關(guān)于蔡莊水庫清淤方案的構(gòu)想與分析

任增光

（壽陽縣水資源管理委員會辦公室 山西壽陽 045400）

壽陽縣蔡莊水庫建成五十多年來。水庫淤積老化嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了蔡莊水庫的供水效益。近年來，水資源短缺已成為壽陽縣域經(jīng)濟發(fā)展的最大短板。為了科學(xué)合理地開源節(jié)流，充分利用現(xiàn)有的水利設(shè)施進行供水有著現(xiàn)實可行的意義。因此，提出對蔡莊水庫進行淤積清理的構(gòu)想，恢復(fù)水庫原有的供水能力，促進壽陽經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

1 蔡莊水庫概況

1.1 工程概況

蔡莊水庫位于壽陽縣城西23 km的蔡莊村，地處黃河流域汾河水系瀟河上游的白馬河西支上，控制流域面積223 km2。1959年12月動工興建，1960年8月攔洪，1962年4月竣工，2002年進行了除險加固改造，水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計，近期500年一遇洪水校核。水庫原設(shè)計總庫容2 070萬m3，現(xiàn)狀總庫容為615.09萬m3，是一座以防洪為主兼顧灌溉、養(yǎng)殖的中型水庫。樞紐工程現(xiàn)狀由大壩、溢洪道、輸水洞組成。大壩為水中填土均質(zhì)壩，最大壩高22.2 m。溢洪道位于大壩右岸，為河岸開敞式，設(shè)有橡膠壩控制。輸水洞位于大壩左岸巖基上，設(shè)鋼筋混凝土進水塔一座。

水庫對下游防洪及灌溉發(fā)揮了較大的社會效益，同時取得了良好的經(jīng)濟效益。可對其下游的20個村鎮(zhèn)，3萬人口，1 333 hm2耕地，133 hm2林地，9.2 km公路，1.5 km石太鐵路，8.9 km太舊高速公路及新建的陽煤集團壽陽新元煤炭有限公司等提供防洪保護，對促進當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟的可持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展起了極其重要的作用。

1.2 除險加固情況

蔡莊水庫除險加固工程于2001年6月經(jīng)山西省立項批準(zhǔn)，2002年2年8月開工建設(shè)，主要加固內(nèi)容為，壩體劈裂灌漿，右壩肩帷幕灌漿；溢洪道改造，拓寬至40 m，下深3.3 m，增設(shè)4.5 m高橡膠壩一座；拆除原進水塔、工作橋，新修鋼筋混凝土進水塔及工作橋。2003年12月竣工驗收投入正常使用。經(jīng)過除險加固，水庫設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)由原設(shè)計的100年一遇設(shè)計，200年一遇校核調(diào)高為100年一遇洪水設(shè)計，近期500年一遇洪水校核標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 水文情況

蔡莊水庫壩址以上白馬河由三條支流匯合而成，其中平頭河支流控制流域面積167 km2，太安驛河支流控制流域面積33 km2，曲尺莊河支流控制流域面積23 km2。水庫壩址以上總控制面積223 km2，其中黃土丘陵區(qū)173 km2，土石山區(qū)50 km2。流域平均寬度10.23 km，主河道長21.8 km，主河道平均比降0.447%。

山西省晉中市水利勘測設(shè)計院2001年在《壽陽縣蔡莊水庫除險加固設(shè)計》中通過水文分析計算得出了1962-1996年蔡莊水庫各年逐月的月徑流量系列值。山西省煤炭地質(zhì)水文勘查設(shè)計院2013年在《壽陽煤層氣熱電聯(lián)產(chǎn)項目水資源論證報告》中，又將該系列延長至2011年。

通過對蔡莊水庫1962～2011年49年逐月徑流量的整理及統(tǒng)計分析。得出蔡莊水庫多年平均徑流量為781.6萬m3。

1.4 淤積情況

蔡莊水庫建成至今共進行過6次測淤，目前水庫死水位1 011.80 m以下已經(jīng)全部淤滿。根據(jù)《蔡莊水庫初步設(shè)計》（2001年）報告泥沙計算，水庫多年平均輸沙量為45.95萬m3，輸沙量隨徑流的變化而變化。2012年因下游電廠項目建設(shè)再次對水庫進行了測淤，與1989年測淤值接近，主要原因是因除險加固后，降低了溢洪道底高程，并且水庫采用蓄清緩洪的調(diào)度方式，使得泥沙的淤積量減少。目前水庫的總淤積量為1 260萬m3，占到原設(shè)計總庫容的60.9%。歷年累積淤積量情況見圖1。

1.5 清淤方案的提出與分析

蔡莊水庫運行五十多年來，發(fā)揮了巨大防洪效益，并取得了一定的經(jīng)濟效益。近些年來，壽陽經(jīng)濟社會發(fā)展迅猛，特別是地面工業(yè)發(fā)展很快，對水資源的要求更加緊迫。因此有必要對蔡莊水庫進行挖潛改造，使之在有效發(fā)揮防洪作用的同時，提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的供水水源。

要提高水庫的供水能力，必然要增加水庫的興利庫容。可操作的方法有兩種：一是加高大壩增加水庫總庫容，二是在不增加總庫容情況下進行淤積清理，騰出較大的興利調(diào)節(jié)庫容。增加壩高可有效增加水庫庫容，但技術(shù)難度較大，存在移民、技術(shù)、淹沒損失、安全及立項審批等問題。而水庫清淤方案存在技術(shù)難度較小，無移民及淹沒問題，但存在投資較大，淤泥傾倒和堆置占地問題，同時也可能存在對壩體穩(wěn)定現(xiàn)狀產(chǎn)生影響問題。綜合分析，認(rèn)為水庫清淤是蔡莊水庫興利庫容增加，供水量增大的必然選擇和合理方案。

圖1 蔡莊水庫歷年累積淤積量

2 項目建設(shè)的必要性

2.1 縣域水資源供需矛盾突出

“十二五”期間，壽陽經(jīng)濟發(fā)展的方向是以煤炭產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)，全力發(fā)展煤電、煤化工、新材料和新能源四大核心產(chǎn)業(yè)。政府積極引進了一批大型地面工業(yè)項目，涉及火電、造紙、化工等項目。經(jīng)過分析，目前部分已經(jīng)投產(chǎn)或正在建設(shè)的高耗水項目及用水量預(yù)計將增加1 400萬m3，至2015年僅工業(yè)用水量將達到2 600萬m3，2020年全縣總用水量將達到4 500萬m3/a。而目前現(xiàn)有水利工程包括松塔水庫配額在內(nèi)總供水能力僅為3 800萬m3/a。供水能力已不能滿足當(dāng)前及未來經(jīng)濟社會發(fā)展的要求。

2.2 地表水開發(fā)利用程度較低

壽陽縣多年以來均以地下水為主要供水水源，地表水利用極少,縣域水資源利用不平衡。全縣共用水2 571.1萬m3,其中地下水1 891.1萬m3（含礦井水），占到全縣總用水量的73.5%。當(dāng)前地下水實際開采量已超可開采量的臨界值。急需提高地表水的利用比例，嚴(yán)格保護和限制開采地下水，才能使當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

而從蔡莊水庫建庫以來主要發(fā)揮了防洪功能，同時也為下游特別是瀟河灌區(qū)提供灌溉用水。自上世紀(jì)80年代以來，由于水庫的淤積嚴(yán)重，形成了供水能力減少，調(diào)洪能力降低的情況。為此進行了除險加固。目前新建的供水項目有山西天然氣公司白家莊煤電聯(lián)產(chǎn)項目，年供水量為76萬m3，約占水庫多年平均徑流量的10%。水庫開發(fā)利用前景廣闊。

2.3 水庫淤積影響嚴(yán)重，亟待解決

蔡莊水庫建庫六十多年來，從未進行淤積清理。嚴(yán)重的淤積導(dǎo)致上游河道縱坡變緩，地下水位上升，耕地水澇嚴(yán)重，道路沉降、庫區(qū)上游村莊房屋不同程度變形損壞，群眾反響強烈。雖采取了一些防水措施，但效果并不明顯。因此水庫清淤可以增加河道坡度，減少上游的進一步淤積。

3 水庫清淤方案

3.1 水庫徑流調(diào)節(jié)方案

當(dāng)前蔡莊水庫為年調(diào)節(jié)型水庫，水庫的死庫容為22.34萬m3，興利庫容僅有137.2萬m3。水庫在汛期7、8、9月為空庫度汛。經(jīng)過調(diào)節(jié)計算，在P=50%情況下可以滿足456.54萬m3的農(nóng)業(yè)及工業(yè)供水量。在P=95%情況下停止農(nóng)業(yè)供水，可以提供75萬m3的工業(yè)供水量。

水庫現(xiàn)狀供水能力與中型水庫供水規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)是不匹配的。因此需要對將水庫的徑流年調(diào)節(jié)變更為多年調(diào)節(jié)。而實現(xiàn)多年調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)是增加興利調(diào)節(jié)庫容。計算的思路就是在徑流多年調(diào)節(jié)情況下，推求在一定保證率情況下對應(yīng)的用水需求所需的最小興利庫容。本方案分析的是在保證率P=95%情況下，蔡莊水庫可提供的最大供水能力和調(diào)節(jié)所需的最小興利庫容。

3.2 清淤量分析計算

充分利用蔡莊水庫建庫49年的徑流資料，按照各年各月供水量固定不變的要求，采用徑流調(diào)節(jié)時歷法假定興利調(diào)節(jié)庫容和逐月供水量，逐時段連續(xù)調(diào)節(jié)計算，通過統(tǒng)計供水被破壞的年數(shù)來計算保證率。具體方法是從蔡庫水庫建庫伊始開始蓄水，第二年6月開始供水，逐月進行水量平衡計算，有余水就蓄，直至汛限水位庫滿即棄，遇虧則供，直至空庫則算供水破壞。至蓄水滿足用水則再繼續(xù)進行調(diào)節(jié)計算。全系列計算完成后通過統(tǒng)計供水破壞的年數(shù)計算相應(yīng)假定情況的供水保證率，公式如下：

若計算保證率不能滿足設(shè)計保證率則重新假定興利庫容重復(fù)進行計算。計算成果如表1所述。

通過試算法計算分析，當(dāng)水庫調(diào)節(jié)變更為多年調(diào)節(jié)后，興利庫容達到一定容積后繼續(xù)增加庫容并不會明顯提高相應(yīng)頻率的供水能力。而較小的興利庫容則存在棄水量增大，水庫徑流利用率降低的情況。綜合分析上述因素，認(rèn)為水庫興利庫容達到400萬m3時，可以滿足保證率P>95%、年供水300萬m3的需求，同時徑流利用率也保持合理范圍。

當(dāng)前蔡莊水庫興利庫容尚有137萬m3,如水庫通過清淤疏浚方式清淤270萬m3即可達到400萬m3的興利庫容要求，極大提高該庫的淤積壽命和供水防洪效益。

3.3 清淤范圍的劃定

蔡莊水庫經(jīng)過近50年的運行，建庫初期的200萬m2的水面面積目前僅剩余74.06萬m2。庫區(qū)上游支流的主河床經(jīng)過多年淤積形成了平坦的灘地和濕地。結(jié)合庫區(qū)情況，計劃清淤范圍為整個庫區(qū)，清淤面積劃定為80萬m2,平均清淤深度為3.5 m，總清淤量約為270萬m3。為保證大壩壩體穩(wěn)定和安全，清淤基線距大壩安全距離不小于60 m。

3.4 淤泥堆棄方案

蔡莊水庫庫區(qū)下游均為耕地和河道和村莊，無合適的淤泥堆棄場。結(jié)合當(dāng)前蔡莊水庫周邊的地形地貌情況，只能選擇在庫區(qū)內(nèi)就近堆棄的方案。

表1 蔡莊水庫逕流調(diào)節(jié)計算成果

一是利用庫區(qū)內(nèi)大壩左岸上游側(cè)的兩條支溝內(nèi)建設(shè)兩座淤地壩來堆置淤泥。兩條溝道控制面積均在1 km2以內(nèi)，溝內(nèi)無人口居住，零星分布著小塊坡地。適宜進行淤泥堆棄。但存在的問題是受攔泥壩高的限制，兩座攔泥壩總庫容經(jīng)過計算為180萬m3,不能滿足淤泥堆棄的需要。因此，二是可以在水庫北側(cè)主河槽內(nèi)建設(shè)攔泥堤，就近排泥，攔泥堤高度控制在3.0 m，用于推棄剩余約90萬m3淤泥。淤泥傾倒方案及清淤范圍如圖2如示：

圖2 水庫清淤范圍及淤泥傾倒方案

4 投資與效益

4.1 投資分析

目前國內(nèi)及國外對于江河湖庫清淤疏浚工程均有成熟的經(jīng)驗和技術(shù)，結(jié)合我省近年來孝義張家莊水庫和汾河四壩清淤項目的建設(shè)經(jīng)驗。根據(jù)工程量的大小和淤泥排距、排高等的技術(shù)要求，綜合單價在均在30元/m3以內(nèi)。因此蔡莊水庫清淤項目投資可控制在1.0億元以內(nèi)。

4.2 效益分析

1）相較于新建同類供水規(guī)模的小(一)型水庫而言，蔡莊水庫清淤項目存在投資小、見效快、效益高、建設(shè)周期短、審批流程簡單的優(yōu)點，同時不涉及移民、淹沒賠償、規(guī)劃占地等優(yōu)勢。

2）針對蔡莊水庫當(dāng)前淤積嚴(yán)重的現(xiàn)狀，通過清淤工程的實施可以有效地延長水庫的淤積壽命，增加河道的水力坡降，減輕因河道淤積抬升給上游村莊和耕地帶來的影響，有較好的社會效益。

3）水庫可供水量的增加可有效地改善當(dāng)?shù)厝遮厙?yán)重的水資源短缺形勢，為當(dāng)?shù)毓I(yè)發(fā)展提供可靠的水源，推動區(qū)域經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展。通過當(dāng)?shù)毓I(yè)用水效率反向推算，可拉動當(dāng)?shù)?0～20億元工業(yè)增加值增長量，有著良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

通過對蔡莊水庫清淤項目的構(gòu)想與分析，認(rèn)為該項目符合當(dāng)前壽陽經(jīng)濟社會發(fā)展的需求，項目建設(shè)能夠緩解當(dāng)前壽陽縣域水資源緊張的現(xiàn)狀，提高地表水利用比例和效率，具有良好的經(jīng)濟和社會效益。

由此從蔡莊水庫的情況引深到全省，我省大部分中小型水庫均建設(shè)于上世紀(jì)60、70年代，占用了最好的水源條件和地形條件，目前均面臨著淤積嚴(yán)重、供水能力嚴(yán)重不足的狀況。我省當(dāng)前正處于轉(zhuǎn)型綜改的關(guān)鍵時期，水資源短缺已成為制約全省經(jīng)濟社會發(fā)展的主要瓶頸。水庫清淤工程的實施與當(dāng)前新水源項目的建設(shè)并不存在根本矛盾，但其周期短、見效快、效益高的優(yōu)點無疑具有著更現(xiàn)實而長遠的意義。