羅海龍

（遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng) 122000）

白石水庫(kù)所在大凌河流域及主要支流牤牛河流域氣候干燥、土壤松散、暴雨集中，洪水期河流含沙量很大，存在著嚴(yán)重的泥沙淤積問(wèn)題。水庫(kù)庫(kù)沙比為69.3，按DL/T-1999《水利水電工程泥沙設(shè)計(jì)規(guī)范》確定為泥沙問(wèn)題嚴(yán)重的水庫(kù)（庫(kù)沙比小于100）。

泥沙主要源于地處大凌河左側(cè)內(nèi)蒙古自治區(qū)奈曼旗、庫(kù)倫旗半移動(dòng)沙丘、黃土丘陵的多沙支流牤牛河，其平均含沙量高達(dá)40 kg/m3，實(shí)測(cè)最大含沙量172 kg/m3，年均輸沙量1160 t，占大凌河水文站年均輸沙量的54.2%。白石水庫(kù)上游閻王鼻子水庫(kù)建成后，攔蓄了大凌河流域水流中的大部門泥沙，隨之牤牛河年均輸沙量占白石水庫(kù)入庫(kù)沙量比例增加到62.8%。

1 牤牛河河口攔門沙演變模式

牤牛河河口口門地區(qū)的攔門沙演變及淤積模式是由牤牛河來(lái)水來(lái)沙條件、大凌河水動(dòng)力條件及兩河交匯處邊界條件等多種因素所決定。受白石水庫(kù)蓄水的影響，牤牛河河口地區(qū)水深增加，比降、流速減小，因此交匯區(qū)泥沙必然淤積，加上白石水庫(kù)蓄水后常年蓄水運(yùn)用，加重了河口的累積淤積。牤牛河匯流段的淤積表現(xiàn)出與一般匯流段不同的演變模式，首先是牤牛河河口口門處的淤積明顯大于上下游河段，其次是淤積后的河床橫向上呈現(xiàn)左高右低的形態(tài)，第三是牤牛河匯流段的淤積顯著大于涼水河的淤積。

1.1 攔門沙縱向演變模式

為了系統(tǒng)研究白石水庫(kù)泥沙淤積變化情況，從1998年開(kāi)始就進(jìn)行了白石水庫(kù)泥沙淤積斷面測(cè)量工作，測(cè)量范圍由壩址開(kāi)始向庫(kù)區(qū)內(nèi)至127 m淹沒(méi)線，斷面間距按照能夠控制正常高水位127 m以下的整個(gè)庫(kù)區(qū)為原則，大凌河設(shè)置56個(gè)斷面，牤牛河布置13個(gè)斷面，涼水河6個(gè)斷面，總計(jì)斷面75個(gè)，平均間距約0.9 km，每隔兩年汛后進(jìn)行一次庫(kù)區(qū)斷面淤積測(cè)量。

通過(guò)采用水位庫(kù)容法對(duì)1998—2010年庫(kù)區(qū)各測(cè)控?cái)嗝鏈y(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出，127 m高程下淤積總量為5419萬(wàn)m3，平均淤積厚度0.52 m。泥沙淤積計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 白石水庫(kù)1998—2010年庫(kù)區(qū)泥沙淤積計(jì)算成果表

由白石水庫(kù)1998—2010年淤積縱剖面圖（如圖1）可以看出，庫(kù)區(qū)河床發(fā)生了累積性淤積，尤其是在牤牛河河口口門附近推移明顯，并形成了攔門沙，并有逐年抬高之勢(shì)。

牤牛河河口段的淤積強(qiáng)度、平均淤積厚度比大凌河干流上的其它區(qū)段要大。牤牛河河口段的淤積強(qiáng)度是其上游干流段的1.8倍、下游段的2.3倍。牤牛河河口段的平均淤積厚度是牤牛河河口上游干流段的2.2倍、下游干流段的2.6倍。

對(duì)比庫(kù)區(qū)總體與牤牛河河口段年均淤積速度如表2所示，可以看出牤牛河河口段的年均淤積速度要遠(yuǎn)大于庫(kù)區(qū)總體年均淤積速度，最大時(shí)牤牛河河口段的年均淤積速度是庫(kù)區(qū)總體年均淤積速度的5倍。

表2 年均淤積速度m/a

1.2 攔門沙橫向演變模式

白石水庫(kù)庫(kù)區(qū)斷面總體淤積為累積性的平行淤積，淤積后河道河床整體趨于水平，但是牤牛河河口段的淤積與總體淤積分布不同，淤后河床左側(cè)高右側(cè)低，河道斷面有橫比降，比降在0.1%～0.2%之間。在牤牛河河口，牤牛河從左側(cè)入?yún)R，入?yún)R后水流受水庫(kù)蓄水以及過(guò)水寬度突然增加的影響，流速迅速降低，泥沙沿程落淤，導(dǎo)致泥沙淤積左多右少，產(chǎn)生橫比降。

圖1 大凌河1998—2010年淤積縱剖面圖

2 攔門沙形成原因分析

2.1 來(lái)水來(lái)沙條件

牤牛河來(lái)水來(lái)沙因受降雨影響，輸沙率年內(nèi)分布極不均勻，5—10月占全年的99.5%，而且絕大部分集中在汛期的幾場(chǎng)洪水期間。牤牛河入?yún)R水流含沙量大，表3給出了水庫(kù)蓄水后大凌河干流和支流牤牛河的來(lái)水來(lái)沙條件。從表3中可以看出，牤牛河流量較大凌河小，但牤牛河的含沙量顯著大于大凌河。

表3 大凌河 牤牛河來(lái)水來(lái)沙統(tǒng)計(jì)表

2.2 干支流洪水遭遇期

大凌河干流洪水與牤牛河洪水遭遇幾率較低是形成攔門沙主要原因。見(jiàn)表4。

由表4可看出，除了2004年、2006年外，大凌河洪水與牤牛河洪水基本沒(méi)有遭遇，這導(dǎo)致?tīng)：雍樗畮?lái)的泥沙在進(jìn)入大凌河干流后，集中淤積在口門段，后期大凌河洪水很難將已經(jīng)常年淤積在庫(kù)區(qū)的泥沙帶往下游庫(kù)段，從而在牤牛河河口口門處淤成坎，進(jìn)而形成攔門沙。

2.3 匯流比

牤牛河匯流比大是導(dǎo)致?tīng)：雍涌诳陂T段淤積較大的另一個(gè)主要原因。匯流比是指支流流量與干支流合流后流量的比值，不同匯流比條件下，由于庫(kù)區(qū)水深的沿程變化，流速沿縱向衰減較快，直接導(dǎo)致泥沙大量淤積在牤牛河河口段。大凌河來(lái)洪水時(shí)，交匯區(qū)的斷面流速增加，到匯流口以下流速又逐漸減小。故大凌河上游來(lái)的洪水不具有將淤積在口門處的泥沙沖刷帶往下游的水動(dòng)力條件。牤牛河、涼水河匯流比見(jiàn)表5。

表4 各年份大凌河 牤牛河洪水發(fā)生日期

表5 牤牛河 涼水河匯流比%

從表5中可以看出，2001—2010年間牤牛河的匯流比基本上都超過(guò)20%，洪水時(shí)匯流比很多年份均超過(guò)50%，在2010年甚至達(dá)到95.86%。牤牛河的水動(dòng)力條件較強(qiáng)，干流大凌河受到支流牤牛河擠壓作用較大，大凌河干流來(lái)水下行受阻，上游水位壅高，流速減小，泥沙落淤。而支流牤牛河下行水流在匯流段受到水庫(kù)回水的頂托作用，支流上游水位壅高，水面比降降低，水流流速減小，泥沙淤積。同時(shí)由于牤牛河出入?yún)R口處后，水流分散，流速迅速沿程減小，挾沙能力降低，使上游挾帶的泥沙在河口處淤積。

3 解決攔門沙的措施探討

由于白石水庫(kù)的運(yùn)用方式不會(huì)發(fā)生明顯改變，牤牛河與大凌河干流的交匯角、匯流比、洪水遭遇幾率等變化不會(huì)很大，牤牛河年均來(lái)沙量雖然近年來(lái)有所減小，但洪水挾帶的泥沙依然保持較高的狀態(tài)，因此牤牛河交匯區(qū)的淤積將會(huì)繼續(xù)發(fā)展，牤牛河河口橫向上的凸起高度將會(huì)越來(lái)越大，會(huì)將大凌河干流庫(kù)區(qū)分成上下兩部分，即形成庫(kù)中庫(kù)。隨著水庫(kù)的運(yùn)行，牤牛河河口處泥沙淤積厚度與上下游的差別將會(huì)進(jìn)一步加大，影響水庫(kù)有效庫(kù)容的正常運(yùn)行，降低水庫(kù)設(shè)計(jì)效益。

3.1 設(shè)計(jì)排沙方式

白石水庫(kù)運(yùn)行不僅需要考慮防洪和興利要求，還必須考慮排沙，以保持有效庫(kù)容，延長(zhǎng)水庫(kù)壽命。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和模型試驗(yàn)研究，在白石水庫(kù)大壩右側(cè)設(shè)計(jì)12個(gè)泄洪排沙底孔滿足排沙需要。遇大水大沙年10000 m3/s（20年一遇）以上洪峰時(shí)，則24 h內(nèi)預(yù)泄到死水位108 m，空庫(kù)迎洪集中排沙。20年一遇以下中小洪水利用棄水異重流排沙；其它年份則蓄洪運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)水庫(kù)排沙率在35%左右，滿足庫(kù)沙比大于100，達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)保證水庫(kù)有效壽命超過(guò)百年以上。

3.2 工程措施排沙

在牤牛河交匯口門上游牤牛河內(nèi)挖槽淤沙，定期清除可以顯著減少庫(kù)區(qū)泥沙淤積總量，對(duì)牤牛河河口交匯區(qū)淤積發(fā)展也有一定的減緩作用。也可以修筑攔砂壩、管道（輸水洞）排沙及挖沙造地等其他減淤方案。

3.3 絞吸式挖泥船

絞吸式挖泥船，其工作原理就是通過(guò)絞刀旋轉(zhuǎn)切削土體，造成土體結(jié)構(gòu)的瓦解和破壞，使切削下來(lái)的土顆粒與水混合形成泥漿，通過(guò)設(shè)在絞刀后的泥漿泵吸口吸入泥漿泵吸泥管，再通過(guò)排泥管道輸送到堆沙區(qū)。挖出的泥沙可以置于臨岸洼地，將其墊平，淤改土壤。

4 結(jié)語(yǔ)

白石水庫(kù)主要支流牤牛河是一條多泥沙河流，河口口門處攔門沙的消長(zhǎng)與大凌河、牤牛河來(lái)水來(lái)沙、洪水發(fā)生期遭遇頻率、匯流比等因素密切相關(guān)，而攔門沙的發(fā)展變化將白石水庫(kù)庫(kù)區(qū)分為上下兩個(gè)部門，形成庫(kù)中庫(kù)，使得白石水庫(kù)的有效庫(kù)容較設(shè)計(jì)時(shí)有所減少，降低了水庫(kù)的設(shè)計(jì)效益。因此，應(yīng)根據(jù)攔門沙形成與演變的規(guī)律，既要利用設(shè)計(jì)的異重流排沙方式，又要采用一定的工程措施疏浚攔門沙。工程措施宜采用挖槽淤積，修筑攔砂壩，挖泥船等方式，將挖出的泥沙用來(lái)淤臨造灘、淤改土地、維護(hù)河岸等。

[1]遼寧省水利勘察設(shè)計(jì)研究院，白石水庫(kù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].

[2]董偉，魏偉，周茜.淺談黃河河口攔門沙疏浚綜合技術(shù)[J].南水北調(diào)與水利科技，2010，8（3）∶142-145.

[3]吉祖穩(wěn)，胡春宏.黃河口攔門沙演變分析[J].泥沙研究，1995（3）∶1-9.