張麗娟

（遼寧省供水局，沈陽110003）

白石水庫泥沙淤積與減淤方法的研究

張麗娟

（遼寧省供水局，沈陽110003）

白石水庫泥沙淤積嚴重，牤牛河與大凌河交匯區(qū)的淤積尤其嚴重，將形成“攔門沙坎”把庫區(qū)分成上下兩部分，影響白石水庫正常運行。文章分析認為水庫初設(shè)時的異重流排沙和泄空排沙的減淤方法，受各種客觀因素制約，無法實施，并對牤牛河交匯區(qū)挖槽減淤方案進行了試驗研究，證明挖槽減淤對減緩庫區(qū)淤積效果十分顯著。

白石水庫；泥沙淤積；特點減淤方法；排沙方案

1 白石水庫工程概況

白石水庫是一座以防洪、灌溉、城市供水為主，兼顧發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大（Ⅰ）型水利樞紐工程。白石水庫壩址位于遼寧省西部大凌河干流上，控制流域面積17 649 km2，占大凌河流域面積的76%。水庫建成后，下游防洪標準由20 a一遇提高到50 a一遇。

2 水庫泥沙特性

水庫所在大凌河是遼寧省西部最大的河流。牤牛河作為其最大的支流，發(fā)源于內(nèi)蒙古奈曼旗黃音他拉，流域面積4 747 km2。大凌河流域內(nèi)多石質(zhì)丘陵山區(qū)，植被條件較差，水土流失嚴重，據(jù)2007年遼寧省第4次土壤侵蝕遙感調(diào)查及水庫上游174條典型小流域分析測算土壤侵蝕模數(shù)為3 750 t／（km2·a）。其氣候特性、地質(zhì)特性決定了該流域河流含沙量高，輸沙量較大。其特點為：

1）輸沙量年際變化很大：白石水庫壩址處多年平均徑流量為13.45億m3，多年平均輸沙量為2 143萬t；來沙主要集中在大水大沙年份，據(jù)實測，最大的1962年年沙量為10 695.71萬t，是枯水年1992年50.78倍，是多年平均值的5倍。

2）年輸沙量上游比下游大：支流比干流大。支流牤牛河的流域面積約占水庫控制面積的26.90%，但其年輸沙量為1 160萬t，占大凌河站年輸沙量的54.2%。

3 泥沙淤積現(xiàn)狀

依據(jù)白石水庫庫區(qū)大斷面地形測量資料進行分析，白石水庫庫區(qū)共布置測量斷面61條，其中干流由壩址BD2到BD42，牤牛河從MD1—MD9斷面，涼水河LD1—LD2斷面，淤積監(jiān)測布置圖見圖1。

圖1 白石水庫淤積監(jiān)測斷面布置圖

2000—2014年6月，淤積合計為9 386.77萬m3，占水庫正常庫容的9.3%，淤積量近1億m3，相當于一個大（Ⅱ）型水庫。分時段看，2010—2014年庫區(qū)淤積尤其顯著，為3 968.77萬m3，這與2012年“804”洪水有關(guān)，體現(xiàn)“大水來大沙”的淤積特點。

從淤積分布看，庫區(qū)淤積主要發(fā)生在99～114 m。從淤積沿程分布上看：1998—2010年，庫區(qū)深泓整體抬高；縱向上，淤積抬高幅度呈現(xiàn)出中間大兩端小的分布規(guī)律，在牤牛河匯流區(qū)處的淤積抬升幅度最大；牤牛河交匯口距白石水庫壩址約16 km，見圖2。

圖2 大凌河1998—2010年淤積縱剖面圖

牤牛河匯流段淤積特點：

1）牤牛河口段的淤積強度比其他區(qū)段要大，其淤積強度是匯流區(qū)上游干流段的1.8倍，下游干流段的2.3倍；牤牛河口匯流段年均淤積速度，是庫區(qū)總體年均淤積速度的5倍。

2）庫區(qū)斷面總體淤積為累積性的平行淤積，而在牤牛河河口匯流段與總體淤積特征相比，還表現(xiàn)淤后河床左側(cè)高右側(cè)的橫比降，大約為1‰～2‰。

年平均淤積速度見表1。

表1 年平均淤積速度

牤牛河交匯區(qū)淤積明顯大于其上下游河段，水庫蓄水運行，使牤牛河交匯區(qū)水深增加，比降、流速減緩，庫區(qū)整體發(fā)生逐年累積淤積。

牤牛河年均來沙量雖近年來有所減小，但洪水期含沙量仍保持較高的狀態(tài)，因此，牤牛河交匯區(qū)的淤積將會繼續(xù)發(fā)展，對水庫有效庫容不會有大的影響。遠期牤牛河口縱向上的凸起將繼續(xù)發(fā)展，形成俗稱的“攔門沙坎”最終可能將大凌河干流庫區(qū)分成上下兩部分，即形成庫中庫。影響水庫正常運行，降低水庫設(shè)計效益［1］。

4 白石水庫排沙方案分析

4.1 異重流排沙可行性分析

白石水庫異重流排沙初設(shè)方案為：20 a一遇以下的中小洪水蓄洪運用，并利用棄水適時打開底孔進行異重流排沙。白石水庫初設(shè)計算多年平均棄水量為3.2億m3，盡量使用棄水及供水，可大大改善壩前區(qū)泥沙淤積狀況，并提高水庫排沙能力［2］。

根據(jù)白石水庫初設(shè)時中國水科院泥沙所和松遼委水科院的模型試驗成果：異重流通常發(fā)生在牤牛河匯流口上游或者下游的位置，入?yún)R口因水流紊亂而不易產(chǎn)生異重流；當洪峰流量為500～2 000 m3／s的中小洪水所形成的異重流很難運行到壩前。

根據(jù)近20 a來自然氣候與工農(nóng)業(yè)用水情況分析，白石水庫采用異重流排沙可行性降低，原因如下：

1）無論是從洪峰流量頻率還是5 d洪量頻率來看，洪水頻率較初設(shè)均有一定程度的減??；再加上閻王鼻子水庫對洪水的調(diào)控和削峰作用，異重流運行到壩前的幾率降低。

2）大凌河年徑流量降低和需水量增大等因素的影響，白石水庫年棄水量受到一定限制，從而利用棄水形成異重流排沙的幾率降低。

3）隨著水庫運行年限的增長和壩前淤積的發(fā)展，庫區(qū)縱比降總體將呈減緩趨勢，不利于異重流運動至壩前。

4.2 泄空排沙可行性分析

白石水庫初設(shè)時確定的泄空排沙初設(shè)方案為：遇20 a一遇（洪峰流量10 700 m3／s）及以上洪水時，盡量在24 h內(nèi)預泄，降低庫水位直至死水位，利用洪水集中排沙。

1）從水庫運行角度分析：當水庫上游發(fā)生洪峰流量＞10 000 m3／s，而水庫水位處于防洪限制水位125.6 m，24 h內(nèi)將水位預泄至108 m，對大壩下游160 km河道的堤防、道路橋梁存在一定的威脅；其次在泄空時機的選擇上，受到水情預報系統(tǒng)精度的限制。

2）從洪水頻率角度分析：20 a一遇及以上洪水，出現(xiàn)的頻率較初步設(shè)計發(fā)生了一定變化。無論是洪峰或者是5 d洪量，同量級洪水的頻率較初步設(shè)計均有所減小，重現(xiàn)期增長。

3）從興利角度分析：白石水庫的主要任務為防洪，供水及灌溉。采用泄空排沙面臨著水資源緊缺的矛盾難以實施。若遇20 a一遇洪水仍采取泄空排沙，很有可能將全年徑流量的絕大部分水量丟棄，如果汛后來流不足以將興利庫容蓄滿，會導致全年供水緊張甚至無水可用的嚴重后果。

5 減緩牤牛河交匯河段泥沙淤積方法的研究

5.1 挖槽淤沙方案試驗條件

白石水庫委托武漢大學對牤牛河口處河道內(nèi)挖槽淤沙方案進行試驗研究，分析其減淤效果。挖槽布置在BS36—BS39斷面之間，位置見圖3。模型中的挖槽尺寸為3 m×1.5 m×0.02 m（長×寬×深）。挖槽尺寸和位置的選擇遵循以下原則：

圖3 交匯口牤牛河上游挖槽位置示意圖

1）槽體容積至少可以容納2001—2010年間最大洪水，即2007型洪水所攜帶的全部泥沙；挖槽位置要便于施工，同時要方便淤積泥沙的挖除和轉(zhuǎn)移；挖槽位置要靠近或位于主槽，便于截留牤牛河來沙，且縱向上要有足夠的槽長以利于泥沙落淤，見圖4。

圖4 測淤斷面及淤積分區(qū)布置圖

2）典型洪水選擇：選擇2001—2010年牤牛河兩場典型洪水，分別為2007型洪水（10 a間最大洪峰，P＝20%）、2004型洪水（10 a間中等洪峰，P＝40%）。

5.2 試驗成果

牤牛河2007型、2004型洪水淤積試驗結(jié)果見表2、表3、表4。

表2 挖槽前牤牛河2007型洪水淤積量統(tǒng)計表

表3 挖槽后牤牛河2007型洪水淤積統(tǒng)計表

表4 挖槽后牤牛河2004型洪水淤積統(tǒng)計表

從表3可以看出，當發(fā)生牤牛河2007型洪水時，按照圖4測淤斷面及淤積分區(qū)布置圖，四個區(qū)域淤積最嚴重的仍然為交匯區(qū)中段（核心區(qū)）Ⅱ區(qū)，淤積量約占整場洪水來沙總量的22.4%，Ⅰ區(qū)淤積量最少，僅為0.29%。挖槽內(nèi)的淤積量占總來沙量的35.17%，大于四區(qū)淤積量之和。

與挖槽前的淤積情況相比，挖槽后四個區(qū)域的泥沙淤積量由61.5%減少為29.4%，降幅達到52%，減淤效果很明顯；對于Ⅱ區(qū)來講，其淤積量從挖槽前的26.4%，減少為22.4%，降幅4%，可見挖槽對Ⅱ區(qū)的淤積也能起到一定的減緩作用。挖槽前、后淤積分布見表2、表3。

當發(fā)生牤牛河2004型洪水時，挖槽后圖4中四個區(qū)域中僅交匯區(qū)牤牛河上游進口Ⅲ區(qū)發(fā)生極少量淤積，淤積量占來沙量的2.1%，其他三個區(qū)域幾乎沒有發(fā)生淤積。槽內(nèi)淤積量占洪水來沙量的10.2%。槽內(nèi)淤積總量大于四個區(qū)域的泥沙淤積量之和。挖槽后淤積分布見表4。

5.3 試驗小結(jié)

對于牤牛河10 a系列中（2001—2010年）的大中型洪水，挖槽的作用如下：

1）挖槽可以有效減少進入大凌河干流庫區(qū)的泥沙總量，對減緩庫區(qū)淤積能起到十分顯著的作用。

2）挖槽對減緩牤牛河口交匯區(qū)（Ⅱ區(qū)）的淤積也有一定幫助。

3）挖槽攔沙對大洪水的減淤效果要強于中小洪水。

6 其他減淤方案

6.1 修建攔沙壩

牤牛河M7斷面河寬約600 m左右，是一處較好的攔沙壩壩址，如第一期建過水壩高2 m，壩項高程為127 m的正常高水位，庫容約300萬m3。攔沙壩修建以后會對牤牛河上游產(chǎn)生較大的影響，如河道淤積抬升，回水對牤牛河上游兩岸土地的淹沒等，采用時需進一步研究。

6.2 管道排沙

將柔性管道一端與水庫底孔連接，另一端直接延伸至牤牛河口匯流區(qū)，整個管路沿庫底布設(shè)，利用水庫大壩上下游的水頭差，在管道內(nèi)形成高速水流，使得管道進口處泥沙起動進入管道，經(jīng)管路由底孔排放至白石水庫大壩下游。通過改變管道長度，并沿橫向移動管道進口位置，可以把先期淤積在庫內(nèi)的泥沙排出水庫。這種管道排沙的形式以較少水量清除較多泥沙，具有較好的經(jīng)濟性和排沙效果。

6.3 輸水洞排沙

這種排水方案和管道排沙相似，在牤牛河出口處適當位置開始，沿左側(cè)山體向下游主河道適當位置的出口挖一條輸沙隧洞。

當來含沙量較大的洪水時，利用輸沙洞將渾水導入壩下主河道，這種方案可適時自然排沙，也可利用棄水機械攪動排沙，避免因泄空排沙放空水庫的風險。根據(jù)庫區(qū)地形可看出，左側(cè)山脈可挖隧洞，全長約20 km。

6.4 機械挖沙與農(nóng)業(yè)造地相結(jié)合

白石水庫周邊山丘縱橫，溝壑遍布，很多溝壑荒廢，可利用清淤沙泥填溝造地，或者進行土地整理。

7 結(jié) 語

1）白石水庫庫區(qū)牤牛河交匯流河段，由于支流來沙量大、干支流洪水遭遇幾率低，加上入?yún)R角較大，因此泥沙淤積強度顯著大于其上下游河段。

2）未來在牤牛河洪水的作用下，交匯區(qū)淤積將繼續(xù)發(fā)展，呈累積淤積的態(tài)勢，將會形成橫斷干流的沙坎，當水位低于沙坎高程時，干流庫區(qū)將分成上下兩部分，影響水庫有效庫容的正常運行，降低水庫設(shè)計效益。

3）受入庫水沙條件變化，特別是同流量洪水發(fā)生頻率降低，以及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展對水資源需求的迅速發(fā)展，白石水庫利用異重流排沙、泄空排沙的技術(shù)、經(jīng)濟可行性降低，初設(shè)排沙效果很難實現(xiàn)，必須研究減緩水庫庫區(qū)泥沙淤積的其他方法。

4）在牤牛河交匯口門上游牤牛河內(nèi)挖槽淤沙，定期清除的方案可以顯著減少庫區(qū)泥沙淤積總量，對牤牛河口交匯區(qū)淤積發(fā)展也有一定的減緩作用；除此以外，建議對修筑攔沙壩、挖沙筑堤、管道或輸水洞排沙及挖沙造地等其他減淤方案進一步深入研究其可行性。

［1］韓衛(wèi).牤牛河匯流段泥沙淤積特性分析［J］.東北水利水電，2014（03）：26－27.

［2］陳躍.官廳水庫泥沙淤積與冊田水庫關(guān)系探討［J］.山西水利，2014（01）：35.

Research of Siltment in Baishi Reservoir and Siltment Reduction M ethod

ZHANG Li-juan
（Liaoning ProvincialWater Supply Bureau，Shenyang 110003，China）

Baishi Reservoir is serious in silting，especially at the junction of Maoniu River and Daling River，which will divide the reservoir area into two parts up and down and affect the normal operation of the Baishi reservoir.By analyzing，this paper conforms that the silt reduction method is affected by various objective factors and can＇t be implemented smoothly，and the test research was conducted for the silt reduction scheme of dredging for deposition reduction at the junction area of Maoniu River，showing that dredging for deposition reduction is very useful.

Baishi reservoir；silting；characteristics；method of silt reduction；desilting scheme

TV145

A

1007－7596（2015）05－0005－04

2014－10－31

張麗娟（1966－），女，遼寧清原人，高級工程師，從事大型水庫工程管理工作。