庫區(qū)排沙減淤調(diào)度研究與實(shí)踐

劉揚(yáng)揚(yáng)，張磊，高宇

（1.朝陽市水務(wù)局，遼寧朝陽122000；2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000）

庫區(qū)排沙減淤調(diào)度研究與實(shí)踐

劉揚(yáng)揚(yáng)1，張磊2，高宇2

（1.朝陽市水務(wù)局，遼寧朝陽122000；2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000）

文中以白石水庫為例，研究采用異重流排沙及泄空排沙兩種方案的可行性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于近些年白石水庫上游地區(qū)修建的閻王鼻子水庫及多數(shù)的橡膠壩水利工程，改變了水庫的來水來沙條件，特別是該地區(qū)連續(xù)多年少雨干旱的氣象條件，對比設(shè)計(jì)時(shí)所采用異重流排沙方案已經(jīng)無法實(shí)現(xiàn)。此外，隨著水資源的寶貴性及發(fā)揮水庫供水效益的保證作用，泄空排沙方案可行性基本沒有可能。因此，建議盡早在白石水庫牛亡牛河流域修建一定庫容的攔砂壩并結(jié)合清淤措施，可以有效緩解白石水庫較為嚴(yán)重的泥沙淤積問題。

泥沙淤積；異重流；泄空；白石水庫

1 問題的提出

白石水庫是大凌河流域干流控制性骨干工程，泥沙淤積較為嚴(yán)重的問題一直困擾著白石水庫的發(fā)展，如何采用合理的泥沙處理措施和排沙清淤方式減少水庫泥沙淤積，減緩水庫庫容淤損率和淤積速率，成為了白石水庫供水與排水減淤相互掣肘、相互矛盾情況下急需解決的問題。

2 異重流排沙

2.1 異重流排沙原理

白石水庫原設(shè)計(jì)采用的是通過12孔底孔，在合適的條件下采用異重流方式排沙。其原理主要是當(dāng)水庫在汛期發(fā)生洪水時(shí)，將會(huì)攜帶大量泥沙的流進(jìn)庫區(qū)，顆粒直徑較粗的泥沙最先淤積在庫區(qū)尾部，而細(xì)顆粒泥沙會(huì)隨著水流繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，隨著水流能量的不斷減弱，逐漸淤積在庫區(qū)內(nèi)部。這樣由于密度差異，挾沙水流因較大密度潛入庫底，就會(huì)以異重流的形式繼續(xù)向庫區(qū)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，當(dāng)異重流運(yùn)行到壩前的時(shí)候，這時(shí)根據(jù)來水來沙情況適時(shí)開啟一定數(shù)量的泄洪底孔，淤積的泥沙就可以排出庫外。

2.2 異重流排沙條件

采用異重流進(jìn)行排沙一方面需要入庫水流一定的含沙量，另一方面更為重要的是需要入庫水流具有足夠的能量，具有一定的單寬流量，在重力、慣性力、壓力和阻力的作用下，異重流能夠潛入水底隨著水流運(yùn)動(dòng)到壩前位置。

2.3 白石水庫異重流排沙可行性分析

白石水庫異重流排沙原設(shè)計(jì)為：20年一遇以下的中小洪水蓄洪運(yùn)用，并利用棄水開啟一定數(shù)量的排沙底孔進(jìn)行異重流排沙，可以緩解壩前區(qū)泥沙淤積狀況，并提高水庫排沙能力。

2012年8月白石水庫發(fā)生五年一遇洪水，最大洪峰流量為1 260 m3/s，開啟2孔底孔進(jìn)行泄洪，最大下泄流量720 m3/s。根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，白石水庫可以采用異重流方案進(jìn)行壩前位置清淤，當(dāng)實(shí)際上異重流并沒有運(yùn)動(dòng)到壩前，清淤效果未達(dá)到預(yù)期。分析其原因主要是因?yàn)殡S著水庫運(yùn)行年限的增長和壩前淤積的發(fā)展，庫區(qū)縱比降總體將呈減緩趨勢，不利于異重流運(yùn)動(dòng)至壩前。

另外，根據(jù)水庫建成16年以來氣候條件與工業(yè)、生活及農(nóng)業(yè)用水情況分析，白石水庫采用異重流進(jìn)行排沙可行性也在降低，其主要原因是因?yàn)闊o論是洪峰流量還是五日洪量，洪水發(fā)生的頻率較初步設(shè)計(jì)時(shí)均有一定程度的減小。再加上上游已經(jīng)修建成的閻王鼻子水庫對洪水的調(diào)控和削峰作用，大凌河上游來的泥沙部分淤積在該水庫，異重流數(shù)量及能量都在減少，運(yùn)行到壩前的幾率降低。再者自2013年以來連續(xù)數(shù)年的少雨干旱天氣導(dǎo)致白石水庫徑流量過低，更沒有發(fā)生一定量級的洪水，白石水庫年棄水量受到一定限制，從而利用棄水形成異重流排沙的幾率降低。

3 泄空排沙

3.1 泄空排沙原理

泄空排沙是汛期發(fā)生一定量級的洪水時(shí)，根據(jù)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)，將水庫的庫容騰出，打開足夠的泄流設(shè)施，盡可能降低壩前水位，進(jìn)行提前排沙。此方式更多是在洪水期間進(jìn)行的，又可稱之為行洪排沙。泄空排沙的效果較好，能夠?qū)⒑樗鶐淼哪嗌车拇蟛糠稚踔寥繘_走，另外借此還可以將庫區(qū)內(nèi)較早淤積的沉積物排出庫內(nèi)。

3.2 白石水庫泄空排沙可行性分析

白石水庫初設(shè)時(shí)確定的泄空排沙初設(shè)方案為：遇20年一遇（洪峰流量10 700 m3/s）及更大量級的洪水時(shí)，盡可能在12 h內(nèi)預(yù)泄，將庫水位將至死水位，再利用洪水集中排沙。

3.2.1 從洪水頻率角度分析

根據(jù)水庫建成后的水文統(tǒng)計(jì)資料分析，白石水庫流域發(fā)生20年一遇及更大洪水的頻率較初步設(shè)計(jì)發(fā)生了一定變化，無論是洪峰流量還是五日洪量頻率，均較初步設(shè)計(jì)均有所減小，重現(xiàn)期增長。

3.2.3 從興利角度分析

白石水庫工程的主要任務(wù)是防洪、工業(yè)及城市生活供水及農(nóng)業(yè)灌溉用水。目前白石水庫的供水任務(wù)包括阜新市城市生活引水，北票市城市生活引水，凌海市灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水，錦州市華潤電力工業(yè)用水，同時(shí)還要兼顧電站發(fā)電用水、汛期底孔泄流、下游河道生態(tài)需水量等用水需求。

隨著近些年經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速進(jìn)步與發(fā)展，大凌河流域雨量減少、地下水位下降、年徑流量減少，年徑流量呈現(xiàn)逐年減小的趨勢，白石水庫水資源供求矛盾日益突出。采用泄空排沙面臨著水資源緊缺的矛盾難以實(shí)施。

自水庫建成投入運(yùn)行以來，2001—2012年10年系列的年均徑流量僅為3.15億m3，2013—2015年白石水庫遭遇連續(xù)的干旱年，多年平均來水量僅僅為1.87億m3，特別是2016年白石水庫已降至110.4 m，水庫興利效益的發(fā)揮面臨著巨大的困難。若遇20年一遇洪水仍采取泄空排沙，很有可能將全年徑流量的絕大部分水量丟棄，如果汛后來流不足以將興利庫容蓄滿，會(huì)導(dǎo)致全年供水緊張甚至無水可用的嚴(yán)重后果。

4 建議

結(jié)合現(xiàn)狀實(shí)際情況，白石水庫利用常規(guī)水力法排沙，在技術(shù)上（異重流排沙）或經(jīng)濟(jì)上（泄空排沙）的可行性降低，異重流排沙甚至已不可能。因此建議白石水庫應(yīng)盡早在牛亡牛河流域上規(guī)劃設(shè)計(jì)一定庫容的攔砂壩，并對已經(jīng)淤積較為嚴(yán)重的大凌河與牛亡牛河的匯流區(qū)進(jìn)行清淤處理，同時(shí)要深入研究白石水庫泥沙淤積特點(diǎn)，從工程手段及理論研究兩個(gè)方面加強(qiáng)對白石水庫泥沙淤積的管理，以保證水庫可持續(xù)地發(fā)揮興利作用。

［1］唐海東.水庫異重流排沙的研究與實(shí)踐［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2009，（2）：42-45.

［2］李隨祥.異重流排沙在解決水庫泥沙淤積中的應(yīng)用［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005，（8）：48-50.

［3］夏新利，張宏科，安小敏.新疆克孜爾水庫2007年汛期異重流排沙運(yùn)用分析［J］.水利建設(shè)與管理，2008，（9）：66-67.

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2017-02-08