淺析白石水庫泥沙特點(diǎn)與清淤的方法

劉福林，張 磊，孟繁星，劉揚(yáng)揚(yáng)

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

白石水庫位于遼寧省西部地區(qū)大凌河干流，壩址控制流域面積17 649km2，占大凌河總流域面積的76％，最大壩高50.3m，壩頂長513m，水庫總庫容16.45億m3。多年平均徑流量13.45億m3，多年平均輸沙量2 143.43萬t，平均含沙量18.08kg/m3，侵蝕模數(shù)1 214.48t/（km2·a）。大凌河流域共有泥沙觀測站12處，其中壩址以上10處，主要泥沙資料系列為1955～1985年，共31年。對于新建水利工程，來沙分析、泥沙淤積研究極為重要，是水利調(diào)度運(yùn)用的基礎(chǔ)。

1 泥沙基本資料

大凌河泥沙資料系列為1955～1985年，將資料延展至1992年，即主要泥沙系列為38年。由于實(shí)測系列中包括了近100年一遇的1962年大洪水及1963，1969兩年超過10 000m3/s流量的大水年，又包括1970年以后出現(xiàn)的連續(xù)枯水年組，所以此泥沙系列代表性較好。

1.1 產(chǎn)沙區(qū)分布及泥沙主要來源

大凌河泥沙主要來自中游地區(qū)，特別是左側(cè)發(fā)源于內(nèi)蒙奈曼庫侖旗半移動沙丘、黃土丘陵區(qū)的多泥沙支流，如牛亡牛河、老虎山河、第二牛亡牛河等，侵蝕模數(shù)分別為2 688.65，2 328.58，2 214.58 t/（km2·a），牛亡牛河迷力營子站含沙量高達(dá) 40kg/m3左右，其年輸沙量為1 160萬t，占大凌河站輸沙量的54.2％。輸沙量、含沙量的沿程變化見圖1。

由圖1可以看出，大凌河站為輸沙量最大的斷面，大凌河站以上沿程輸沙量成倍遞增，大凌河站以下沿程輸沙量遞減。說明泥沙來自中游地區(qū)，牛亡牛河等幾條支流來沙占很大比重；大凌河站以下部分泥沙在河道內(nèi)落淤。

圖1 大凌河干流輸沙量、含沙量、中值粒徑沿程變化圖

1.2 輸沙量年際、年內(nèi)變化

大凌河輸沙量的年際變化很大。干、支流各站輸沙量最大、最小值之比可達(dá)50～392倍，且大凌河年輸沙量變幅是上游比下游大，支流比干流大。由于流域局部暴雨產(chǎn)沙，使得各年沙量及分布的差異極大。

由于輸沙量與水量變化是相關(guān)的，且大凌河流域暴雨多發(fā)生在汛期，故沙量年內(nèi)分配也極不均勻，大部分集中在汛期的幾場洪水中。據(jù)統(tǒng)計6～9月沙量占全年95.4％～98.8％，其中7，8兩月沙量占年沙量75％～85％，且一次洪水的沙量又往往占很大比重。

1.3 泥沙的顆粒組成

大凌河流域懸移質(zhì)泥沙顆粒組成比較單一，多以粉沙為主。多年平均中值粒徑d50在0.0157～0.1219mm之間，平均粒徑dpj變化在0.0242～0.0318mm之間。汛期泥沙由暴雨侵蝕流域面挾帶而來，故顆粒較細(xì)；非汛期泥沙則是來自上游河道的沖刷，故顆粒相對較粗。

1.4 入庫泥沙量的估算

由長期泥沙系列資料統(tǒng)計得，在38年入庫泥沙量中懸移質(zhì)70233.8萬t，年平均1848.26萬t。推移質(zhì)按經(jīng)驗公式，用推懸比K值（K=推移質(zhì)輸沙率Gb/懸移質(zhì)輸沙率Gs），采用沙莫夫法計算得K沙=2.63％，用梅葉—彼得法算得K梅=2.68％，故據(jù)沙、梅兩法的成果，采用推懸比K=3％，38年入庫推移質(zhì)為2107.1萬t，年平均量55.45萬t。故38年推移質(zhì)和懸移質(zhì)合計入庫沙量為72341萬t，平均每年入庫沙量為1903.7萬t。

2 產(chǎn)沙原因分析

（1）地質(zhì)地貌、植被等流域下墊層因素的影響。大凌河流域地質(zhì)情況復(fù)雜，巖性多樣，抗風(fēng)化、侵蝕能力差，粉沙質(zhì)土、砂礫石分布于河道兩岸淺灘，抗沖刷能力差。地貌多低山丘陵，地屬干旱地區(qū)，植被條件差，多荒山禿嶺。因此，降雨后無滯流，滯沙能力差，很少產(chǎn)生基流，幾乎全部形成地表徑流。

（2）河道比降的影響。大凌河屬山區(qū)河流，上游河道比降為0.2％～0.4％，中游為0.1％～0.2％，下游小于0.1％，隨著河道比降減小泥沙落淤，含沙量呈逐漸減小趨勢。

（3）降雨、徑流的影響。當(dāng)墊面的條件一定時，輸沙量的變化主要受降雨時空分布變化的影響，通常大水大沙、小水小沙，但在不同降雨量和不同暴雨區(qū)、暴雨強(qiáng)度，其產(chǎn)沙結(jié)果是不同的。因此，降雨產(chǎn)流與產(chǎn)沙有一定的相關(guān)性，也有一定離散性和偶然性。

3 清淤排沙的方法

水庫的運(yùn)用方式直接關(guān)系到多沙河流水庫有效庫容變化和水庫的正常使用壽命。為此，對白石水庫樞紐布置、以及水庫正常運(yùn)用時的調(diào)度運(yùn)用方式的研究將有更深遠(yuǎn)、重大的意義。

3.1 水庫樞紐布置

白石水庫水工樞紐布置上采用大底孔集中布置。泥沙沖淤模型試驗對比結(jié)果表明，集中布置對水庫排沙有利，同樣的入庫水沙條件，同樣的排沙運(yùn)用方式，集中布置方案排沙比可達(dá)32.8％，是分散布置的近30倍，而且水庫形成120m以下的槽庫容和沖刷漏斗，有利于長期保持有效庫容。

3.2 水庫的運(yùn)用方式

水庫在蓄水興利的同時，必須兼顧排沙。經(jīng)過各種排沙運(yùn)用方式的比較，采用大水大沙年汛期集中排沙，其他年份蓄洪運(yùn)用的排沙方案?？紤]同上游閻王鼻子水庫的梯級開發(fā)運(yùn)用，還應(yīng)避開閻王鼻子水庫排沙期蓄水，以使水庫達(dá)到蓄清排渾的運(yùn)用方針。

3.3 充分運(yùn)用異重流排沙

當(dāng)具有足夠濃度和流速的渾水進(jìn)入庫區(qū)，此水流潛入清水面下沿庫底向前推進(jìn)，形成異重流。若及時開啟底孔泄洪，可使水庫在存蓄清水的同時排泄渾水，既能保證水庫的效益，又能利用異重流排沙，減少水庫淤積。根據(jù)一些水庫實(shí)測資料的分析，對于河道較陡、洪水陡漲陡落、歷時較短、含沙量濃度較高的水庫，利用異重流排沙效果都比較好，一次洪水排沙比可達(dá)90％以上，多次平均排沙比可達(dá)40％～50％。

異重流排沙產(chǎn)生的條件：L＜QS·J0，其中L為水庫的回水長度，km；QS為洪峰的平均輸沙率，kg/s，可近似地根據(jù)洪峰流量來推求；J0為庫底比降。

白石水庫水文、庫區(qū)地理條件正適合于異重流排沙的產(chǎn)生。在實(shí)際運(yùn)用時加強(qiáng)觀測，盡量利用異重流排沙，有利于白石水庫保持有效庫容。

3.4 加強(qiáng)洪水、泥沙預(yù)報，庫區(qū)泥沙淤積定期觀測

白石水庫干流入庫站為朝陽站，支流站為迷力營子站、涼水河子站。借助于現(xiàn)代化水情自動測報系統(tǒng)的建立，為水庫調(diào)度運(yùn)用提供水情和沙情預(yù)報。同時布置測淤斷面，必要時可以局部加密，保證準(zhǔn)確測量并動態(tài)掌握庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)和庫容變化，為水庫運(yùn)用方式的確定提供依據(jù)，從而更有效地排沙減淤，從而達(dá)到了延長水庫使用壽命，更好地發(fā)揮其應(yīng)有的綜合利用效益。