白石水庫排沙方案可行性分析

(遼寧省白石水庫管理局， 遼寧 朝陽 122000)

白石水庫排沙方案可行性分析

齊兵

(遼寧省白石水庫管理局， 遼寧 朝陽 122000)

針對白石水庫泥沙淤積現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的排沙方案進行可行性分析，論證利用異重流和汛期泄空排沙方式已不再適應(yīng)當(dāng)前水庫清淤排沙的要求，有必要采用其他方法減緩庫區(qū)淤積。

排沙方案； 可行性； 分析； 異重流排沙； 沉期泄空排沙

白石水庫位于遼西大凌河干流上，控制流域面積17649km2。水庫所處大凌河流域氣候干燥，土壤松散，暴雨集中，洪水期河流含沙量很大，水庫泥沙淤積嚴重。

白石水庫初步設(shè)計時利用異重流和底孔泄空排沙，由于受區(qū)域內(nèi)降水量少等眾多因素影響，該排沙方式已不適應(yīng)水庫排沙的要求。工程運行10多年，排沙底孔并沒有起到排沙減淤的作用。針對工程運行現(xiàn)狀，本文對利用異重流排沙和泄空排沙運行情況進行可行性分析。

1 利用異重流排沙

1.1 異重流排沙原理

水庫蓄水時，泥沙大量沉積。洪水期攜帶大量泥沙的水流進入庫區(qū)以后，粗顆粒的泥沙首先淤積在庫尾，細顆粒泥沙隨水流繼續(xù)前進。由于入庫挾沙水流與水庫原有的清水之間存在較大的密度差，在一定條件下挾沙水流潛入庫底，以異重流的形式向前運動。如果洪水能持續(xù)一定的時間，庫底又有足夠的比降，異重流則能運行到壩前。若適時開啟排沙孔，異重流便可以排出庫外。

1.2 異重流排沙條件

異重流能夠形成，并且能夠運動到壩前，構(gòu)成了異重流排沙的兩大必要條件。

1.2.1 異重流的形成

a.入庫挾沙水流與庫內(nèi)清水要有密度差，即有不同的比重。這就要求入庫水流需要有一定的含沙量，同時，細顆粒泥沙含量要占到一定比重。朝陽站懸移質(zhì)泥沙中粒徑小于0.01mm所占的百分數(shù)為30%左右，九連洞站約為10%。

b.入庫水流還要具有足夠的能量，或者說具有一定的單寬流量。重力作用對于異重流來說已經(jīng)減弱，而慣性力、壓力和阻力的作用增強，異重流能夠潛入，必須有一定的單寬流量產(chǎn)生必需的慣性力與壓力。

c.異重流潛入點的流速與水深需滿足：

式中V0——異重流潛入點的流速；

Δγ——異重流在清水中的浮容重；

γ0——異重流容重；

g——重力加速度；

h0——異重流潛入點的水深。

其中，η0=Δγ/γ0。

1.2.2 異重流持續(xù)運動到壩前

異重流形成后潛入庫底，僅在具備一定條件下才能持續(xù)不斷地向前運動，當(dāng)這些條件不滿足時，異重流會很快停止，淤積消失。

使異重流持續(xù)運動的條件如下：一是需要有一定的入庫流量和出庫流量。異重流持續(xù)運動最基本的條件是要有一定的入庫流量和出庫流量以推動整個異重流前進，這是壓力作用相對突出的表現(xiàn)。實測資料表明，當(dāng)入庫洪峰流量降低時，異重流運動逐漸減弱至消失。二是入庫流量要有一定的含沙量及必要的泥沙組成。三是庫區(qū)比降較大，庫面較窄，支流較少，異重流沿程損失較少。實際資料表明，比降大有利于異重流的繼續(xù)運行，而相對較窄的庫面，有效地減少了異重流向主流方向以外的其他方向擴散。

1.3 白石水庫異重流排沙可行性分析

1.3.1 白石水庫異重流排沙可行性分析

白石水庫異重流排沙初設(shè)方案為：20年一遇以下的中小洪水蓄洪運用，并利用棄水適時打開底孔進行異重流排沙。白石水庫初設(shè)計算多年平均棄水量為3.20億m3，盡量使用棄水，可大大改善壩前區(qū)泥沙淤積狀況，并提高水庫排沙能力。

根據(jù)白石水庫初設(shè)時模型試驗成果：異重流通常發(fā)生在牤牛河匯流口上游或者下游的位置(入?yún)R口因水流紊亂而不易產(chǎn)生異重流)。洪峰流量為500～2000m3/s的中小洪水所形成的異重流很難運行到壩前。

根據(jù)近20年來自然氣候與工農(nóng)業(yè)用水情況分析，白石水庫采用異重流排沙可行性降低，原因包括：?無論是從洪峰流量頻率還是五日洪量頻率來看，洪水頻率較初設(shè)均有一定程度的減小，再加上上游閻王鼻子水庫對洪水的調(diào)控和削峰作用，異重流運行到壩前的幾率降低；?受大凌河年徑流量降低和需水量增大等因素的影響，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；?隨著水庫運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，不利于異重流運動至壩前。

1.3.2 水庫排沙現(xiàn)狀情況

2012年汛期，壩前水位在116.5～118m之間，底孔開啟時長累計為96h，總泄流量1.61億m3，一直未觀測到異重流排沙。這跟流量較小等因素直接相關(guān)，也間接說明不放空水庫，異重流很難運動到壩前。

2 泄空排沙

2.1 泄空排沙原理

泄空排沙是汛期洪水到來之前，將壩前水位降低，洪水到來時，水庫將足夠的泄流設(shè)施敞開，保持壩前低水位，進行排沙。泄空排沙絕大部分是在洪水期間進行的，又稱行洪排沙。泄空排沙的效果很好，能排走來沙的大部分和全部，甚至還可沖走庫內(nèi)的前期淤積物。

泄空排沙的特點是排沙期間需要下泄巨大水量，以保證低水位排沙取得良好效果；下泄水流含沙量由小變大，即開始泄空時，出庫含沙量較小，隨著沖刷的進行，出庫含沙量逐漸增大，沖刷更加劇烈。

2.2 白石水庫泄空排沙可行性分析

白石水庫初設(shè)時確定的泄空排沙方案為：20年一遇(洪峰流量10700m3/s)以上洪水時，盡量在24h內(nèi)預(yù)泄，降低庫水位直至死水位，利用洪水集中排沙。

2.2.1 從水庫運行角度分析

當(dāng)水庫上游發(fā)生洪峰流量大于10000m3/s、而水庫水位處于防洪限制水位125.60m時，24h內(nèi)將水位預(yù)泄至108m，對大壩下游160km河道的堤防、道路、橋梁存在一定的威脅；在泄空時機的選擇上，受到水情預(yù)報系統(tǒng)精度的限制。白石水庫水情測報系統(tǒng)自2006年改造以來，未經(jīng)受較大暴雨和大洪水的考驗，現(xiàn)有預(yù)報方案精度無法得到進一步驗證。

2.2.2 從洪峰頻率角度分析

當(dāng)前，20年一遇及以上洪水出現(xiàn)的頻率較初設(shè)時發(fā)生了一定變化。無論是洪峰或是五日洪量，同量級洪水的頻率較初設(shè)均有所減小，重現(xiàn)期增長。

2.2.3 從興利角度分析

白石水庫的主要任務(wù)是防洪、供水及灌溉。

水庫在初設(shè)階段，僅對阜新引水工程、白石灌區(qū)工程做了初步規(guī)劃，而目前白石水庫的供水任務(wù)除原初設(shè)規(guī)劃的阜新引水、灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水外，還要滿足錦州工業(yè)用水、北票市引水等需求，同時，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。

與此相對應(yīng)的，則是大凌河流域雨量減少，地下水位下降，年徑流量減少，并且大凌河年徑流絕大部分水量主要集中在汛期的幾場大洪水期間，年徑流量呈現(xiàn)逐年減小的趨勢，因此，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，難以實施。

1949～1996系列五日洪量頻率計算結(jié)果顯示，20年一遇洪水的五日洪量約為8.74億m3，而1950～1992年43年系列的多年平均徑流量為13.44億m3，2001～2010年10年系列的年均徑流量僅為2.99億m3，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，會導(dǎo)致全年供水緊張，甚至無水可用的嚴重后果。

3 結(jié) 語

綜上所述，根據(jù)當(dāng)前實際情況，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)濟上(泄空排沙)的可行性降低，異重流排沙甚至已不可行。因此，有必要采用工程措施減緩淤積，以保證水庫可持續(xù)地發(fā)揮興利作用。

Feasibility Analysis of Baishi Reservoir Sand Discharge Plan

QI Bing

(Liaoning Baishi Reservoir Authority, Chaoyang 122000, China)

Feasibility analysis is conducted on existing sand discharge plan aiming at sedimentation status quo of Baishi Reservoir. It is demonstrated that density current and flood emptying sand discharge modes do not meet the requirements of current reservoir dredging sand discharge. It is necessary to adopt other methods to slow down reservoir sedimentation.

sand discharge plan; feasibility; analysis; density current sand discharge; flood emptying sand discharge

TV697.3

B

1005-4774(2014)12-0051-02