陜北多泥沙小流域水庫(kù)建設(shè)模式探討

程子勇　沈中原

（陜西省水利廳　陜西　西安　710004）

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陜北多泥沙小流域水庫(kù)建設(shè)模式探討

程子勇沈中原

（陜西省水利廳陜西西安710004）

摘要陜北地處黃土高原中部，地形破碎，溝壑縱橫，降水量少，生態(tài)環(huán)境脆弱。由于區(qū)內(nèi)河流天然徑流不足，時(shí)空分布不均，加之洪水含沙量大，水資源開(kāi)發(fā)利用困難，供水不足是制約陜北經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的首要瓶頸。在加快重點(diǎn)水源工程建設(shè)，解決重點(diǎn)城市和經(jīng)濟(jì)區(qū)水的供需矛盾的同時(shí)，如何利用小流域水資源開(kāi)發(fā)，支持城鎮(zhèn)化發(fā)展成為當(dāng)務(wù)之急。本文在對(duì)陜北地區(qū)小型水庫(kù)建設(shè)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)際，就如何搞好多泥沙小流域小型水庫(kù)建設(shè)進(jìn)行了探討，以期能為當(dāng)?shù)厮Y源開(kāi)發(fā)利用模式及小型水庫(kù)建設(shè)決策提供借鑒。

關(guān)鍵詞陜北，多泥沙河流，小水庫(kù)建設(shè)

陜北地處黃土高原中部，氣候干旱，降雨量少，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱。上世紀(jì)六十年代以來(lái)，當(dāng)?shù)匾詳r蓄泥沙為主，建設(shè)了大量的攔泥庫(kù)、淤地壩等水土保持工程。以水資源調(diào)蓄和供水為主的水庫(kù)建設(shè)相對(duì)滯后，大量的集鎮(zhèn)供水不足、安全性差。近期陜北延安、榆林市上報(bào)了一批小型水庫(kù)建設(shè)項(xiàng)目，通過(guò)赴現(xiàn)場(chǎng)對(duì)12座小型水庫(kù)壩址及建設(shè)條件的查勘，以及對(duì)項(xiàng)目建設(shè)可行性的研究，分析當(dāng)?shù)囟嗄嗌承×饔虻乃程匦?，提出了更為?jīng)濟(jì)、合理的水庫(kù)建設(shè)方案。

1　項(xiàng)目建設(shè)背景

1.1縣城和集鎮(zhèn)水源建設(shè)嚴(yán)重滯后

缺水是陜北地區(qū)的基本水情，也是制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大障礙。上世紀(jì)60年代以來(lái)，為解決當(dāng)?shù)貒?yán)重的水土流失，控制和減少入黃泥沙問(wèn)題，陜北地區(qū)集中修建了數(shù)萬(wàn)座淤地壩，并開(kāi)展了大規(guī)模的水土保持治理工程，取得了一定的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益。然而作為水資源開(kāi)發(fā)利用的水庫(kù)工程建設(shè)卻相對(duì)滯后，為數(shù)不多的水庫(kù)工程也主要修建在陜北北部的風(fēng)沙灘區(qū)河流上，多泥沙河流建設(shè)的一些水庫(kù)也因泥沙淤積嚴(yán)重，水庫(kù)功能劇減。近年來(lái)，隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，幾乎所有的縣城、集鎮(zhèn)供水告急，水源工程建設(shè)嚴(yán)重滯后。

1.2骨干水源工程覆蓋能力有限

近幾年來(lái)，聚焦陜北地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)，水利部門先后啟動(dòng)和實(shí)施了延安黃河引水工程、王圪堵水庫(kù)、南溝門水庫(kù)、馬家溝水庫(kù)、安溝水庫(kù)、雨岔水庫(kù)、紅石峁水庫(kù)等水源工程，有效的提升了當(dāng)?shù)厮Y源供給能力，然而這些骨干水源工程都是從解決陜北能源化工基地建設(shè)和重要城市的供水需求出發(fā)，許多量大面廣的農(nóng)村社區(qū)、集鎮(zhèn)的供水問(wèn)題一時(shí)難以通過(guò)這些大中型骨干水源工程解決。因此，當(dāng)前的唯一出路就是在強(qiáng)化節(jié)水的前提下，通過(guò)合理的布設(shè)小型水源工程，充分挖掘當(dāng)?shù)匦×饔虻乃Y源供給潛力，加快建設(shè)小型水源庫(kù)壩建設(shè)，彌補(bǔ)大型骨干水源的覆蓋盲區(qū)，解決周圍區(qū)域的供水問(wèn)題，特別是特枯年份的應(yīng)急供水問(wèn)題。

1.3小型水庫(kù)工程建設(shè)迎來(lái)有利時(shí)機(jī)

陜北地區(qū)溝壑縱橫、地形地貌復(fù)雜，小流域眾多。近年來(lái)，當(dāng)?shù)貜慕鉀Q小區(qū)域供水出發(fā)，相繼修建了一批小型水源工程，對(duì)解決周邊重要的村莊和集鎮(zhèn)的供水問(wèn)題，起到了很好的作用，摸索出來(lái)一些成功的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)家從今年以來(lái)也相繼開(kāi)始實(shí)施小型水庫(kù)建設(shè)規(guī)劃和抗旱水庫(kù)規(guī)劃等小型水源工程建設(shè)，大規(guī)模投資建設(shè)小型水庫(kù)工程，陜北地區(qū)小型水庫(kù)建設(shè)迎來(lái)了歷史機(jī)遇期，因此加快小流域小型水庫(kù)開(kāi)發(fā)建設(shè)方式的研究，探索適合我省陜北地區(qū)多泥沙小流域的建庫(kù)方式極為迫切和重要。

2　當(dāng)前設(shè)計(jì)思路中存在的主要問(wèn)題

2.1陜北小流域水沙特點(diǎn)分析

陜北地區(qū)河流流經(jīng)黃土高原土壤侵蝕嚴(yán)重區(qū)域，水少沙多是這些河流的主要特點(diǎn)，泥沙處理是水利工程設(shè)計(jì)需要考慮的首要重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。

（1）河道來(lái)水泥沙集中。從黃土高原溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)的幾個(gè)水文站，如佳蘆河上的沈家灣站、李家河上的曹坪站的實(shí)測(cè)資料分析來(lái)看，陜北河流年內(nèi)的泥沙多來(lái)源于汛期的1、2場(chǎng)洪水，其輸沙量可達(dá)到全年泥沙的80% ～90%，個(gè)別水文站的實(shí)測(cè)資料表明，一場(chǎng)洪水的產(chǎn)沙量甚至能占到全年的95%以上。對(duì)于水利工程來(lái)說(shuō)，尤其是小型水庫(kù)工程，不攔蓄這樣的洪水，就可以大幅度的減少泥沙淤積，有效提升水庫(kù)工程的使用壽命和使用效益，縮小工程投資。

（2）高含沙洪水歷時(shí)短。陜北小流域洪水的產(chǎn)生呈現(xiàn)陡漲陡落的特點(diǎn)，這些小流域的洪水歷時(shí)，少則幾個(gè)小時(shí)，多則1、2天。如果能配套增建小型的反調(diào)節(jié)工程，解決泄渾期間的供水問(wèn)題，整個(gè)工程的供水能力就能得到顯著的提升，整個(gè)工程的供水水質(zhì)和保證率也能完全達(dá)到規(guī)范要求，從整體工程效益上來(lái)說(shuō)也能取得很好的效果。

2.2小型水庫(kù)查勘的基本情況

為了加快小型水源工程建設(shè)，國(guó)家相繼啟動(dòng)實(shí)施了《中小水庫(kù)規(guī)劃》和《抗旱規(guī)劃》，結(jié)合省情、水情，在陜北地區(qū)規(guī)劃和啟動(dòng)了一批中小型水庫(kù)工程，為了加快工程前期工作，我們組織了小型水庫(kù)工程查勘工作，在于落實(shí)供水對(duì)象、建設(shè)條件和開(kāi)發(fā)方式。在陜北地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)查勘的12座水庫(kù)中，除了神木縣和靖邊縣的各自1座水庫(kù)壩址上游為沙漠區(qū)外，其他10座都處在黃土高原梁峁溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)，年土壤侵蝕模數(shù)多在1萬(wàn)t/km2以上，流域徑流深多為30mm～40mm。壩址控制流域面積多在10 km2.50km2之間，水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為200萬(wàn)m3～500萬(wàn)m3，水庫(kù)設(shè)計(jì)任務(wù)多為農(nóng)業(yè)灌溉和村鎮(zhèn)供水，年供水量約十多萬(wàn)m3至數(shù)十萬(wàn)m3，水庫(kù)初估工程投資約2000萬(wàn)元至1.7億元，單方水工程投資約120元～380元。大壩為均質(zhì)土壩，泄洪設(shè)施為溢洪道。估算投資中不包括供水配套的抽水、引水和輸水工程投資。

2.3規(guī)劃設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題

通過(guò)分析可以看出，水少沙多是這些水庫(kù)所在河流的主要特性，也是影響和制約小型水庫(kù)設(shè)計(jì)的主要因素。以流域面積40km2計(jì)，年徑流量約160萬(wàn)m3，年輸沙量約40 萬(wàn)t（折合30萬(wàn)m3）。原設(shè)計(jì)思路為蓄洪排沙運(yùn)行，主要設(shè)置溢洪道泄洪排沙，水庫(kù)按30年運(yùn)行考慮。這樣的設(shè)計(jì)思路存在以下問(wèn)題。

（1）水庫(kù)工程考慮60%～70%的排沙比是不可能的，河道來(lái)水有限，無(wú)水排沙，只能蓄水?dāng)r沙運(yùn)行。（2）按照工程最低30年運(yùn)行期，僅攔沙庫(kù)容就需要900萬(wàn)m3以上，加上庫(kù)區(qū)黃土塌岸量，死庫(kù)容接近上千萬(wàn)m3。僅僅依靠溢洪道排沙，泥沙將很快淤滿調(diào)節(jié)庫(kù)容。（3）若要提高水庫(kù)的使用壽命，只能進(jìn)一步加大庫(kù)容。那么導(dǎo)致水庫(kù)的淹沒(méi)處理的投資將進(jìn)一步加大，水庫(kù)工程的整體投資進(jìn)一步加大，單方水投資會(huì)更高，工程的經(jīng)濟(jì)性和可行性太差，經(jīng)濟(jì)上更加不合理。工程以農(nóng)業(yè)灌溉為主的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，往往使得投資難以承受。（4）另外若考慮排沙期的渾水供水水質(zhì)問(wèn)題，工程的使用效益還將進(jìn)一步降低。

3　小型水庫(kù)開(kāi)發(fā)方式探討

要破解困擾小型水庫(kù)建設(shè)的泥沙問(wèn)題，必須結(jié)合陜北地區(qū)水情特點(diǎn)，有針對(duì)性的提出適合多沙小流域的開(kāi)發(fā)思路。結(jié)合近些年已經(jīng)實(shí)施或正在建設(shè)的陜北水庫(kù)工程，本文提出了三種主要的設(shè)計(jì)和規(guī)劃思路，并從陜北小流域河流的水沙基本特性出發(fā)對(duì)各種設(shè)計(jì)思路進(jìn)行論證。

3.1上游攔沙，下游蓄水模式

在水庫(kù)壩址上游和主要支流修建一定數(shù)量的骨干壩攔蓄泥沙，盡量減少下游水庫(kù)壩址斷面以上的來(lái)沙區(qū)間面積，減少來(lái)沙量，延長(zhǎng)水庫(kù)死庫(kù)容的淤滿時(shí)間，提高水庫(kù)使用壽命。在陜北地區(qū)，這種水庫(kù)開(kāi)發(fā)模式的最典型的工程實(shí)例就是安塞縣的馬家溝水庫(kù)。在水庫(kù)上游建設(shè)6座骨干壩攔沙，使水庫(kù)區(qū)間流域面積由55km2減少到不足4km2，顯著的減少了壩址以上來(lái)沙量，有效提升了水庫(kù)使用期。這一開(kāi)發(fā)方式存在上游骨干壩防洪標(biāo)準(zhǔn)與水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)問(wèn)題，否則就需要考慮骨干壩的潰壩風(fēng)險(xiǎn)和超標(biāo)準(zhǔn)洪水的攔蓄問(wèn)題，導(dǎo)致工程整體投資加大，經(jīng)濟(jì)性值得研究。另外，上游骨干壩也存在一定的攔泥年限，庫(kù)容淤滿后的處理也需要進(jìn)一步慎重研究。

3.2引干入支，以支補(bǔ)干模式

在河道干流修建低壩引水工程，在流域面積較小的支流修建反調(diào)節(jié)水庫(kù)。當(dāng)干流含沙量較小時(shí)，引提干流清水入庫(kù)調(diào)蓄，并由干流引水工程正常供水。當(dāng)干流水量不足或含沙量超限時(shí)，由反調(diào)節(jié)庫(kù)供水，提高供水保證率。該思路需要兩個(gè)基本要點(diǎn)，干流要有一定的低含沙水量，同時(shí)支流也要有合適的建庫(kù)條件。這種水庫(kù)開(kāi)發(fā)模式的最典型的應(yīng)用工程就是延安黃河引水工程（黃河干流）和子洲縣城康家溝水庫(kù)供水工程（大理河干流），顯而易見(jiàn)這種開(kāi)發(fā)思路只適用于較大河流的水資源開(kāi)發(fā)。

3.3閘壩攔水，蓄清泄渾模式

解決水庫(kù)不攔沙或少攔沙的主要措施是降低淤積基準(zhǔn)面，加大泄洪流量或進(jìn)行暢泄。由此可以考慮在較小的河流上，采用閘壩攔水和蓄清泄渾的運(yùn)用方式，以經(jīng)濟(jì)合理的方式解決小流域水資源開(kāi)發(fā)問(wèn)題。閘壩攔水是在原河道范圍內(nèi)建設(shè)河閘，基本不抬高淤積基準(zhǔn)面，通過(guò)水閘形成一定的蓄水容積。蓄清是在洪水期以外，即河道來(lái)水含沙量較低時(shí)下閘蓄水，引水供水調(diào)蓄，庫(kù)區(qū)會(huì)有一定的泥沙淤積。泄渾是在洪水到來(lái)時(shí)，提閘暢泄排沙，即能排掉洪水?dāng)y帶的大量泥沙，又能沖走清水期間的庫(kù)區(qū)淤積泥沙，形成穩(wěn)定的沖淤平衡比降，保持穩(wěn)定的調(diào)節(jié)庫(kù)容。這一開(kāi)發(fā)模式，需要另建一定容量的反調(diào)節(jié)池，解決泄渾期間的供水問(wèn)題。

4　工程建設(shè)實(shí)例

在陜北地區(qū)多泥沙小流域上修建水庫(kù)工程，按照常規(guī)設(shè)計(jì)思路，往往會(huì)因泥沙問(wèn)題，導(dǎo)致工程攔泥庫(kù)容過(guò)大，從而影響工程的整體經(jīng)濟(jì)性和可行性，同時(shí)也存在一定的安全隱患。結(jié)合這些河流的水沙特性，提出了三種開(kāi)發(fā)模式。三種方式各具特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但是單就陜北地區(qū)多泥沙的小流域來(lái)說(shuō)，閘壩方式的優(yōu)勢(shì)尤為突出。其中對(duì)于多泥沙的小流域上小型水庫(kù)的建設(shè)，采用閘壩攔水，蓄清泄渾模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，既能夠有效解決工程排沙問(wèn)題，又能大幅度降低工程投資，提高工程供水可靠性。這里有兩個(gè)工程實(shí)例可以借鑒，一個(gè)是已經(jīng)運(yùn)行多年的洛川縣兩水河閘壩工程，一個(gè)是正在做前期工作的志丹縣黃地臺(tái)水庫(kù)。

（1）兩水河閘壩工程。兩水河閘壩工程建于1995年，閘壩以上流域面積112km2，年徑流量約394萬(wàn)m3，為8孔4m×3m閘門，閘壩總庫(kù)容51萬(wàn)m3，其中調(diào)節(jié)庫(kù)容30 萬(wàn)m3，原為灌溉水源，抽水上塬灌溉1萬(wàn)畝農(nóng)田，由于長(zhǎng)久失修頻臨報(bào)廢。2008年改為農(nóng)村供水項(xiàng)目，改造抽水泵站抽水上塬，解決了周圍三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)2.8萬(wàn)人的飲水問(wèn)題，近年來(lái)實(shí)際年供水量45萬(wàn)m3，采用蓄清泄渾模式運(yùn)行，壩內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)大的淤積現(xiàn)象，工程運(yùn)行狀態(tài)良好。

（2）黃地臺(tái)水庫(kù)工程。志丹縣黃地臺(tái)水庫(kù)位于周河一級(jí)支流黃地臺(tái)溝下游，壩址控制流域面積31km2，年徑流量111萬(wàn)m3，年輸沙量23萬(wàn)t。原方案水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容880萬(wàn)m3，其中死庫(kù)容500萬(wàn)m3。工程由均質(zhì)土壩、溢洪道和導(dǎo)流輸水洞組成，年供水量40萬(wàn)m3，總投資1.68億元，移民占地投資2280萬(wàn)元，單方水投資418元。調(diào)整設(shè)計(jì)思路后，按照閘壩開(kāi)發(fā)方案后，建設(shè)三孔6×4.5m閘門，總庫(kù)容11.2萬(wàn)m3，配套建設(shè)4萬(wàn)m3調(diào)蓄池，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)系列調(diào)節(jié)計(jì)算，90%保證率下年供水量達(dá)到43萬(wàn)m3，多年平均供水量50萬(wàn)m3，工程總投資5700萬(wàn)元，單方水投資114元，約為原設(shè)計(jì)方案的1/4，工程的經(jīng)濟(jì)性得到顯著的提高。

5　結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)陜北地區(qū)新一輪小型水庫(kù)建設(shè)充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)際，就如何搞好多泥沙小流域小型水庫(kù)建設(shè)，提出了上游攔沙、下游蓄水，引干入支和閘壩攔水、蓄清泄渾等三種水庫(kù)建設(shè)開(kāi)發(fā)模式，分析了各種模式的特點(diǎn)及適用情況，并詳細(xì)論述了閘壩攔水、蓄清泄渾開(kāi)發(fā)模式的特點(diǎn)及工程實(shí)例，以期能為當(dāng)?shù)厮Y源開(kāi)發(fā)利用模式及水利工程建設(shè)決策提供借鑒和指導(dǎo)。陜西水利

（責(zé)任編輯：闕嘉雯）

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