫壽命。

7 泥沙淤積處理措施

7.1 庫尾攔沙

利用庫尾上游低壩徑流式擋水設(shè)施或電站，作為亭子口水庫的攔沙減淤設(shè)施，有效攔截進(jìn)入亭子口庫區(qū)的泥沙量，采取疏浚方式，定期挖掘落淤泥沙，作為工業(yè)及建筑材料使用。這樣可以延長(zhǎng)亭子口水庫使用壽命，使淤泥變廢為寶，成為雙贏措施。

7.2 降落水位沖沙

沖沙即對(duì)淤積泥沙的再侵蝕，降落水位沖沙就是在洪水過程中排泄泥沙，但需要比排洪更低的水位。這樣，降落水位沖沙會(huì)使整個(gè)水庫庫區(qū)河道上形成像河水一樣流動(dòng)的水流，從而沖刷較大面積的已淤積泥沙，使得下泄泥沙多于入庫泥沙。但會(huì)耗水減少發(fā)電量。

7.3 放空沖沙

若亭子口水庫運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，淤積特別嚴(yán)重的情況下，則可考慮放空沖沙。放空沖沙既可以安排在汛期進(jìn)行，也可以安排在非汛期進(jìn)行。但在汛期期間、洪水期之前或之后進(jìn)行，沖沙效果更好。

7.4 異重流排沙

汛期根據(jù)水庫水位、入庫流量和異重流情況，則可優(yōu)化泄洪閘門運(yùn)行，通過異重流挾沙，將泥沙排出庫區(qū)。

7.5 疏浚若亭子口水庫運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，水庫淤積嚴(yán)重時(shí)，則可采取降低水位，使淤積泥沙出露，通過挖泥船、采沙船等工程機(jī)械設(shè)備將淤積泥沙搬運(yùn)出庫，淤積物可作為建材或其他有用材料使用。但疏浚一般成本較高。

8 結(jié)論

嘉陵江屬于多沙河流，輸沙量年際變化較大，亭子口水利樞紐已基本建成，水庫已投入運(yùn)行4a，根據(jù)庫首泥沙沖淤測(cè)量成果及庫區(qū)泥沙沖淤演變分析，需及早重視該水庫的泥沙沖淤變化情況，盡量延長(zhǎng)樞紐使用壽命，提高工程效益。

在泥沙方面，重點(diǎn)應(yīng)做好水庫泥沙沖淤變化的日常觀測(cè)工作，關(guān)注其發(fā)展演變；同時(shí)兼顧綜合效益，優(yōu)化表、底孔及閘門運(yùn)用，合理利用汛期排洪的同時(shí)排沙；若確實(shí)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)，淤積較重，則可根據(jù)實(shí)際情況，選擇最佳治理措施進(jìn)行專項(xiàng)排沙治理。

〔1〕中國(guó)水利學(xué)會(huì)泥沙專業(yè)委員會(huì).泥沙手冊(cè)[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1989.

〔2〕羅彩霞，張曉萍，張偉君.談水庫泥沙淤積的防治措施[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2009(22)：51-52.

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2095-1809(2017)06-0001-05

林向陽(1978.12-)，男，四川成都人，本科，工程師，長(zhǎng)期從事水工運(yùn)行管理與土建施工管理。