多泥沙河流防洪水庫泄洪排沙規(guī)模研究
——以陜西省王瑤水庫為例

郭世興，王 健，呂 莎

(陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001)

1 研究背景

河流上修建水庫，都有泥沙淤積問題，控制泥沙淤積是水庫運(yùn)行的主要矛盾。合理的運(yùn)行方式是獲得良好排沙效果的重要途徑，而水庫泄流規(guī)模的大小又是獲得良好排沙效果的先決條件[1]。目前對水庫泄流能力研究多集中在低含沙水流或清水試驗(yàn)。高含沙水流由于含沙量高和粘性顆粒的存在，使渾水發(fā)生絮凝，水流由中、低含沙量的牛頓流體變?yōu)橘e漢流體，產(chǎn)生賓漢極限切應(yīng)力，水流粘性系數(shù)也發(fā)生改變[2]。通過對張瑞瑾低含沙水流挾沙力公式的修正，韓其為[3]、張紅武[4]、張紅藝[5]等引入賓漢切應(yīng)力，考慮不同影響因子建立各自的高含沙水流挾沙力公式。

黃科院[6]采用渾水試驗(yàn)分析形成賓漢體臨界含沙量為81 kg/m3，形成一相流的臨界含沙量為300 kg/m3，且顆粒越細(xì)，賓漢體極限切應(yīng)力越大[7]。多泥沙河流汛期泄洪由于含沙量對粘滯性和摩阻系數(shù)的影響，按清水試驗(yàn)確定的堰流流量系數(shù)偏大，計(jì)算泄流量偏高。陳上群[8]通過高含沙賓漢體流變方程分析，孔流渾水流量系數(shù)大于清水流量系數(shù)，按清水流量模數(shù)偏于安全。文獻(xiàn)[9]在中表孔泄流試驗(yàn)及三門峽泄流[1]驗(yàn)證了相同水位渾水流量偏小。泄流能力方面，文獻(xiàn)[10-12]分析不同供水水庫的泄流規(guī)模，提出水庫對應(yīng)各級特征水位要求的泄流規(guī)模。對于多泥沙河流上的防洪水庫，需要按照防洪調(diào)度規(guī)則滯蓄天然洪水來削減洪峰和錯峰，洪峰過后在滿足下游安全前提下，盡快下泄所蓄洪水，則水庫要有一定的泄洪排沙規(guī)模。本文通過延安市王瑤水庫水沙特性分析和運(yùn)行觀測資料的分析，提出多泥沙河流上防洪水庫合理的泄流排沙規(guī)模。

2 王瑤水庫概況

王瑤水庫位于陜西省延安市境內(nèi)延河支流杏子河上，控制流域面積820 km2。水庫于1970年10月動工修建，1972年9月竣工。原設(shè)計(jì)(“三邊工程”)是一座以防洪為主，兼有灌溉、發(fā)電、供水等綜合效益的二等大(2)型水利樞紐。由于延安市城市供水水源貧乏，1997年開始蓄清排渾運(yùn)用給延安市供水，設(shè)計(jì)日供水量5.0萬m3，設(shè)置汛期限制水位1 180.5 m，工程首要任務(wù)是防洪，采用固定泄量法調(diào)度，非王新宏[13]所述為供水水庫。

王瑤水庫由大壩、Ⅰ號和Ⅱ號泄洪洞、輸水洞和電站等組成。大壩為均質(zhì)土壩，最大壩高55 m，校核洪水位1 188.02 m，對應(yīng)初始庫容2.03億m3。Ⅰ號泄洪洞位于左壩肩，進(jìn)口洞底高程1 145.7 m，2.6 m內(nèi)徑的67.3 m圓形壓力洞接628.6 m城門洞型(3.2 m×3.75 m)明流洞，最大泄量79 m3/s。1979年12月完工投入運(yùn)行；Ⅱ號泄洪洞進(jìn)口洞底高程1 150 m，3 m內(nèi)徑圓形壓力洞39.8 m接城門洞型609 m明流洞(3.6 m×4.4 m)，最大泄量116 m3/s，2007年7月投入運(yùn)行。輸水洞采用菠蘿型放水塔分層取水，1980年投入運(yùn)行[14]。

3 杏子河水沙特性及王瑤水庫實(shí)測淤積分析

3.1 杏子河水沙特性分析

杏子河為延河右岸一級支流，流域面積1 483 km2。流域?yàn)辄S土丘陵溝壑區(qū)，植被差，水土流失嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)王瑤水庫壩址1958年～2014年(1962年和1967年缺測)的55年水沙系列，多年平均的徑流量為0.35億m3，輸沙量為846萬t，多年平均含沙量236 kg/m3，其中汛期7月、8月來沙量占多年平均入庫沙量的80%，汛期平均含沙量413 kg/m3。年最大入庫徑流量、沙量分別為0.67億m3和3 000萬t，年最小入庫徑流量、沙量分別為0.17億m3t和140萬t；日平均最大含沙量1 301 kg/m3。入庫水沙呈年際年內(nèi)分配不均，含沙量高，小流量帶大沙，洪水猛漲猛落，峰高量小歷時短，來沙集中等特征。統(tǒng)計(jì)實(shí)測洪水過程，大于50 m3/s的洪峰一般持續(xù)3～5 h，日平均含沙量500 kg/m3對應(yīng)流量集中在10 m3/s。從表1可以看出，日平均大于10 m3/s的天數(shù)為4.96 d，徑流量占全年的34.1%，輸沙量占全年的77.8%；日平均大于30 m3/s的天數(shù)接近1 d，徑流量占全年的29.4%，輸沙量占全年的44.7%；從表2輸沙率統(tǒng)計(jì)分析，輸沙率大于17.36 t/s(150萬t/d)的天數(shù)出現(xiàn)1.2 d，輸沙量占全年的45%，徑流量占全年的17.6%。根據(jù)水沙過程集中的特性，只要泄流設(shè)施合理，控制水庫每年泄流1～4 d就可以把大量的泥沙排出庫外。依據(jù)杏河站用粒徑計(jì)測算的懸移質(zhì)顆粒級配資料，d50=0.014 mm，d≤0.025 mm占65.1%，d≤0.05 mm占84.1%。歷年不同流量級入庫水沙量統(tǒng)計(jì)見表1，歷年輸沙率分級水沙成果統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 歷年不同流量級入庫水沙量統(tǒng)計(jì)

3.2 王瑤水庫泥沙淤積分析

王瑤水庫1973年1月～1979年12月蓄洪攔沙，淤積總量占總庫容29.4%，壩前淤積厚30 m；1980年1月～1984年12月雖Ⅰ號泄洪洞竣工，但只進(jìn)行了幾次滯洪排沙，總淤積量占總庫容39%，壩前淤積厚度34.6 m；1985年6月24日～7月14日泄空排沙，汛期又經(jīng)過幾次空庫敞泄排沙，排沙量842萬m3(年入庫沙量502萬m3)，淤積灘面平均比1984

表2 歷年輸沙率分級水沙成果統(tǒng)計(jì)

年下降了0.8 m，初步在平行抬升的床面上形成了槽庫容。據(jù)1988年實(shí)測，主槽已形成704萬m3槽庫容，至1990年12月淤積總量占總庫容37.5%；1991年1月～1995年12月蓄洪攔沙，排沙比19.9%，淤積總量占總庫容52.9%；1996年汛期泄空排沙2個月，沖出槽庫容；1997年至今給延安市供水，采用蓄洪排沙運(yùn)用，2015年實(shí)測壩前淤積高程1 176.6 m，水庫泥沙淤積總量1.45億m3，占總庫容的71.4%，壩前淤積厚40.9 m，已高出泄洪洞進(jìn)口30.9 m，一旦提閘放水，周圍淤泥極易下滑而堵塞壓力洞段，給大壩運(yùn)行安全造成威脅。

依據(jù)實(shí)測斷面資料，王瑤水庫淤積面基本平行抬高，在泄洪洞前形成明顯的排沙漏斗，2015年實(shí)測Ⅰ號泄洪洞進(jìn)口漏斗深28.3 m，洞口上下游比降基本對稱為38.7%，平行壩軸線的溝道方向比降為30.95%；Ⅱ號泄洪洞進(jìn)口漏斗深24 m，洞口上游側(cè)比降為7.39%，洞口下游側(cè)比降為25.73%(近壩側(cè))。自1997年蓄洪排沙運(yùn)用后，壩前5 km淤積面抬升明顯，壩址處由1 154.2m抬高到1 176.6 m，河段比降0.209%，其中壩上游2.3 km以上灘槽分明；庫區(qū)6～12 km灘面抬高至汛限水位，河段比降0.018%。

3.3 王瑤水庫防洪作用

王瑤水庫作為防洪水庫，控制流域面積占延安市防洪控制斷面的20.4%，從“777”洪水王瑤水庫未泄洪仍然造成延安市主城區(qū)淹沒損失慘重的事實(shí)，說明其防洪作用有限。對“777”典型洪水過程和現(xiàn)有泄流曲線進(jìn)行水庫調(diào)洪計(jì)算，對于百年一遇的天然洪水組成，王瑤水庫的削峰量占防洪控制斷面天然洪峰的15.7%～34%；對于五十年一遇的洪水組成，王瑤水庫的削峰量占防洪控制斷面天然洪峰的15.5%～32.7%。

4 水庫合理的泄洪排沙規(guī)模

王瑤水庫受泄流規(guī)模的限制，洪峰過后無效攔蓄過多，泥沙大量在庫內(nèi)淤積，加之1997年后成為延安市唯一的骨干地表水源，蓄清排渾運(yùn)用使水庫淤積進(jìn)一步加劇，2016年實(shí)測正常蓄水位以下庫容0.21億m3。為緩解王瑤水庫的淤積，2004年在下游支溝建成紅莊反調(diào)節(jié)水庫，設(shè)計(jì)在王瑤空庫敞泄排沙期及蓄水初期(7月1日～8月20日)由紅莊水庫800萬m3調(diào)蓄庫容供水，但延安市的供水需求日益增長，供水管道一直滿負(fù)荷運(yùn)行，紅莊水庫只能依靠低壩抽取延河水和自身徑流進(jìn)行調(diào)蓄，王瑤水庫無法空庫排沙，管理部門由于近年枯水期持續(xù)的水荒采用限時供水，更無法承擔(dān)泄空排沙的供水風(fēng)險(xiǎn)，且原設(shè)計(jì)的泄洪洞汛期敞泄，沒有考慮王瑤的防洪要求，更沒有考慮不協(xié)調(diào)的水沙出庫對下游河道的淤積，增大下游堤防的防洪風(fēng)險(xiǎn)。故在延安引黃工程通水緩解市區(qū)供水壓力后，王瑤水庫具備了擴(kuò)容改造和改變運(yùn)行方式的條件，以下從水沙分析、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算及工程類比等方面進(jìn)行分析，研究王瑤水庫的合理泄流規(guī)模。

4.1 不利含沙量要求的最小泄流能力

不利含沙量指某一級含沙量在一年中出現(xiàn)的幾率最大，對水庫淤積量最為不利[15]。根據(jù)王瑤壩址歷年含沙量按等級劃分并統(tǒng)計(jì)各年中出現(xiàn)各級含沙量的幾率，計(jì)算其乘積，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。小于等于日平均含沙量50 kg/m3出現(xiàn)的幾率最大，乘積最大值相對應(yīng)的流量12 m3/s即為初定泄量的下限。對于豐枯變化大的杏子河，多年平均洪峰流量560 m3/s，而壩址汛期7月～8月的日平均流量1.66 m3/s，洪峰流量是日平均流量的337倍，不利含沙量對陡漲陡落的中小河流不適用。

表3 歷年含沙量與出現(xiàn)幾率統(tǒng)計(jì)及乘積

4.2 水沙特性分析需要的泄流能力

依據(jù)參證站資料按照矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)、目估適線的王瑤水庫各頻率洪水特征值見表4，利用錢意穎公式[1]計(jì)算的造床流量為118 m3/s。統(tǒng)計(jì)歷年實(shí)測資料，年最大洪峰流量小于200 m3/s的有13 a，在200～560 m3/s之間的有28 a，大于560 m3/s的有9 a?，F(xiàn)有最大泄流規(guī)模197 m3/s明顯不足，滯蓄洪水造成漫灘淤積。

杏子河輸沙量主要集中在汛期的幾場洪水，考慮壩址和防洪控制斷面區(qū)間洪水的組成，在區(qū)間洪峰過后，以不造成下游淤積為前提，把大水大沙年的汛期渾水在滿足下游防洪要求下排出，就可減少庫內(nèi)淤積。根據(jù)杏子河的天然水沙關(guān)系，實(shí)測流量350～580 m3/s對應(yīng)的含沙量在780～940 kg/m3，持續(xù)時間1～1.5 h，實(shí)測流量大于580 m3/s對應(yīng)的含沙量在810～1 010 kg/m3，持續(xù)時間0.5 h?？紤]沖沙時間和挾沙能力，初步分析泄流量應(yīng)在580 m3/s以上。

表4 王瑤水庫各頻率洪水特征值

4.3 經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的泄流能力

文獻(xiàn)[16]從保持長期有效庫容興利的角度，建議多泥沙河流水庫的排沙水位泄流規(guī)模取1.5倍～2.0倍造床流量或兩年一遇洪峰流量，對應(yīng)王瑤水庫需要的泄量為177～236 m3/s或310 m3/s。目前王瑤水庫校核洪水位時最大泄量為197 m3/s，汛期限制水位對應(yīng)的泄量176 m3/s，泄量偏小，最大泄量應(yīng)大于310 m3/s。王瑤水庫已運(yùn)行48年，庫區(qū)形成穩(wěn)定的沖淤比降和淤積床面，利用新建水庫的泄流公式確定已成水庫的泄流規(guī)模不盡合理。泄洪排沙洞前高差20余米的漏斗，改造時應(yīng)空庫拉出穩(wěn)定的河槽，控制汛期洪水不上灘落淤，在不考慮槽庫容調(diào)洪條件下，水庫平灘水位(或汛限水位)泄流規(guī)模取10%～5%的洪峰流量，對應(yīng)王瑤水庫洪峰流量為1 260～1 780 m3/s，其中底洞泄量按滯蓄洪水3～4 h考慮為510～680 m3/s。

4.4 工程類比的泄流能力

甘肅省蒲河上的巴家咀水庫壩址多年平均含沙量225 kg/m3，存在與王瑤水庫類同的泄洪能力小，滯洪時間長等問題，水庫因淤積問題多次加壩擴(kuò)容[17]。1998年水庫泄洪量按大于天然河道造床流量增建隧洞，最大泄洪量由137 m3/s增為642 m3/s，采用“蓄清排渾，空庫迎洪”運(yùn)行方式[18]汛限水位對應(yīng)泄量為最大泄量一半，仍不能滿足泄洪要求，2004年有效庫容淤積損失61.1%，改建加高壩體和增設(shè)開敞式溢洪道，采用“蓄清排渾，空庫迎洪，峰后蓄水”運(yùn)行方式。按照泥沙設(shè)計(jì)要求，王瑤水庫主汛期限制水位的泄流規(guī)模應(yīng)相當(dāng)于頻率p=33%～20%的洪峰流量(493～782 m3/s)或多年平均洪峰流量(560 m3/s)。巴家嘴改造時取p=33%洪峰實(shí)際運(yùn)行偏小，故王瑤水庫限制水位的泄流量應(yīng)大于560 m3/s。

4.5 防洪控制斷面允許的王瑤下泄流量

延安市現(xiàn)有堤防工程考慮了王瑤水庫滯洪削峰作用，要進(jìn)一步提高市區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)，需要延河干流規(guī)劃的龍安水庫和王瑤水庫作為并聯(lián)防洪水庫，錯開無控區(qū)間同頻的洪峰Q2%=3 902 m3/s，下泄洪水演進(jìn)到防洪控制斷面和區(qū)間洪水過程疊加，滿足中心城區(qū)的防洪要求。即洪峰時刻控制下泄397 m3/s，峰后根據(jù)泥沙調(diào)度結(jié)合防洪調(diào)度確定下泄流量。

綜上所述，王瑤水庫作為防洪水庫采用“蓄清排渾”運(yùn)用，為了減小洪水?dāng)y帶的及前期蓄水階段淤積在庫內(nèi)的泥沙影響，需要規(guī)模較大的泄流排沙設(shè)施，也有利于錯峰泄洪后騰出庫容迎接下一場洪水。土石壩現(xiàn)有的泄洪排沙規(guī)模偏小，應(yīng)增大無壓隧洞的泄洪規(guī)模不小于580 m3/s，結(jié)合增設(shè)溢洪道，控制平灘水位的泄量不小于1 780 m3/s。

5 結(jié) 論

(1)北方中小河流豐枯變幅大，洪水歷時時間短，高含沙存在的賓漢極限切應(yīng)力，使相同的孔流規(guī)模，水流泄流量明顯偏低。

(2)不利含沙量對北方多沙河流陡漲陡落型河流適用性差，水庫泄流排沙規(guī)模要充分利用已有水庫的原型觀測資料和水沙系列進(jìn)行分析，并通過類比同類工程的設(shè)計(jì)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)合理取舍，多泥沙河流考慮和諧的水沙關(guān)系，泄流規(guī)模應(yīng)不小于多年平均洪峰流量，水庫平灘水位泄流規(guī)模取10%的洪峰流量。

(3)防洪水庫在錯峰調(diào)度后適時加大下泄流量，使泥沙在庫內(nèi)落淤少，保持有效庫容發(fā)揮長期綜合效益。泥沙調(diào)度和防洪調(diào)度結(jié)合、防洪體系中并聯(lián)水庫的庫容優(yōu)化配置及協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系都需要進(jìn)一步研究。