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治河与工程泥沙

以水库可持续利用为目标的异重流排沙

[瑞士] S.夏蒙等

水库泥沙淤积危及水库的可持续利用，是一个长期存在的问题。泥沙淤积不仅减少了库容，还对水轮机进水口和泄水底孔等结构造成损害。此外，泥沙淤积也会对下游河流的生态系统造成影响。异重流排沙是防治水库泥沙淤积的一种方法。介绍了异重流排沙的主要条件，并调查了其在各种场景下的应用情况和效率。

异重流排沙；泥沙淤积；水库；可持续利用

为避免或减少水库淤积，多项技术措施的研究正在世界范围内展开。在水库汇水区上游采取的措施能拦截泥沙，阻止其进入水库。针对水库实施的其他措施还包括设计死库容、冲沙、疏浚和排沙等。每年汛期会形成异重流和含沙量高的水流，密度差是泥沙输移的驱动力。含沙量高的水流一旦到达坝前，除非从取水口或泄水口排出，否则其挟带的全部泥沙将沉积下来，导致水库淤积并堵塞泄水设施。为避免出现上述情况，应及时排泄抵达坝前的异重流，防止泥沙沉积。一般来说，排沙是通过泄水底孔或电站进水口实施的。它有助于维护河流自然形态的连续性，且因需要排出的流量相对较小而造成的水头损失小。若汛期水库已蓄满，泄洪时应考虑排出含沙量高的水流而不是从溢洪道下泄清水。

排沙率被定义为泥沙排出量和输入量之比。因在产沙量、水库规模、泄水排沙运行参数上有差异，各座水库的排沙率差异很大。例如，排沙率有低于1%的，像伊朗的S.鲁德(Sefid Rud)水库；有高达100%的，例如中国的巴家嘴水库。就前者而言，首次泄水排沙时库底高程比泄水底孔低，导致排沙率低下，但当泄水口和库底之间充满泥沙时，排沙率显著增加。对于巴家嘴水库，不仅需要排出异重流携带的泥沙，还有过去在坝前沉积的泥沙。现场试验也表明，同一座水库的排沙率变化较大。然而，尽管事实上有很多研究者指出了此项措施在防治水库淤积方面的重要性，但以往并未对排沙进行较多的研究。有文献资料显示，大多数的结论都基于实地观测，很少采用试验或数学模拟的方法。然而，在开展研究之前，回顾以往的排沙实践并指出认识上的不足很重要。

1 泄洪排沙的条件与效率

泄水排沙是一项防治水库淤积的技术，相对于大多数其他技术而言，它需要提前准备更多的资料。事实上，排沙期间，不仅要维护水工建筑物的良好运行，还要监控异重流。对输沙流态的掌握直接影响到排沙率。

决定泄水排沙前，大坝运行管理方应先核实一定的条件。首先，大坝最好应有一个容量充足的低位泄水孔或泄水底孔。再者，核查水库异重流的发生时间，有多项指标可预测其发生时间，包括对水库回水末端泥沙淤积的观测，或对坝前形成泥沙淤积水平面的观测等。例如，又窄又深的高山水库，其具备异重流形成的有利条件。另一个关键条件是到达大坝的异重流流量。某些情况下， 异重流到达大坝前就已分流，导致排沙率低下。以美国米德(Mead)水库为例，只有当坝前水流含沙量高于0.1 kg/m3时，方可形成异重流。官厅水库相应的值约为20 kg/m3。最后，排沙会持续数小时或数日，因此下游河流应具备容纳水库泄水排沙的相应能力。

排沙率通常根据泥沙排出量和流入量的比值计算。然而，排沙时应注意到，坝内远离泄水口的沉沙是不能被冲走或排出的。事实上，因为泄水量小，不同于冲沙调度，不会发生溯源冲沙现象。因此，为使排沙率值更有意义，泥沙流入量应减去远离大坝的泥沙淤积量。因实地实时测量泥沙困难，需采用数学模拟或实验研究的方法。为应对此困难，应在近坝处开展观测工作，以提供排沙前坝前实际的泥沙淤积量数据。

2 世界范围的泄水排沙

首位提出利用异重流规律来排泄泥沙出库的研究者是贝尔。早在1919年，美国象山(Elephant Putte)水库就利用了异重流进行泄水排沙。从此，该项技术便被应用于有异重流形成的水库。

利用异重流进行泄水排沙在世界各地都得到了应用。在中国，三门峡水库排沙率为18%，而冯家山水库则为65%，后者在河流深泓线左右岸均布置有多个泄水底孔。伊朗的S.鲁德水库和迪兹(Dez)水库是观测到的两座存在异重流的水库，前者排沙率为2.3%～35%。在中国台湾，台风使携带大量细小泥沙的径流汇入石门水库和曾文水库形成异重流。石门水库的一台水轮机和转轮改装成了排沙闸。数学模拟研究表明，增加一个额外的泄水通道，水库排沙率可从21%增至40%。有学者综合运用实验、理论、数学模拟方法对曾文水库的排沙进行过研究。在两起不同台风事件中，经实地测量，其通过进水口和泄水底孔的排沙率均未能超过1%，尽管溢洪道排沙率达到17%。在北非，摩洛哥的O.内卡尔(Oued Neckar)水库和阿尔及利亚的I.艾姆达(Iril Emda)水库也利用异重流进行排沙，且后者排沙率在45%～60%；因泄水口底板高程比库底高7 m，首年排沙率较低。突尼斯的内贝尔(Nebeur)水库基于坝前异重流的含沙量确定是否排沙；当含沙量高于1 020 kg/m3才需要开闸排沙。马普拉格(Mapragg)水库是瑞士境内泄水排沙的典型，当含沙量高于2 g/L时才会触响“排沙警报”；针对含沙量较低的情况，未来采用疏浚沉泥的方式会比排沙更有益。在美国，米德水库异重流的流程最长，该水库的排沙率在18%～39%。另一个是以入库高含沙量水流而闻名的格兰德河上的象山水库，其排沙率在9%～23%。最后，诸多其他有异重流形成的水库，像法国的索泰(Sautet)水库，罗马尼亚、俄罗斯等国的多座水库，都建议采用泄水排沙的方式。

3 影响排沙率的参数

排沙成功与否不仅取决于水工建筑物的高效运行，最重要还是在于对异重流动态的掌握。因此，很多参数都能影响排沙的成功与否和排沙率，如水库位置、规模、泄水量、泄水孔开启时间和排沙时长等运行参数。另一方面，异重流浓度、悬沙级配、流量和高度都会对排沙率产生重大影响。除此之外，流域形态、深泓线的坡度及水库回水长度也在其中发挥了重要作用。影响泄水排沙决策的次要因素可能还涉及法律、经济和环境方面。

试验和数学模型是评估及量化这些参数影响程度的基本方式。下面将讨论文献上已明确有重大影响力的参数(泄水量、泄水口的位置和高度)。

3.1 泄水量

排沙过程中，用Qout来表示对排沙率产生重大影响的泄水量。有专家基于相关资料得出，泄水量越大，排沙率就越高。不过也有专家持相反意见。然而，泄水量应根据坝前的含沙水流量QTC来确定。因此，规范化参数Qout/QTC才是至关重要的。一般情况下，Qout与QTC相比相对较小，排沙往往在泄水受限时实施。事实上，QTC较难测量，并通常与观测的入库流量息息相关。由于汛期径流会形成异重流，因此可以将它们与入库洪峰的流量进行比较分析。但根据水库形态，QTC一般比低频率发生的洪峰流量高出许多。对瑞士22座大型水库的泄水能力Qoutmax、水库汇水面积A、2 a一遇和10 a一遇的洪水及相应的排沙量最大比值Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10进行了分析。

需要注意的是，为了计算Q2和Q10，根据瑞士26座水文站提供的径流和汇水区相关数据，确定反映汇水区面积和洪峰流量函数关系的Franscou系数k2和k10，从而得出k2=2.9，k10=3.2。在已知瑞士22座水库汇水面积后，就能算出其Q2和Q10。

将水库按Qoutmax/Q2从低到高进行了分类，分析结果表明，诸如瑞士的希费嫩(Schiffenen)水库、莫伊里(Moiry)和罗森(Rossens)水库排沙时，Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10小于100%，并且与入库流量相比，出库流量比较有限。对于剩下的水库，Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10大于100%，意味着它们的泄水能力超过2 a一遇和10 a一遇的洪峰流量。然而，即便在冲沙期，泄水能力也并非得到全部发挥。泄水量受限的主要原因是下游不具备长时间容纳最大泄水量的能力。高泄水量会导致河流下游遭受洪水威胁和环境灾害的风险。例如卢佐内(Luzzone)水库，即使Qoutmax为52 m3/s,冲沙流量最大为40 m3/s，但实际操作时仅约为30 m3/s，该例中的Qoutmax/Q2为110%而不是193%。

像上面提到的那样，坝前的异重流流量QTC通常比上游观测的洪峰流量要高。这是因为到达坝前时带有清水。因此Q2和Q10低估了QTC。这再一次使Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10的值总体偏低。因此，就泄水量而言可以得出如下结论，通过底孔排出的异重流很有限，或者稍高于异重流流量。

3.2 泄水口的高度与位置

影响排沙率的其他重要参数包括泄水口的高度和位置。事实上，这些重要参数直接关系到泄水口的吸出高度。它代表异重流能到达泄水口进出口段并排出的高度。其与泄水量和排沙量相关联。

根据坝前异重流的高度及泄水口的位置，吸出高度应考虑要排出的部分或全部异重流。异重流，因其密度大，通常会流往水库底部，故理论上泄水口应置于底部。然而，置于底部时，泄水口早期发生堵塞的风险较高。置于较高位置时，在库底和泄水闸底板之间的空隙未充满泥沙之前，排沙率很低。因此，泄水口的位置应根据泄水口吸出高度来设置。根据径流密度和泄水量，吸出高度应考虑部分或全部到达泄水口的泥沙。

4 监测设备与挑战

若要在最佳条件下泄水排沙，就需要好的监测系统，该系统应能定时有效地监测异重流排出。不论条件多复杂，现场不定因素再多，都应持续对入库异重流进行监测。在合适的情况下，对上下游及近坝处均应进行观测，并应用各种技术，实现特定和详尽观测的可视化。一些需核实的重要参数有：潜入点(可通过可视化完成)；速度和浓度变化；冲刷和淤积(成为河床的一部分)速率。

每年汛期通常会引发异重流。因此，从实际操作上来讲，对异重流的监测有时会很复杂。异重流来势凶猛，会对测量设备造成损害。例如2001年12月20日在加利福尼亚州蒙特利(Monterey)峡谷观测到一股强大的重力流，期间相关设备被强行移位并被掩埋在厚厚的泥沙之中。另一个例子是瑞士的卢加诺(Lugano)湖，监测网络的设备也在监测期间遗失或损坏。即便泄水排沙从长远考虑非常有益，但实地观测异重流成本很高，前期投入高。此外，虽可为已建水坝建造一个新的低位泄水口，但会影响水库的可持续利用。

5 结论与展望

泥沙淤积危害水库的可持续利用。坝前异重流携带着大量细颗粒悬沙。因此，水库泄水排沙是一项在生态、经济上皆有益的技术措施。

泄水排沙前，应观测异重流并检查大坝的自我修复能力。最好通过接近库底的低位泄水口进行排沙。此外，排沙时间较长时，坝下游的生态环境状况也应纳入考虑范畴。

相关文献显示，世界各地泄水排沙条件和排沙率各不相同。影响排沙率的参数有泄水量、泄水孔开启时间及泄水口的高度和位置等。自从认识到泄水量小和排放量大有同等危害以来，泄水量就成为了一个重要而又精细的参数。大多数水库在泄流量有限时仍会潜在地泄水排沙。换句话说，泄水量可能会低于或稍高于要排出的异重流流量。另一方面，泄水口的高度和位置影响了排沙期间能到达的吸出高度，因而成为最关键的参数之一。

最后强调，为支撑泄水排沙的决策和排沙率评估，实地观测很重要。然而，在应对异重流时会遇到很多挑战。因此，对泄水排沙进行数学模拟和实验研究也十分重要。在这种情况下，需观测各种参数和系统试验，以优化泄水排沙率。

刘可薇柯学莎译

(编辑：朱晓红)

2017-03-02

1006-0081(2017)08-0009-03

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