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治河與工程泥沙

以水庫(kù)可持續(xù)利用為目標(biāo)的異重流排沙

[瑞士] S.夏蒙等

水庫(kù)泥沙淤積危及水庫(kù)的可持續(xù)利用，是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題。泥沙淤積不僅減少了庫(kù)容，還對(duì)水輪機(jī)進(jìn)水口和泄水底孔等結(jié)構(gòu)造成損害。此外，泥沙淤積也會(huì)對(duì)下游河流的生態(tài)系統(tǒng)造成影響。異重流排沙是防治水庫(kù)泥沙淤積的一種方法。介紹了異重流排沙的主要條件，并調(diào)查了其在各種場(chǎng)景下的應(yīng)用情況和效率。

異重流排沙；泥沙淤積；水庫(kù)；可持續(xù)利用

為避免或減少水庫(kù)淤積，多項(xiàng)技術(shù)措施的研究正在世界范圍內(nèi)展開(kāi)。在水庫(kù)匯水區(qū)上游采取的措施能攔截泥沙，阻止其進(jìn)入水庫(kù)。針對(duì)水庫(kù)實(shí)施的其他措施還包括設(shè)計(jì)死庫(kù)容、沖沙、疏浚和排沙等。每年汛期會(huì)形成異重流和含沙量高的水流，密度差是泥沙輸移的驅(qū)動(dòng)力。含沙量高的水流一旦到達(dá)壩前，除非從取水口或泄水口排出，否則其挾帶的全部泥沙將沉積下來(lái)，導(dǎo)致水庫(kù)淤積并堵塞泄水設(shè)施。為避免出現(xiàn)上述情況，應(yīng)及時(shí)排泄抵達(dá)壩前的異重流，防止泥沙沉積。一般來(lái)說(shuō)，排沙是通過(guò)泄水底孔或電站進(jìn)水口實(shí)施的。它有助于維護(hù)河流自然形態(tài)的連續(xù)性，且因需要排出的流量相對(duì)較小而造成的水頭損失小。若汛期水庫(kù)已蓄滿(mǎn)，泄洪時(shí)應(yīng)考慮排出含沙量高的水流而不是從溢洪道下泄清水。

排沙率被定義為泥沙排出量和輸入量之比。因在產(chǎn)沙量、水庫(kù)規(guī)模、泄水排沙運(yùn)行參數(shù)上有差異，各座水庫(kù)的排沙率差異很大。例如，排沙率有低于1%的，像伊朗的S.魯?shù)?Sefid Rud)水庫(kù)；有高達(dá)100%的，例如中國(guó)的巴家嘴水庫(kù)。就前者而言，首次泄水排沙時(shí)庫(kù)底高程比泄水底孔低，導(dǎo)致排沙率低下，但當(dāng)泄水口和庫(kù)底之間充滿(mǎn)泥沙時(shí)，排沙率顯著增加。對(duì)于巴家嘴水庫(kù)，不僅需要排出異重流攜帶的泥沙，還有過(guò)去在壩前沉積的泥沙?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)也表明，同一座水庫(kù)的排沙率變化較大。然而，盡管事實(shí)上有很多研究者指出了此項(xiàng)措施在防治水庫(kù)淤積方面的重要性，但以往并未對(duì)排沙進(jìn)行較多的研究。有文獻(xiàn)資料顯示，大多數(shù)的結(jié)論都基于實(shí)地觀測(cè)，很少采用試驗(yàn)或數(shù)學(xué)模擬的方法。然而，在開(kāi)展研究之前，回顧以往的排沙實(shí)踐并指出認(rèn)識(shí)上的不足很重要。

1 泄洪排沙的條件與效率

泄水排沙是一項(xiàng)防治水庫(kù)淤積的技術(shù)，相對(duì)于大多數(shù)其他技術(shù)而言，它需要提前準(zhǔn)備更多的資料。事實(shí)上，排沙期間，不僅要維護(hù)水工建筑物的良好運(yùn)行，還要監(jiān)控異重流。對(duì)輸沙流態(tài)的掌握直接影響到排沙率。

決定泄水排沙前，大壩運(yùn)行管理方應(yīng)先核實(shí)一定的條件。首先，大壩最好應(yīng)有一個(gè)容量充足的低位泄水孔或泄水底孔。再者，核查水庫(kù)異重流的發(fā)生時(shí)間，有多項(xiàng)指標(biāo)可預(yù)測(cè)其發(fā)生時(shí)間，包括對(duì)水庫(kù)回水末端泥沙淤積的觀測(cè)，或?qū)吻靶纬赡嗌秤俜e水平面的觀測(cè)等。例如，又窄又深的高山水庫(kù)，其具備異重流形成的有利條件。另一個(gè)關(guān)鍵條件是到達(dá)大壩的異重流流量。某些情況下， 異重流到達(dá)大壩前就已分流，導(dǎo)致排沙率低下。以美國(guó)米德(Mead)水庫(kù)為例，只有當(dāng)壩前水流含沙量高于0.1 kg/m3時(shí)，方可形成異重流。官?gòu)d水庫(kù)相應(yīng)的值約為20 kg/m3。最后，排沙會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)或數(shù)日，因此下游河流應(yīng)具備容納水庫(kù)泄水排沙的相應(yīng)能力。

排沙率通常根據(jù)泥沙排出量和流入量的比值計(jì)算。然而，排沙時(shí)應(yīng)注意到，壩內(nèi)遠(yuǎn)離泄水口的沉沙是不能被沖走或排出的。事實(shí)上，因?yàn)樾顾啃?，不同于沖沙調(diào)度，不會(huì)發(fā)生溯源沖沙現(xiàn)象。因此，為使排沙率值更有意義，泥沙流入量應(yīng)減去遠(yuǎn)離大壩的泥沙淤積量。因?qū)嵉貙?shí)時(shí)測(cè)量泥沙困難，需采用數(shù)學(xué)模擬或?qū)嶒?yàn)研究的方法。為應(yīng)對(duì)此困難，應(yīng)在近壩處開(kāi)展觀測(cè)工作，以提供排沙前壩前實(shí)際的泥沙淤積量數(shù)據(jù)。

2 世界范圍的泄水排沙

首位提出利用異重流規(guī)律來(lái)排泄泥沙出庫(kù)的研究者是貝爾。早在1919年，美國(guó)象山(Elephant Putte)水庫(kù)就利用了異重流進(jìn)行泄水排沙。從此，該項(xiàng)技術(shù)便被應(yīng)用于有異重流形成的水庫(kù)。

利用異重流進(jìn)行泄水排沙在世界各地都得到了應(yīng)用。在中國(guó)，三門(mén)峽水庫(kù)排沙率為18%，而馮家山水庫(kù)則為65%，后者在河流深泓線左右岸均布置有多個(gè)泄水底孔。伊朗的S.魯?shù)滤畮?kù)和迪茲(Dez)水庫(kù)是觀測(cè)到的兩座存在異重流的水庫(kù)，前者排沙率為2.3%～35%。在中國(guó)臺(tái)灣，臺(tái)風(fēng)使攜帶大量細(xì)小泥沙的徑流匯入石門(mén)水庫(kù)和曾文水庫(kù)形成異重流。石門(mén)水庫(kù)的一臺(tái)水輪機(jī)和轉(zhuǎn)輪改裝成了排沙閘。數(shù)學(xué)模擬研究表明，增加一個(gè)額外的泄水通道，水庫(kù)排沙率可從21%增至40%。有學(xué)者綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)、理論、數(shù)學(xué)模擬方法對(duì)曾文水庫(kù)的排沙進(jìn)行過(guò)研究。在兩起不同臺(tái)風(fēng)事件中，經(jīng)實(shí)地測(cè)量，其通過(guò)進(jìn)水口和泄水底孔的排沙率均未能超過(guò)1%，盡管溢洪道排沙率達(dá)到17%。在北非，摩洛哥的O.內(nèi)卡爾(Oued Neckar)水庫(kù)和阿爾及利亞的I.艾姆達(dá)(Iril Emda)水庫(kù)也利用異重流進(jìn)行排沙，且后者排沙率在45%～60%；因泄水口底板高程比庫(kù)底高7 m，首年排沙率較低。突尼斯的內(nèi)貝爾(Nebeur)水庫(kù)基于壩前異重流的含沙量確定是否排沙；當(dāng)含沙量高于1 020 kg/m3才需要開(kāi)閘排沙。馬普拉格(Mapragg)水庫(kù)是瑞士境內(nèi)泄水排沙的典型，當(dāng)含沙量高于2 g/L時(shí)才會(huì)觸響“排沙警報(bào)”；針對(duì)含沙量較低的情況，未來(lái)采用疏浚沉泥的方式會(huì)比排沙更有益。在美國(guó)，米德水庫(kù)異重流的流程最長(zhǎng)，該水庫(kù)的排沙率在18%～39%。另一個(gè)是以入庫(kù)高含沙量水流而聞名的格蘭德河上的象山水庫(kù)，其排沙率在9%～23%。最后，諸多其他有異重流形成的水庫(kù)，像法國(guó)的索泰(Sautet)水庫(kù)，羅馬尼亞、俄羅斯等國(guó)的多座水庫(kù)，都建議采用泄水排沙的方式。

3 影響排沙率的參數(shù)

排沙成功與否不僅取決于水工建筑物的高效運(yùn)行，最重要還是在于對(duì)異重流動(dòng)態(tài)的掌握。因此，很多參數(shù)都能影響排沙的成功與否和排沙率，如水庫(kù)位置、規(guī)模、泄水量、泄水孔開(kāi)啟時(shí)間和排沙時(shí)長(zhǎng)等運(yùn)行參數(shù)。另一方面，異重流濃度、懸沙級(jí)配、流量和高度都會(huì)對(duì)排沙率產(chǎn)生重大影響。除此之外，流域形態(tài)、深泓線的坡度及水庫(kù)回水長(zhǎng)度也在其中發(fā)揮了重要作用。影響泄水排沙決策的次要因素可能還涉及法律、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面。

試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型是評(píng)估及量化這些參數(shù)影響程度的基本方式。下面將討論文獻(xiàn)上已明確有重大影響力的參數(shù)(泄水量、泄水口的位置和高度)。

3.1 泄水量

排沙過(guò)程中，用Qout來(lái)表示對(duì)排沙率產(chǎn)生重大影響的泄水量。有專(zhuān)家基于相關(guān)資料得出，泄水量越大，排沙率就越高。不過(guò)也有專(zhuān)家持相反意見(jiàn)。然而，泄水量應(yīng)根據(jù)壩前的含沙水流量QTC來(lái)確定。因此，規(guī)范化參數(shù)Qout/QTC才是至關(guān)重要的。一般情況下，Qout與QTC相比相對(duì)較小，排沙往往在泄水受限時(shí)實(shí)施。事實(shí)上，QTC較難測(cè)量，并通常與觀測(cè)的入庫(kù)流量息息相關(guān)。由于汛期徑流會(huì)形成異重流，因此可以將它們與入庫(kù)洪峰的流量進(jìn)行比較分析。但根據(jù)水庫(kù)形態(tài)，QTC一般比低頻率發(fā)生的洪峰流量高出許多。對(duì)瑞士22座大型水庫(kù)的泄水能力Qoutmax、水庫(kù)匯水面積A、2 a一遇和10 a一遇的洪水及相應(yīng)的排沙量最大比值Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10進(jìn)行了分析。

需要注意的是，為了計(jì)算Q2和Q10，根據(jù)瑞士26座水文站提供的徑流和匯水區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，確定反映匯水區(qū)面積和洪峰流量函數(shù)關(guān)系的Franscou系數(shù)k2和k10，從而得出k2=2.9，k10=3.2。在已知瑞士22座水庫(kù)匯水面積后，就能算出其Q2和Q10。

將水庫(kù)按Qoutmax/Q2從低到高進(jìn)行了分類(lèi)，分析結(jié)果表明，諸如瑞士的希費(fèi)嫩(Schiffenen)水庫(kù)、莫伊里(Moiry)和羅森(Rossens)水庫(kù)排沙時(shí)，Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10小于100%，并且與入庫(kù)流量相比，出庫(kù)流量比較有限。對(duì)于剩下的水庫(kù)，Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10大于100%，意味著它們的泄水能力超過(guò)2 a一遇和10 a一遇的洪峰流量。然而，即便在沖沙期，泄水能力也并非得到全部發(fā)揮。泄水量受限的主要原因是下游不具備長(zhǎng)時(shí)間容納最大泄水量的能力。高泄水量會(huì)導(dǎo)致河流下游遭受洪水威脅和環(huán)境災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。例如盧佐內(nèi)(Luzzone)水庫(kù)，即使Qoutmax為52 m3/s,沖沙流量最大為40 m3/s，但實(shí)際操作時(shí)僅約為30 m3/s，該例中的Qoutmax/Q2為110%而不是193%。

像上面提到的那樣，壩前的異重流流量QTC通常比上游觀測(cè)的洪峰流量要高。這是因?yàn)榈竭_(dá)壩前時(shí)帶有清水。因此Q2和Q10低估了QTC。這再一次使Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10的值總體偏低。因此，就泄水量而言可以得出如下結(jié)論，通過(guò)底孔排出的異重流很有限，或者稍高于異重流流量。

3.2 泄水口的高度與位置

影響排沙率的其他重要參數(shù)包括泄水口的高度和位置。事實(shí)上，這些重要參數(shù)直接關(guān)系到泄水口的吸出高度。它代表異重流能到達(dá)泄水口進(jìn)出口段并排出的高度。其與泄水量和排沙量相關(guān)聯(lián)。

根據(jù)壩前異重流的高度及泄水口的位置，吸出高度應(yīng)考慮要排出的部分或全部異重流。異重流，因其密度大，通常會(huì)流往水庫(kù)底部，故理論上泄水口應(yīng)置于底部。然而，置于底部時(shí)，泄水口早期發(fā)生堵塞的風(fēng)險(xiǎn)較高。置于較高位置時(shí)，在庫(kù)底和泄水閘底板之間的空隙未充滿(mǎn)泥沙之前，排沙率很低。因此，泄水口的位置應(yīng)根據(jù)泄水口吸出高度來(lái)設(shè)置。根據(jù)徑流密度和泄水量，吸出高度應(yīng)考慮部分或全部到達(dá)泄水口的泥沙。

4 監(jiān)測(cè)設(shè)備與挑戰(zhàn)

若要在最佳條件下泄水排沙，就需要好的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)能定時(shí)有效地監(jiān)測(cè)異重流排出。不論條件多復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)不定因素再多，都應(yīng)持續(xù)對(duì)入庫(kù)異重流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在合適的情況下，對(duì)上下游及近壩處均應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)，并應(yīng)用各種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特定和詳盡觀測(cè)的可視化。一些需核實(shí)的重要參數(shù)有：潛入點(diǎn)(可通過(guò)可視化完成)；速度和濃度變化；沖刷和淤積(成為河床的一部分)速率。

每年汛期通常會(huì)引發(fā)異重流。因此，從實(shí)際操作上來(lái)講，對(duì)異重流的監(jiān)測(cè)有時(shí)會(huì)很復(fù)雜。異重流來(lái)勢(shì)兇猛，會(huì)對(duì)測(cè)量設(shè)備造成損害。例如2001年12月20日在加利福尼亞州蒙特利(Monterey)峽谷觀測(cè)到一股強(qiáng)大的重力流，期間相關(guān)設(shè)備被強(qiáng)行移位并被掩埋在厚厚的泥沙之中。另一個(gè)例子是瑞士的盧加諾(Lugano)湖，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備也在監(jiān)測(cè)期間遺失或損壞。即便泄水排沙從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮非常有益，但實(shí)地觀測(cè)異重流成本很高，前期投入高。此外，雖可為已建水壩建造一個(gè)新的低位泄水口，但會(huì)影響水庫(kù)的可持續(xù)利用。

5 結(jié)論與展望

泥沙淤積危害水庫(kù)的可持續(xù)利用。壩前異重流攜帶著大量細(xì)顆粒懸沙。因此，水庫(kù)泄水排沙是一項(xiàng)在生態(tài)、經(jīng)濟(jì)上皆有益的技術(shù)措施。

泄水排沙前，應(yīng)觀測(cè)異重流并檢查大壩的自我修復(fù)能力。最好通過(guò)接近庫(kù)底的低位泄水口進(jìn)行排沙。此外，排沙時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，壩下游的生態(tài)環(huán)境狀況也應(yīng)納入考慮范疇。

相關(guān)文獻(xiàn)顯示，世界各地泄水排沙條件和排沙率各不相同。影響排沙率的參數(shù)有泄水量、泄水孔開(kāi)啟時(shí)間及泄水口的高度和位置等。自從認(rèn)識(shí)到泄水量小和排放量大有同等危害以來(lái)，泄水量就成為了一個(gè)重要而又精細(xì)的參數(shù)。大多數(shù)水庫(kù)在泄流量有限時(shí)仍會(huì)潛在地泄水排沙。換句話(huà)說(shuō)，泄水量可能會(huì)低于或稍高于要排出的異重流流量。另一方面，泄水口的高度和位置影響了排沙期間能到達(dá)的吸出高度，因而成為最關(guān)鍵的參數(shù)之一。

最后強(qiáng)調(diào)，為支撐泄水排沙的決策和排沙率評(píng)估，實(shí)地觀測(cè)很重要。然而，在應(yīng)對(duì)異重流時(shí)會(huì)遇到很多挑戰(zhàn)。因此，對(duì)泄水排沙進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究也十分重要。在這種情況下，需觀測(cè)各種參數(shù)和系統(tǒng)試驗(yàn)，以?xún)?yōu)化泄水排沙率。

劉可薇柯學(xué)莎譯

(編輯：朱曉紅)

2017-03-02

1006-0081(2017)08-0009-03

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