克孜爾水庫(kù)泥沙淤積分析及排沙對(duì)策探討

劉思海 侍克斌 張宏科 邢坤

摘要：為探明渭干河上游克孜爾水庫(kù)泥沙淤積原因、減少水庫(kù)淤積，對(duì)入庫(kù)泥沙年際、年內(nèi)的變化特點(diǎn)和粒徑的沿程變化進(jìn)行了分析，認(rèn)為水庫(kù)泥沙淤積嚴(yán)重的原因主要為：①入庫(kù)水沙總量逐年增加：②水庫(kù)現(xiàn)有排沙洞不利于干流泥沙排出：③水庫(kù)運(yùn)行方式不利于泥沙出庫(kù)；④攔門沙坎的形成導(dǎo)致沖沙水量不足。水庫(kù)排沙對(duì)策：①綜合利用機(jī)械挖泥疏浚方案、導(dǎo)沙入河方案解決現(xiàn)有攔門沙坎及近壩段泥沙淤積問題：②采取在水庫(kù)上游增建淤地壩以及開展水土保持工作等多種措施減少入庫(kù)泥沙總量：③在干流木扎提河上游新建水庫(kù)進(jìn)行水沙聯(lián)合調(diào)度。

關(guān)鍵詞：水土保持；排沙對(duì)策；泥沙淤積；克孜爾水庫(kù)

中圖分類號(hào)：TV145

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018.07.005

1概述

1.1水庫(kù)基本情況

克孜爾水庫(kù)位于渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河匯合口以下500m處，是渭干河上游已建成的最大的控制性水利工程。1959-2015年，水庫(kù)多年平均來(lái)流量為77.4 m^3/s，多年平均來(lái)水量為24.41億m^3，多年平均輸沙量為1122萬(wàn)t，多年平均含沙量為4.6kg/m^3。水庫(kù)水沙集中于汛期（6-8月），汛期人庫(kù)水量占年水量的59%，汛期入庫(kù)沙量占年沙量的88%。

1.2水庫(kù)泥沙淤積危害

泥沙淤積是影響水庫(kù)大壩安全運(yùn)行和充分發(fā)揮綜合效益的普遍問題?？俗螤査畮?kù)白1992年建成運(yùn)行以來(lái)，考慮到下游渭干河灌區(qū)的灌溉用水需求，一直遵循設(shè)計(jì)的水庫(kù)運(yùn)行方式，即水庫(kù)初期滯洪運(yùn)用，后期泄空排沙。然而，由于干流庫(kù)區(qū)地形開闊不利于懸移質(zhì)泥沙以異重流形式排出庫(kù)外、灌區(qū)灌溉面積逐年增大以及種植結(jié)構(gòu)改變等，因此水庫(kù)實(shí)際淤積速率遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值。根據(jù)2007年庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)地形圖計(jì)算的淤積量為1.79億m^3，與水庫(kù)設(shè)計(jì)運(yùn)行20a的泥沙淤積總量1.26億m^3相比，泥沙淤積總量超出0.53億m^3，庫(kù)區(qū)排沙減淤工作迫在眉睫。

2水庫(kù)泥沙淤積分析

2.1入庫(kù)泥沙年際、年內(nèi)變化特點(diǎn)

泥沙變化不僅受降水、下墊面和人類活動(dòng)等河道系統(tǒng)外因素的影響，還受到河床演變等河道系統(tǒng)內(nèi)因素的影響 。為解決水庫(kù)泥沙問題，必須深人了解入庫(kù)泥沙的變化規(guī)律。

克孜爾水庫(kù)泥沙年際變化情況：1959-1990年，壩址處年輸沙量變化不大：水庫(kù)建成后年輸沙量變幅增大，最大為7198萬(wàn)t（2002年），最小為106萬(wàn)t（1974年），二者之比為67.9，輸沙量變差系數(shù)Cv為0.95，建庫(kù)前后輸沙量年際變化較大。輸沙量年際變化曲線見圖1。

年內(nèi)變化特點(diǎn)：1959-2015年，壩址處輸沙量集中于汛期（6-8月），汛期多年平均輸沙量為952萬(wàn)t，其余月份輸沙量總和僅為131萬(wàn)t，約占全年輸沙量的12%。汛期多年平均含沙量為8.44 kg/m^3，其余月份含沙量均值僅為1.16kg/m^3，二者比值為7.3，輸沙量及含沙量的年內(nèi)分配均極不均衡。見表1。

2.2入庫(kù)泥沙淤積沿程顆粒分布

木扎提河入庫(kù)泥沙沿程顆粒分布見圖2。由圖2可知：干流庫(kù)區(qū)泥沙淤積主要分為距壩址11.8km以內(nèi)中值粒徑小于0.05mm的懸移質(zhì)泥沙淤積及距壩址11.8km以外的推移質(zhì)泥沙淤積：泥沙淤積三角洲頂坡中部位于距壩址11.8km處，符合淤積三角洲的泥沙淤積規(guī)律。

支流克孜爾河人庫(kù)泥沙粒徑的沿程變化見圖3。由圖3可知：中值粒徑小于0.5mm的懸移質(zhì)泥沙主要淤積在距壩址2.4 km以內(nèi)的庫(kù)區(qū)，推移質(zhì)泥沙則淤積在距壩址2.4km以外的庫(kù)區(qū)，淤積錐體中上部位于距壩址2.4km處。

綜合分析干流、支流上游至下游懸移質(zhì)淤積泥沙的中值粒徑可知，隨著距壩里程的縮短，泥沙中值粒徑變小，這符合水庫(kù)泥沙淤積沿程細(xì)化的空間分布規(guī)律 。推移質(zhì)淤積泥沙的粒徑分布則呈現(xiàn)出不連續(xù)性與不規(guī)律性，這與韓其為等的研究成果一致，原因應(yīng)與水庫(kù)沖淤交替變化有關(guān)。

2.3入庫(kù)泥沙淤積原因

水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)及分布主要受流域泥沙特性、人庫(kù)水沙過(guò)程和水庫(kù)運(yùn)行方式等因素的影響。結(jié)合克孜爾水庫(kù)入庫(kù)泥沙特性、排沙建筑物位置以及水庫(kù)運(yùn)行方式等情況分析，克孜爾水庫(kù)泥沙淤積的原因主要可分為以下幾個(gè)方面。

（1）入庫(kù)徑流量、輸沙量總量逐年增大，水體含沙量較大且有增大趨勢(shì)。以1964-2001年為研究時(shí)段時(shí)，壩址處年平均水量為24.96億m^3，年均懸移質(zhì)輸沙量為931萬(wàn)t，年均懸移質(zhì)含沙量為3.73 kg/m^3；以1992-2006年為研究時(shí)段時(shí)，壩址處年均水量已增大至26.96億m^3，年均懸移質(zhì)輸沙量則激增至1510萬(wàn)t，年平均懸移質(zhì)含沙量為5.60 kg/m^3?？梢钥闯鋈霂?kù)徑流量增幅明顯小于輸沙量的增幅，無(wú)論是含沙量增大還是輸沙量增大，都勢(shì)必加劇水庫(kù)泥沙淤積。

（2）水庫(kù)排沙洞不滿足水庫(kù)排沙要求?？俗螤査畮?kù)排沙洞由導(dǎo)流洞改建而成，達(dá)不到應(yīng)有的排沙效果。排沙洞位于支流的凸岸，對(duì)干流、支流而言均不利于排沙。

（3）水庫(kù)運(yùn)行方式。水庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，壩址處水文泥沙資料序列不長(zhǎng)且輸沙量較建庫(kù)后偏小，因此水庫(kù)運(yùn)行方式設(shè)計(jì)采用“空庫(kù)迎洪，蓄清排渾”，水庫(kù)運(yùn)行前20a采取滯洪運(yùn)用的方式，但是實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中人庫(kù)泥沙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)工況，造成水庫(kù)泥沙淤積嚴(yán)重。同時(shí)，為了滿足水庫(kù)下游渭干河灌區(qū)的用水要求，導(dǎo)致水庫(kù)功能發(fā)生變化，且未能及時(shí)調(diào)整水庫(kù)排沙運(yùn)行的方式。

（4）攔門沙坎的形成。結(jié)合2001年、2003年、2007年庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)地形圖可以看出攔門沙坎的形成過(guò)程。水庫(kù)運(yùn)用至2001年，壩前干支流交匯處形成了一條高程為1126.5m的沙坎，但此時(shí)尚未形成攔門沙坎，干流庫(kù)區(qū)與壩前庫(kù)區(qū)在1124.0～1126.5m高程之間仍處于連通狀態(tài)：隨著時(shí)間的推移，沙坎持續(xù)向壩前推進(jìn)，至2003年已演變成攔門沙坎，此時(shí)沙坎最低高程已達(dá)1127.0m，且已隔斷干流庫(kù)區(qū)與壩前庫(kù)區(qū)，并在1124. 0～1126.5m高程之間與干流庫(kù)區(qū)形成了一個(gè)蓄水量約76萬(wàn)m^3的盆地；在沙坎形成的第6a（2007年），淤積的支流泥沙延長(zhǎng)了原有攔門沙坎的長(zhǎng)度，使得干流庫(kù)區(qū)攔門沙坎明顯化，攔門沙坎底高程已升至1127.5m，干流庫(kù)區(qū)與攔門沙坎間的盆地淤積厚度增加了1.0～1.5m，高程為1126.5～1127.5m，盆地蓄水量增加了258萬(wàn)m^3，增幅為239.5%，可見泥沙淤積速度之快。

2.4水庫(kù)排沙條件

水庫(kù)排沙效果主要受人庫(kù)水沙條件、水庫(kù)邊界條件以及水庫(kù)運(yùn)行方式等因素的制約。了解水庫(kù)排沙條件是提高水庫(kù)排沙比的關(guān)鍵，克孜爾水庫(kù)排沙條件如下。

（1）工程條件?，F(xiàn)有水庫(kù)排沙工程條件不理想，排沙洞尺寸及位置均無(wú)法較好地滿足水庫(kù)排沙要求。

（2）庫(kù)區(qū)形態(tài)。水庫(kù)攔門沙坎、盆地的存在嚴(yán)重制約著水庫(kù)下泄流量及流速，水庫(kù)在低水位排沙時(shí)仍難以取得預(yù)期的排沙效果，溯源沖刷的作用不明顯?？俗螤査畮?kù)干流庫(kù)區(qū)地形復(fù)雜，河道存在較多的擴(kuò)展、彎道及支流匯人等現(xiàn)象，削弱了干流異重流的行進(jìn)能量，致使異重流無(wú)法行進(jìn)至排沙建筑物處。

（3）河床比降。水庫(kù)壩前出現(xiàn)的盆地及攔門沙坎導(dǎo)致壩前淤積面持續(xù)抬高，現(xiàn)狀近壩段淤積比降小于原河床，不利于泥沙排出。

（4）水庫(kù)淤積物。水庫(kù)淤積物總數(shù)的88%為懸移質(zhì)泥沙，利于水庫(kù)低水位排沙，且對(duì)排沙洞底板的磨損較小。

3排沙減淤方案

克孜爾水庫(kù)排沙的關(guān)鍵在于解決水庫(kù)前期淤積泥沙問題以及減少未來(lái)水庫(kù)入庫(kù)沙量。解決水庫(kù)前期淤積泥沙問題主要指解決攔門沙坎問題以及近壩段淤積泥沙問題，減少未來(lái)人庫(kù)沙量主要考慮干流以及支流泥沙入庫(kù)問題。

3.1解決前期淤積泥沙問題

研究表明 ：隨著水庫(kù)的運(yùn)行，近壩段入庫(kù)河流交匯區(qū)淤積沙坎將會(huì)進(jìn)一步淤高，當(dāng)庫(kù)水位低于沙坎高程時(shí)，沙坎將會(huì)隔斷干流，將庫(kù)區(qū)分成上下兩部分，影響水庫(kù)的正常運(yùn)行。整治攔門沙坎的主要方案 包括機(jī)械挖泥疏浚方案、防淤堤方案以及導(dǎo)沙人河和岸邊挖泥槽方案。本節(jié)主要分析機(jī)械挖泥疏浚方案及導(dǎo)沙人河方案。

機(jī)械挖泥疏浚是解決克孜爾水庫(kù)泥沙淤積的重要措施，可借助挖泥船與吸泥頭結(jié)合的方式進(jìn)行，現(xiàn)階段使用挖泥船疏浚的實(shí)際成本為4～8元/m^3，中標(biāo)單價(jià)為6～10元/m^3 。按照克孜爾水庫(kù)實(shí)際淤積泥沙總量計(jì)算，最高需0.178億元，這對(duì)于水庫(kù)管理單位是一筆十分巨大的經(jīng)濟(jì)投入，因此僅采用機(jī)械挖泥疏浚方案是不太合算的。

導(dǎo)沙入河方案的治理目標(biāo)是將支流克孜爾河的入庫(kù)泥沙盡可能導(dǎo)入水庫(kù)下游渭干河河道，減緩壩前淤積?？俗螤査畮?kù)現(xiàn)已實(shí)施導(dǎo)沙人河方案，在支流克孜爾河上游修筑導(dǎo)流堤，將來(lái)水挑向河道左岸，水流沿左岸順勢(shì)而下，再由順壩將水流導(dǎo)入人工排沙明渠，最后經(jīng)壩前350m出口流人壩前導(dǎo)流兼排沙明渠至壩前。該方案實(shí)施以來(lái)，水庫(kù)年均排沙量比未采取措施時(shí)提高5倍，水庫(kù)汛期維持在1140.0m水位以下運(yùn)行時(shí)，排沙效果約為未采取措施時(shí)的6倍，且在支流克孜爾河庫(kù)段形成沿淤積三角洲頂點(diǎn)向上游發(fā)展的溯源沖刷，形成長(zhǎng)6.0km、寬40.0m、平均深度3.0m的沖刷槽。

機(jī)械挖泥疏浚方案和導(dǎo)沙人河方案相結(jié)合可有效緩解壩前泥沙嚴(yán)重淤積所造成的危險(xiǎn)局面，對(duì)水庫(kù)進(jìn)一步治理泥沙淤積問題具有先導(dǎo)作用，也可為水庫(kù)轉(zhuǎn)變運(yùn)行方式創(chuàng)造條件。

3.2減少入庫(kù)泥沙

研究表明，攔沙壩的建設(shè)可有效解決河流泥沙入庫(kù)問題，具有顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。木扎提河上游出山口至水庫(kù)壩址處為克孜爾水庫(kù)的主要產(chǎn)沙區(qū)，此區(qū)間位于山前沖積帶，植被覆蓋率低，分布有大量山洪溝，暴雨期山洪溝洪水?dāng)y帶大量泥沙匯入木扎提河。在木扎提河各主要山洪溝上興建攔沙壩，可以有效減少克孜爾水庫(kù)來(lái)沙量，達(dá)到減淤目的，同時(shí)起到穩(wěn)固河床及邊坡的作用。建議在克孜爾水庫(kù)上游建設(shè)大、中、小相結(jié)合的攔沙壩，以小流域?yàn)閱卧ㄔO(shè)層層攔截的攔沙壩系，起到攔沙、削峰、滯洪和上攔下保的作用。

提高上游植被覆蓋率即實(shí)施水保固土措施，通過(guò)減少河道兩岸岸坡土石脫落總量，可達(dá)到減少入庫(kù)泥沙的目的。韓曉燕等 研究發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋率與水土保持效益間不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，只有當(dāng)植被覆蓋率達(dá)到一定程度時(shí)，才能起到防治土壤侵蝕的作用：當(dāng)植被覆蓋率超過(guò)某一程度時(shí)，植被的水土保持功能幾乎不隨覆蓋率的增大而增強(qiáng)。韓鵬等 認(rèn)為，黃河流域植被覆蓋率提高到15%以上時(shí)水保效益較顯著，植被覆蓋率超過(guò)45%時(shí)植被已不能對(duì)水土保持產(chǎn)生明顯的作用，綜合認(rèn)定適宜的植被覆蓋率應(yīng)為25%。徐婷等通過(guò)整理克孜爾水庫(kù)下游渭干河流域1989-2007年植被覆蓋率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，植被覆蓋率呈微弱上升趨勢(shì)，其歸一化植被指數(shù)NDVI年均值為0.1452，年均增長(zhǎng)率為0.21%。綜合以上研究，鑒于克孜爾水庫(kù)上游人煙稀少，屬于自然環(huán)境條件，其植被覆蓋率應(yīng)低于渭干河灌區(qū)植被覆蓋率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到水保固土的植被覆蓋程度，故應(yīng)提高水庫(kù)上游植被覆蓋率，以減少入庫(kù)泥沙總量。

3.3水庫(kù)遠(yuǎn)期排沙運(yùn)行方案

從克孜爾水庫(kù)來(lái)水來(lái)沙條件分析，汛期融雪洪水占有很大比重，但洪水量級(jí)相對(duì)較小。當(dāng)發(fā)生暴雨洪水時(shí)，盡管洪水量級(jí)較大，但由于水庫(kù)承擔(dān)防洪任務(wù)，因此不僅不能利用暴雨洪水進(jìn)行排沙，而且將暴雨洪水?dāng)y帶的大量泥沙淤積在庫(kù)內(nèi)。所以，缺少量級(jí)較大而又不對(duì)下游防洪產(chǎn)生影響的洪水進(jìn)行排沙，是克孜爾水庫(kù)排沙效率低的又一重要原因。

克孜爾水庫(kù)泥沙淤積問題如不解決，水庫(kù)將不能滿足下游用水要求。為滿足下游用水需求，有必要興建有一定調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)。干流木扎提河來(lái)水來(lái)沙總量大，在其上游興建水庫(kù)，不僅能滿足下游用水要求，而且可以利用上游山區(qū)水庫(kù)產(chǎn)生人造洪水，用于克孜爾水庫(kù)排沙。建議在目前渭干河流域用水已發(fā)生重大變化的情況下，重新進(jìn)行渭干河流域規(guī)劃，將流域多庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，徹底改變克孜爾水庫(kù)泥沙幾乎只淤不排的現(xiàn)狀，使渭干河流域調(diào)水調(diào)沙走向良性循環(huán)。

4結(jié)論

克孜爾水庫(kù)泥沙淤積嚴(yán)重的原因主要為：①入庫(kù)水沙總量逐年增加：②水庫(kù)現(xiàn)有排沙洞不利于干流泥沙排出；③水庫(kù)運(yùn)行方式不利于泥沙出庫(kù)：④攔沙門坎的形成導(dǎo)致沖沙水量不足。水庫(kù)應(yīng)遵循“上攔下排”原則，綜合利用機(jī)械挖泥疏浚方案、導(dǎo)沙人河方案解決現(xiàn)有攔沙坎及近壩段泥沙淤積問題，采取水庫(kù)上游增建淤地壩以及開展水土保持工作減少入庫(kù)泥沙總量，多種手段并用進(jìn)行水庫(kù)排沙減淤?？紤]到渭干河下游灌區(qū)灌溉需水量連年增加，以及水庫(kù)淤積嚴(yán)重導(dǎo)致現(xiàn)狀蓄水能力嚴(yán)重不足，有必要在干流木扎提河上游新建水庫(kù)進(jìn)行水沙聯(lián)合調(diào)度。