陜西省多泥沙河流供水水庫運行方式研究

郭世興 劉斌

摘要：供水水庫為現(xiàn)代社會經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展提供水源保障，其效益的發(fā)揮直接取決于庫容的大小，而泥沙淤積是導致水庫庫容損失的根本原因。針對陜西省多泥沙河流的水沙特性，通過對多年來水庫實際運行情況的調(diào)查分析，結(jié)合近20a供水水庫的開發(fā)運行方式總結(jié)，提出了供水水庫采用蓄水運用、蓄清排渾、引干入支等開發(fā)運行方式的判別條件。結(jié)合工程實例，驗證從含沙量、庫沙比、水沙特性及庫容系數(shù)等參數(shù)總結(jié)的供水水庫運行方式判別條件的合理性。

關(guān)鍵詞：多沙河流；供水水庫；運行方式；判別條件

中圖分類號：TV697.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.031

1 研究背景

在多沙河流上修建水庫，河流天然的水沙平衡狀態(tài)被破壞，庫區(qū)流速與挾沙力的降低導致大量泥沙淤積[1]。陜西黃土高原地區(qū)水土流失嚴重，河流枯水期流量小，洪水期攜帶泥沙多，水少沙多、水庫淤積等問題突出。據(jù)陜西省1991年調(diào)查資料統(tǒng)計，已建的296座?。?）型以上水庫累計淤積量為11.74億m3，庫容淤積損失率為28.79%（其中：5座大型水庫共淤積2.70億m3，淤積損失率為21.87%； 62座中型水庫共淤積6.67億m3，淤積損失率為32.57%；229座小型水庫共淤積2.37億m3，淤積損失率為29.78%）。自198一年以來，全省因淤積而廢棄的?。?）型水庫有29座，共淤廢庫容0.62億m3，分布在河流含沙量高、水土流失嚴重的榆林、延安地區(qū)[2]。水庫淤積導致水庫庫容損失，增加水庫的建設(shè)成本，增大壩址的選擇難度，降低水庫功能效益，加重維護成本和病險發(fā)生概率，影響水庫壽命和運行安全等，不利于社會發(fā)展與和諧[3]。近20a來，隨著關(guān)中城市群及陜北能源化工基地的建設(shè)和人民生活水平的提高，以城鎮(zhèn)生活、工業(yè)供水為主的供水水庫建設(shè)進入高潮。由于供水水庫要求供水保證率高，水庫長年處于供水運行狀態(tài)，泥沙淤積問題更加突出，因此在積極進行水庫流域范圍水土保持工作的同時，按照河流水沙特性、工程任務(wù)和建庫條件等，研究制定多泥沙河流供水水庫合理的開發(fā)運行方式、保證水庫持續(xù)正常使用對水庫建設(shè)和管理具有重要意義。2陜西省多沙河流的水沙特征

（1）水沙年內(nèi)分配不均，年際變化大。陜西省受大陸性季風氣候和地形的影響，降水量時空分布不均，且降水多以暴雨形式出現(xiàn)。根據(jù)關(guān)中和陜北各主要河流水文站的水沙統(tǒng)計結(jié)果（見表1），汛期（7-9月）徑流量占全年水量的50%左右，汛期沙量占全年輸沙量的86%～96%；陜北地區(qū)直接匯入黃河的河流和徑河的多年平均含沙量為126～262kg/m3，汛期含沙量達242～357kg/m3，其他河流汛期含沙量是年平均含沙量的一倍以上。故河流的水沙過程主要集中在汛期，且輸沙量比徑流量更集中，汛期入庫泥沙是水庫淤積的主體[4]。對于陜西省1萬km2以下的河流，水沙過程基本同步，同豐同枯，且洪峰的變化梯度大于沙峰，若水庫汛期運行方式合理，大量泥沙可排出庫區(qū)，延長水庫的使用壽命。

以延河安塞站為典型，分析河道的水沙年際分配規(guī)律，年最大徑流量為8551萬m3，年最小徑流量為2245萬m3，最豐年徑流量是最枯年的3.8倍；最大年輸沙量為3 688萬t，最小年輸沙量為47萬t，最大年輸沙量是最小年的78.5倍。因此，河流的水沙年際豐枯變化大，輸沙量比徑流量變化更加突出。

（2）水流含沙量高，細顆粒多。泥沙顆粒是反映泥沙力學特性與泥沙運動狀況的主要因素，影響河道演變和泥沙運動形式[5]。據(jù)陜西省關(guān)中和陜北高含沙河流水文站實測懸移質(zhì)粒徑級配統(tǒng)計（見表2），陜北人黃河流（含沙量S>100kg/m3）的泥沙顆粒較粗，按文獻[6]顆粒分類，粉粒占27%～33%，細沙占47%～60%；其次為洛河泥沙（S=91kg/m3），粉粒占56%，細沙占31%；徑河從上游張家山站到下游景村站泥沙顆粒逐漸細化，但顆粒組成仍以粉粒和黏粒為主。顆粒細、沉速小、河床比降陡時有利于異重流排沙，但細顆粒淤積后孔隙率小且易板結(jié)，難沖刷。

3 供水水庫運行方式研究

3.1 供水水庫運行特點

供水水庫指解決城鄉(xiāng)居民生活、工業(yè)和公共設(shè)施與環(huán)境用水的水利樞紐工程，要求保證率不低于95%，水庫徑流、洪水調(diào)節(jié)應(yīng)考慮泥沙淤積影響[7]。由于供水水庫要持續(xù)保證供水的連續(xù)性，因此蓄豐補枯需要的興利庫容大，運行水位高，即使特枯年份枯水時段也要保證70%的正常供水量。

多沙河流上的供水水庫，當水庫汛期低水位運行時有利于庫區(qū)排沙，減少淤積，但會損失部分水庫效益，且存在汛后無水可蓄的風險；當高水位運行時效益較大，但會增加庫區(qū)淤積。其運行方式的最大特點是不僅要對水量進行調(diào)節(jié)，而且要對沙量進行調(diào)節(jié)，目的在于權(quán)衡水庫供水與排沙的矛盾，平衡水庫近期與遠期效益的關(guān)系。

3.2 運行方式和判別條件

針對陜西省多沙河流輸沙量大、汛期水沙量集中、泥沙顆粒細等特點，除設(shè)計足夠大的泄流排沙規(guī)模外，擬定合理的水庫運行方式對泥沙淤積控制至關(guān)重要。通過分析陜西省多沙河流供水水庫的庫容、供水量及河流的水沙特征等指標與水庫運行方式的關(guān)系，提出水庫運行方式的初步判別條件（見表3），按照多沙河流水庫蓄水運用和蓄清排渾的運行方式分述如下。

3.2.1 蓄水運用

新中國成立初期，我國修建的水庫大都采用蓄水運用，多沙河流上水庫淤積嚴重。如1958年開工建設(shè)的黃河中游青銅峽水庫蓄水運用5a，庫容損失達86%，水庫平均年淤積率（年平均淤積量與總庫容之比）達17%[8]。雖然蓄水運用存在淤積嚴重，初期庫容大、投資大，逐步抬高汛限水位運行時上部庫容閑置時間長等缺點，但是陜西省在水土流失嚴重而水資源供需矛盾突出的地區(qū)，當水庫的庫沙比Kt>60且含沙量S<30kg/m3時，均采用蓄水運行方式來解決當?shù)氐墓┧畣栴}。

3.2.2 蓄清排渾運用

蓄清排渾指在來水來沙較多的汛期降低壩前水位運用，在來沙較少的非汛期蓄水興利的調(diào)度方法[9]。由于有一定的泄空排沙期，因此細顆粒泥沙來不及大量沉積被水流攜帶排出，有利于形成長期庫容[10]。蓄清排渾是一個原則框架，對于不同河流和水庫實際情況，需要進一步優(yōu)化和調(diào)整，才能夠在最大限度保障水庫長期利用的前提下，也最大限度地發(fā)揮水庫的綜合效益。陜西省各地黃土覆蓋厚度和泥沙組成差異大，河流來水來沙量、水庫開發(fā)任務(wù)及建庫條件等均不同，多沙河流上目前已建和在建的大型供水水庫主要采用蓄清排渾運用，但排沙措施各不相同。依據(jù)不同水沙及庫容等條件，按照表3統(tǒng)計分析的水庫運行方式判別因子，初步確定水庫的運行方式，保證水庫既能獲得較高的供水效益，又能延長水庫使用壽命。

（1）泄空（或滯洪）排沙加反調(diào)節(jié)水庫。滯洪排沙指水庫在小洪水時不蓄洪攔沙，在大洪水時滯留部分洪水，使細顆粒泥沙排出庫外、粗顆粒泥沙落淤庫內(nèi)的運行方式[11]。其排沙率高，但泄空運用時無法保證供水，因此需要配套反調(diào)節(jié)水庫或與其他水庫進行聯(lián)合調(diào)度。當汛期徑流量/全年徑流量>0.5且汛期輸沙量/全年輸沙量>0.8，同時有地形條件修建反調(diào)節(jié)水庫時，采用泄空（或滯洪）排沙加反調(diào)節(jié)水庫運行方式。

（2）上攔下蓄運行。當供水水庫Kt<30且水沙集中在汛期，而水庫周圍沒有修建反調(diào)節(jié)水庫的條件時，從控制泥沙入庫的角度，除完成流域內(nèi)水土保持規(guī)劃外，可在庫區(qū)上游主要產(chǎn)沙區(qū)的溝道修建攔泥壩（上攔），而下游供水水庫進行徑流調(diào)蓄（下蓄）；或者考慮攔泥壩淤積面逐年抬高，在壩體內(nèi)分層敷設(shè)無沙濾管收集入滲清水，匯流到集水豎井內(nèi)直接給下游供水。

（3）引干入支。當干流水量豐沛而無建庫條件且水沙豐枯變化劇烈、而鄰近支流含沙量小且?guī)烊菹禂?shù)（興利庫容與壩址徑流量之比）大于1.0時，可在干流修建低壩引水樞紐，通過隧洞把干流含沙量小的徑流引入支流水庫調(diào)蓄，通過支流水庫供水，滿足干流含沙量大無法引水時的供水要求。

4 工程實例

4.1 蓄水運用實例

王圪堵水庫是榆林市橫山縣境內(nèi)無定河中游一座以供水、攔沙為主，兼顧灌溉等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程，庫沙比為101（>60），入庫含沙量為14kg/m，（<30kg/m3），采用蓄水攔沙運用方式。設(shè)計運用期為60a，水庫可攔沙1.91億m3，同時為工業(yè)供水1.56億m3/a、為下游0.97萬hm2灌區(qū)補水4440萬m3/a[12]。

陜西省徑河支流上擬建的紅巖河水庫河流含沙量23kg/m3且?guī)焐潮葹?5，符合蓄水攔沙運用方式，30a后正常蓄水位下剩余庫容3721萬m3，多年平均供水量2127萬m3，同時攔泥2398萬m3。

4.2 蓄清排渾運用實例

王瑤水庫位于延河支流杏子河上，是保證下游延安市防洪安全的水利樞紐，水庫庫沙比為24，汛期徑流量占全年的55%，輸沙量占全年的86%。1972年下閘蓄水后，先后采用蓄洪攔沙、蓄洪排沙、空庫排沙等運行方式，截至1996年年底累計淤積量占總庫容的48.8%。1997年其作為唯一地表骨干水源蓄水運用給延安市供水，水庫淤積嚴重，到2001年年底累計淤積量占總庫容的56.7%，嚴重影響到王瑤水庫的使用壽命和延安城區(qū)的防洪及長遠供水安全。根據(jù)杏子河的水沙特性，調(diào)整王瑤水庫7-8月為敞泄排沙運行，2006年在下游河莊坪支溝建成總庫容953萬m3的紅莊水庫進行反調(diào)節(jié)，保證王瑤水庫敞泄期的城市供水，運行效果良好。

在建的黑河亭口水庫庫沙比為20，汛期徑流量占全年的50%，輸沙量占全年的84%。采用汛期7-8月入庫流量大于30m3/s且含沙量大于50 kg/m3時敞泄排沙，下游支溝修建700萬m3的中源溝反調(diào)節(jié)水庫，將豐水年亭口棄水（S<8kg/m3）抽人反調(diào)節(jié)水庫調(diào)蓄，作為亭口水庫排沙期或其他時段供水量不足時的補充水量，有效解決彬長礦區(qū)煤、電、煤化工項目的水源問題，同時向彬縣、長武縣城供水[13]。

王瑤水庫和黑河亭口水庫的水沙和地形條件符合泄空排沙加反調(diào)節(jié)水庫運行條件。

擬建的陜西省吳起縣玉皇廟水庫，壩址河流平均含沙量388kg/m3，111.0萬m3渾水徑流中清水為96.3萬m3，水庫庫沙比為11。在壩址上游正溝、官畔溝布置2座碾壓式骨干壩，采用塔式放水建筑物，布置高低兩個進水口，放水口高程高于下游水庫正常蓄水位，通過消力池與下游河道連接。洪水期骨干壩關(guān)閘，滯洪和沉淀泥沙后下泄清水到下游水庫，年供水量63.6萬m3。

陜西省延川縣1973年在清澗河支流永坪川修建的寒沙石中型水庫按蓄清排渾方案使用，水庫庫沙比為25。因汛期洪水全部排泄拉沙而汛后水量小，難以滿足農(nóng)業(yè)灌溉和煉油廠的生產(chǎn)用水要求。從1977年起，在寒沙石水庫上游修建了一批攔泥壩，將泥沙攔蓄在上游攔泥壩內(nèi)，再用臥管涵洞將清水排人下游寒沙石水庫。根據(jù)觀測資料分析，寒沙石水庫泥沙淤積量由1973年的150萬m3/a降低到1986年的4萬m3/a，同時保證了正常供水。

玉皇廟水庫和寒沙石水庫的庫沙比Kt<30，水沙集中且不具備建反調(diào)節(jié)庫的地形條件，采用上游水庫滯洪攔沙、下游水庫蓄水興利的運行方式，水資源利用率高。

陜西省延安市黃陵縣南溝門水庫位于洛河支流葫蘆河上，庫區(qū)植被良好，多年平均含沙量為12.3kg/m3，庫容系數(shù)為1.35。干流洛河多年平均含沙量為196kg/m3（汛期平均含沙量為398kg/m3），且該河段無建水庫條件。為滿足延安石油化工基地用水與城鄉(xiāng)生活需水，改善當?shù)毓喔葪l件，在洛河干流馬家河修建無調(diào)蓄作用的引水樞紐，通過6.12km引洛人葫輸水隧洞將洛河干流質(zhì)量含沙量小于3%（混合含沙量31kg/m3）的徑流引入南溝門水庫進行調(diào)蓄。南溝門水庫符合引干人支運行條件，引用洛河非灌溉期的流量10m3/s（馬家河斷面年徑流量為3.46億m3）與南溝門壩址的徑流量（1.34億m3/a）進行調(diào)節(jié)，滿足工業(yè)及城鎮(zhèn)生活總需水1.06億m3和農(nóng)灌補水0.5億m3的要求。

5 結(jié)論

供水水庫蓄水興利固然重要，但對于多沙河流上的水庫，要根據(jù)河流的水沙特性、建庫條件、工程任務(wù)等，制定合理的水庫運行方式，協(xié)調(diào)供水與排沙的矛盾，保證水庫既能獲得較高的供水效益，又能延長水庫使用壽命。針對陜西省多沙河流上供水水庫的水沙特性和總結(jié)的供水水庫運行方式判別條件，結(jié)合工程實例驗證了蓄水運用、蓄清排渾等運行方式判別條件的合理性。本次僅從河流含沙量、庫沙比、水沙特性及庫容系數(shù)等參數(shù)總結(jié)了供水水庫運行方式的初步判別條件，具體的水庫運行方式還要考慮地形地質(zhì)條件、淹沒損失、工程投資等經(jīng)濟技術(shù)指標進一步研究確定，保證水庫滿足長期供水需求，同時維持水庫泥沙多年沖淤平衡狀態(tài)，延長水庫使用壽命，充分發(fā)揮水庫的興利功能。

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