二龍山復式水庫構建方案探討

黃華忻，任延波，黃曉波

(1.商州區(qū)水利局，陜西 商洛 726000；2.商州區(qū)惠眾農(nóng)村供水有限公司，陜西 商洛 726000)

水庫是攔洪蓄水、綜合利用水資源的控制性工程，在防汛抗旱、城市供水、養(yǎng)殖發(fā)電和區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展中起著重要作用。泥沙淤積使水庫庫容減小，工程效益萎縮衰減甚至報廢，是水庫生命的最大危害。特別是中小型水庫，由于庫容小，“單兵作戰(zhàn)”，抗淤積生存能力更低。如何清除泥沙淤積危害，讓其長效發(fā)揮調(diào)蓄功能，對當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展至關重要?，F(xiàn)在以陜西省商洛市二龍山水庫為例對除淤擴容措施進行探討，探索改建復式水庫的可行性和必要性。

1 概況

商洛市二龍山水庫位于秦嶺南麓長江二級支流丹江上游，控制丹江上游流域面積965km2[1]。大壩為漿砌石重力壩，壩高63.7m(含基礎深13.7m)，水庫總庫容8100萬m3[2]，是一座中型水庫。水庫在防洪、發(fā)電、灌溉、城市供水等方面發(fā)揮著巨大作用[3]，既是城市防洪的屏障，也是城市供水水源地[4]。

水庫工程于1970年10月1日動工興建，1974年4月蓄水運行。水庫建成初期，主要為農(nóng)業(yè)農(nóng)村服務，年均增產(chǎn)糧食約1000萬kg，年均水力發(fā)電量800多萬kW·h，年均水產(chǎn)品產(chǎn)量約4萬kg。進入21世紀后，水庫灌區(qū)改建為商洛市的中心城區(qū)，新增城市人口20多萬人，并將建成為一座總人口40～50萬人的中等城市。水庫主要功能隨之轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞘蟹篮?、供水及生態(tài)環(huán)境建設服務，社會對水庫的要求更高更多。

2 水庫水力排沙及泥沙淤積進程

二龍山水庫原設計年均泥砂輸入量78.96萬m3，其中懸移質(zhì)66萬m3，推移質(zhì)12.96萬m3，推懸比為1∶5。水庫運行初期實測平均年淤積量為62.8萬m3，與泥砂設計大體吻合。進入20世紀90年代后，水庫來水來沙量均有所減少。從建庫開始，當?shù)厮块T就十分重視二龍山水庫淤積問題，在大壩西端開設了泄洪沖沙底孔，最大泄水量為133m3/s。1991年汛期，在西北水科所泥沙專家指導下，利用底孔開展異重流排沙試驗，取得很好效果，出庫最大含沙量127kg/m3，排沙比高達139%，排水比僅為16.1%[5]，為水庫蓄清排渾運行方式奠定了理論基礎。2002年因除險加固放空水庫，自然開展空庫排沙，使壩前淤積面由737m下降到725m。在大壩加固工程中，又在大壩東端增開泄洪沖沙底孔一個，加大了水力沖淤效果。

根椐水庫管理處實測淤積資料，水庫泥沙淤積進程為：

(1)至1986年4月共淤積754萬m3，其中有效庫容淤積348萬m3，死庫容淤積393萬m3，滯洪庫容淤積13萬m3。

(2)至2001年4月累計淤積1088.3萬m3，其中：有效庫容淤積426.9萬m3，死庫容淤積624.1萬m3，滯洪庫容淤積37.3萬m3。

(3)至2019年累計淤積1400萬m3，其中有效庫容淤積950萬m3，死庫容淤積300萬m3，滯洪庫容淤積150萬m3。

通過分析以上數(shù)據(jù)可知：①2019年，死庫容淤積300萬m3，較2001年減少324.1萬m3，說明2002年空庫排沙對壩前死庫容沖淤擴容大有成效。②水庫有效庫容與滯洪庫容淤積一直保持穩(wěn)定增長。這說明現(xiàn)有水力排沙難以沖刷位于水庫中尾部的推移質(zhì)泥沙。③至2019年，水庫有效庫容已淤積950萬m3，加上汛期限蓄水位較低(759.5m)，實際可利用的有效庫容只有1800萬m3左右，僅為設計有效庫容3800萬m3的47%，已不能滿足水庫調(diào)節(jié)需求。加上水庫上游來水量有減少趨勢，且豐、枯年來水量相差懸殊，據(jù)1953—2019年水文系列頻率計算，水庫上游多年平均年來水總量雖達1.98億m3，但枯水年只有0.61億m3(P=90%)及0.34億m3(P=95%)，較下游城市正常年需水量0.8億m3有很大缺口。二龍山水庫大量泥沙淤積直接影響水庫的調(diào)蓄能力，必然影響到水庫興利作用的發(fā)揮[6]，如不能保證水庫有較大調(diào)節(jié)庫容，必將出現(xiàn)供水危機。水庫清淤方案在不改建原有大壩及其主要泄洪、輸水等建筑物的前提下，可通過庫內(nèi)清淤，增加水庫興利庫容[7]，但由于投資大，清淤不是長久之計，因此，尋找二龍山水庫沖淤擴容新措施，勢在必行。

3 “復式水庫”構想以及方案

3.1 復式水庫構想

中小型水庫大多建于山區(qū)中小河流上，與大河上的多梯級特大型水庫可以上下庫配合調(diào)水調(diào)沙不同，中小河流上大多缺乏修建較大梯級水庫的資源條件。因此，中小型水庫要沖沙擴容只能挖掘水庫自身的資源潛力。根椐現(xiàn)有水庫經(jīng)常運行水位普遍偏低、大量有效庫容被閑置浪費的現(xiàn)狀，我們設想在水庫中上部的適當位置加建一座復壩(或稱上壩)，適當抬高上庫蓄水位，將現(xiàn)有統(tǒng)一水位的“單式水庫”分割成為上、下運行水位不同的“復式水庫”，由此將帶來以下改變：

(1)擬建的“復壩”為壩頂溢流的滾水壩，溢流壩壩頂高程(即上庫正常水位)高于下庫正常水位，但上庫的最高洪水位不超過原設計的最高洪水位。這樣就可以在不新增淹沒損失的前提下變消落區(qū)的大量閑置庫容為興利庫容(當然如有條件適當抬高上庫水位，復壩擴容效果會更好)，并美化消落區(qū)沙石裸露地貌，改善水庫環(huán)境面貌。

(2)利用上、下庫的水位差在水庫中部制造新的沖沙水動能。上庫按造床流量放水，即可溯源沖刷上庫，更會強力沖刷下庫，使下庫保持最大的“終極庫容”。同時利用上庫尾部水淺優(yōu)勢，開辦“機械采沙清淤沙場”，挖沙擴容，保持上庫也有較大“終極庫容”，同時變淤積物為建材等。

(3)擬建的復壩設有泄水底孔、泄洪槽等工程措施，具有較大的泄水能力，既可快速騰庫迎汛，又可快速下閘蓄水，上、下兩庫配合調(diào)水調(diào)沙，保持最佳運行方式。

(4)上、下庫科學分工，將更高效地利用水庫資源。進入21世紀后，許多中小型水庫既是城市的生活水源地，也是建設風景區(qū)的最佳旅游勝地，水質(zhì)保護與旅游開發(fā)之間難以科學劃界，導致顧此失彼。復式水庫建成后，上庫攔洪、攔沙、清漂(浮物)，將使下庫水質(zhì)變得更潔凈。而上庫作為保護庫及二級水源保護區(qū)，宜進一步綠化、美化、凈化，開展生物多樣性保護和生態(tài)文明建設，建成無污染的生態(tài)風景區(qū)，將使水庫經(jīng)濟效益極大化。

3.2 改建二龍山復式水庫的方案

二龍山水庫由丹江干流(西)與支流板橋河(東)匯合組成，大壩以上2km處為兩河匯合口，匯合口處水面形成“四龍戲珠”景觀。四龍戲珠景觀以上分為東西兩湖，各回水長度9km；水面寬150—500m。實施城市水源保護后，大壩以上8km被劃為一級水源保護區(qū)。

改建二龍山復式水庫，需在東、西兩湖上各建復壩一座 低壩，初選壩址分別位于曹溝口(東湖)及野人溝口(西湖)附近，兩壩距下壩距離約6km。規(guī)劃壩高約25m(含基礎深約15m)，壩頂長分別為130m及200m。初設兩上庫正常水位為768m，較下庫正常水位抬高3m，最高洪水位不超過原設計最高洪水位770.46m。擬利用壩址附近豐富的沙石資源，建混凝土重力壩，估算兩壩總工程量約45萬m3，其中砼約20萬m3。

根據(jù)上述工程方案及庫區(qū)1/5000地形圖估算，兩復壩建成后：①可使上庫消落區(qū)約1800萬m3的閑置庫容變?yōu)榻?jīng)常蓄水運用的興利庫容(如擴大機械挖沙深度，擴容量會更大)。②上庫正常水位為768m，與下庫平均運行水位758m有10m左右落差，借助外庫中積存的水量進行集中沖沙[8]，利用這10m水頭沖刷下庫，與下庫底孔溯源沖刷水流相銜接，將使下庫得到全面沖刷，取得最佳沖沙擴容效果。③上、下庫配合調(diào)水調(diào)沙，可使全庫保持最優(yōu)運行方式，其防洪、蓄水能力都將提高。初步估算，最終全庫的滯洪庫容可望保持2400萬m3，有效庫容將增加到5000萬m3，達到或超過原設計要求，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

4 改建二龍山復式水庫的可行性和必要性

4.1 可行性

通過以上分析可知：

(1)改建二龍山復式庫后，可有效解決全庫的泥沙淤積危害，保持水庫最大的有效和滯洪庫容，滿足下游中心城市的防洪供水需求，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。復式水庫雖尚未有先例，但已有水庫水力排沙實踐資料作為理論基礎，應是可以實現(xiàn)的目標。

(2)興建兩個復壩的工程量不大，施工工藝成熟，壩址附近有電力通訊設施，有鄉(xiāng)村公路與國道省道連通，沙石就地取材，施工難度少，可望在一個冬春季節(jié)基本建成。

(3)復壩壩址河床高約755m，位置較高，施工期間，下庫可以繼續(xù)低水位運行，不影響其效益發(fā)揮。

4.2 必要性

(1)在國家區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃中，商洛中心城市被定位為陜東南次核心城市，也是連接我國西北與東南的交通樞紐約，確保該城市的防洪供水安全，是城市發(fā)展的千年大計，決非可有可無。

(2)21世紀初，“仙娥湖(二龍山水庫雅稱)大風景區(qū)”開發(fā)起步時，曾受到廣大中外游客青睞，每年可吸引外地游客百萬人次以上，被證明為商洛中心城市不可替代的龍頭風景區(qū)，后因保護水源被叫停。改建為復式水庫后，水源保護與生態(tài)旅游之間分界明確，矛盾化解。利用”仙娥湖”四龍戲珠”等獨特生態(tài)觀賞資源，帶動旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對商洛中心城市消費拉動作用將十分巨大。

總之，改建二龍山復式水庫工程是一個探索型創(chuàng)新項目，既是水利工程建設項目，也是生態(tài)文明建設項目，如成功實施，將為解決全國中小型水庫泥沙清淤方案的選擇提供一條思路[9]。

5 結語

泥沙淤積是影響中小型水庫運行和效益長久發(fā)揮的最大障礙。二龍山水庫是商洛市最大的水庫和城市供水源地，多年來雖采取多種措施進行除淤擴容，但效果不理想?；趯Χ埳剿畮斐倥派城闆r的分析，構想在水庫中建立復式水庫形成10m落差，利用10m水頭沖刷下庫，并與下庫底孔溯源沖刷水流相銜接，通過上、下庫配合調(diào)水調(diào)沙，用水造能進行庫內(nèi)沖淤排沙。在庫內(nèi)建設水壩變單庫為雙庫，有利于改善庫水環(huán)境，避免全庫淤積，在技術方案和經(jīng)濟上，以及水庫運行管理上是可行的，但因為缺乏先例，建議多開展現(xiàn)有水庫泥沙淤積測驗工作[10]，為我國水庫除淤擴容思路探索提供了參考。