陕西省多泥沙河流供水水库运行方式研究

2018-09-10郭世兴刘斌

人民黄河 2018年3期

郭世兴刘斌

摘要：供水水库为现代社会经济持续稳定发展提供水源保障，其效益的发挥直接取决于库容的大小，而泥沙淤积是导致水库库容损失的根本原因。针对陕西省多泥沙河流的水沙特性，通过对多年来水库实际运行情况的调查分析，结合近20a供水水库的开发运行方式总结，提出了供水水库采用蓄水运用、蓄清排浑、引干入支等开发运行方式的判别条件。结合工程实例，验证从含沙量、库沙比、水沙特性及库容系数等参数总结的供水水库运行方式判别条件的合理性。

关键词：多沙河流；供水水库；运行方式；判别条件

中图分类号：TV697.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.03.031

1 研究背景

在多沙河流上修建水库，河流天然的水沙平衡状态被破坏，库区流速与挟沙力的降低导致大量泥沙淤积[1]。陕西黄土高原地区水土流失严重，河流枯水期流量小，洪水期携带泥沙多，水少沙多、水库淤积等问题突出。据陕西省1991年调查资料统计，已建的296座小（1）型以上水库累计淤积量为11.74亿m3，库容淤积损失率为28.79%（其中：5座大型水库共淤积2.70亿m3，淤积损失率为21.87%； 62座中型水库共淤积6.67亿m3，淤积损失率为32.57%；229座小型水库共淤积2.37亿m3，淤积损失率为29.78%）。自198一年以来，全省因淤积而废弃的小（1）型水库有29座，共淤废库容0.62亿m3，分布在河流含沙量高、水土流失严重的榆林、延安地区[2]。水库淤积导致水库库容损失，增加水库的建设成本，增大坝址的选择难度，降低水库功能效益，加重维护成本和病险发生概率，影响水库寿命和运行安全等，不利于社会发展与和谐[3]。近20a来，随着关中城市群及陕北能源化工基地的建设和人民生活水平的提高，以城镇生活、工业供水为主的供水水库建设进入高潮。由于供水水库要求供水保证率高，水库长年处于供水运行状态，泥沙淤积问题更加突出，因此在积极进行水库流域范围水土保持工作的同时，按照河流水沙特性、工程任务和建库条件等，研究制定多泥沙河流供水水库合理的开发运行方式、保证水库持续正常使用对水库建设和管理具有重要意义。2陕西省多沙河流的水沙特征

（1）水沙年内分配不均，年际变化大。陕西省受大陆性季风气候和地形的影响，降水量时空分布不均，且降水多以暴雨形式出现。根据关中和陕北各主要河流水文站的水沙统计结果（见表1），汛期（7-9月）径流量占全年水量的50%左右，汛期沙量占全年输沙量的86%～96%；陕北地区直接汇入黄河的河流和径河的多年平均含沙量为126～262kg/m3，汛期含沙量达242～357kg/m3，其他河流汛期含沙量是年平均含沙量的一倍以上。故河流的水沙过程主要集中在汛期，且输沙量比径流量更集中，汛期入库泥沙是水库淤积的主体[4]。对于陕西省1万km2以下的河流，水沙过程基本同步，同丰同枯，且洪峰的变化梯度大于沙峰，若水库汛期运行方式合理，大量泥沙可排出库区，延长水库的使用寿命。

以延河安塞站为典型，分析河道的水沙年际分配规律，年最大径流量为8551万m3，年最小径流量为2245万m3，最丰年径流量是最枯年的3.8倍；最大年输沙量为3 688万t，最小年输沙量为47万t，最大年输沙量是最小年的78.5倍。因此，河流的水沙年际丰枯变化大，输沙量比径流量变化更加突出。

（2）水流含沙量高，细颗粒多。泥沙颗粒是反映泥沙力学特性与泥沙运动状况的主要因素，影响河道演变和泥沙运动形式[5]。据陕西省关中和陕北高含沙河流水文站实测悬移质粒径级配统计（见表2），陕北人黄河流（含沙量S>100kg/m3）的泥沙颗粒较粗，按文献[6]颗粒分类，粉粒占27%～33%，细沙占47%～60%；其次为洛河泥沙（S=91kg/m3），粉粒占56%，细沙占31%；径河从上游张家山站到下游景村站泥沙颗粒逐渐细化，但颗粒组成仍以粉粒和黏粒为主。颗粒细、沉速小、河床比降陡时有利于异重流排沙，但细颗粒淤积后孔隙率小且易板结，难冲刷。

3 供水水库运行方式研究

3.1 供水水库运行特点

供水水库指解决城乡居民生活、工业和公共设施与环境用水的水利枢纽工程，要求保证率不低于95%，水库径流、洪水调节应考虑泥沙淤积影响[7]。由于供水水库要持续保证供水的连续性，因此蓄丰补枯需要的兴利库容大，运行水位高，即使特枯年份枯水时段也要保证70%的正常供水量。

多沙河流上的供水水库，当水库汛期低水位运行时有利于库区排沙，减少淤积，但会损失部分水库效益，且存在汛后无水可蓄的风险；当高水位运行时效益较大，但会增加库区淤积。其运行方式的最大特点是不仅要对水量进行調节，而且要对沙量进行调节，目的在于权衡水库供水与排沙的矛盾，平衡水库近期与远期效益的关系。

3.2 运行方式和判别条件

针对陕西省多沙河流输沙量大、汛期水沙量集中、泥沙颗粒细等特点，除设计足够大的泄流排沙规模外，拟定合理的水库运行方式对泥沙淤积控制至关重要。通过分析陕西省多沙河流供水水库的库容、供水量及河流的水沙特征等指标与水库运行方式的关系，提出水库运行方式的初步判别条件（见表3），按照多沙河流水库蓄水运用和蓄清排浑的运行方式分述如下。

3.2.1 蓄水运用

新中国成立初期，我国修建的水库大都采用蓄水运用，多沙河流上水库淤积严重。如1958年开工建设的黄河中游青铜峡水库蓄水运用5a，库容损失达86%，水库平均年淤积率（年平均淤积量与总库容之比）达17%[8]。虽然蓄水运用存在淤积严重，初期库容大、投资大，逐步抬高汛限水位运行时上部库容闲置时间长等缺点，但是陕西省在水土流失严重而水资源供需矛盾突出的地区，当水库的库沙比Kt>60且含沙量S<30kg/m3时，均采用蓄水运行方式来解决当地的供水问题。

3.2.2 蓄清排浑运用

蓄清排浑指在来水来沙较多的汛期降低坝前水位运用，在来沙较少的非汛期蓄水兴利的调度方法[9]。由于有一定的泄空排沙期，因此细颗粒泥沙来不及大量沉积被水流携带排出，有利于形成长期库容[10]。蓄清排浑是一个原则框架，对于不同河流和水库实际情况，需要进一步优化和调整，才能够在最大限度保障水库长期利用的前提下，也最大限度地发挥水库的综合效益。陕西省各地黄土覆盖厚度和泥沙组成差异大，河流来水来沙量、水库开发任务及建库条件等均不同，多沙河流上目前已建和在建的大型供水水库主要采用蓄清排浑运用，但排沙措施各不相同。依据不同水沙及库容等条件，按照表3统计分析的水库运行方式判别因子，初步确定水库的运行方式，保证水库既能获得较高的供水效益，又能延长水库使用寿命。

（1）泄空（或滞洪）排沙加反调节水库。滞洪排沙指水库在小洪水时不蓄洪拦沙，在大洪水时滞留部分洪水，使细颗粒泥沙排出库外、粗颗粒泥沙落淤库内的运行方式[11]。其排沙率高，但泄空运用时无法保证供水，因此需要配套反调节水库或与其他水库进行联合调度。当汛期径流量/全年径流量>0.5且汛期输沙量/全年输沙量>0.8，同时有地形条件修建反调节水库时，采用泄空（或滞洪）排沙加反调节水库运行方式。

（2）上拦下蓄运行。当供水水库Kt<30且水沙集中在汛期，而水库周围没有修建反调节水库的条件时，从控制泥沙入库的角度，除完成流域内水土保持规划外，可在库区上游主要产沙区的沟道修建拦泥坝（上拦），而下游供水水库进行径流调蓄（下蓄）；或者考虑拦泥坝淤积面逐年抬高，在坝体内分层敷设无沙滤管收集入渗清水，汇流到集水竖井内直接给下游供水。

（3）引干入支。当干流水量丰沛而无建库条件且水沙丰枯变化剧烈、而邻近支流含沙量小且库容系数（兴利库容与坝址径流量之比）大于1.0时，可在干流修建低坝引水枢纽，通过隧洞把干流含沙量小的径流引入支流水库调蓄，通过支流水库供水，满足干流含沙量大无法引水时的供水要求。

4 工程实例

4.1 蓄水运用实例

王圪堵水库是榆林市横山县境内无定河中游一座以供水、拦沙为主，兼顾灌溉等综合利用的大（2）型水利枢纽工程，库沙比为101（>60），入库含沙量为14kg/m，（<30kg/m3），采用蓄水拦沙运用方式。设计运用期为60a，水库可拦沙1.91亿m3，同时为工业供水1.56亿m3/a、为下游0.97万hm2灌区补水4440万m3/a[12]。

陕西省径河支流上拟建的红岩河水库河流含沙量23kg/m3且库沙比为85，符合蓄水拦沙运用方式，30a后正常蓄水位下剩余库容3721万m3，多年平均供水量2127万m3，同时拦泥2398万m3。

4.2 蓄清排浑运用实例

王瑶水库位于延河支流杏子河上，是保证下游延安市防洪安全的水利枢纽，水库库沙比为24，汛期径流量占全年的55%，输沙量占全年的86%。1972年下闸蓄水后，先后采用蓄洪拦沙、蓄洪排沙、空库排沙等运行方式，截至1996年年底累计淤积量占总库容的48.8%。1997年其作为唯一地表骨干水源蓄水运用给延安市供水，水库淤积严重，到2001年年底累计淤积量占总库容的56.7%，严重影响到王瑶水库的使用寿命和延安城区的防洪及长远供水安全。根据杏子河的水沙特性，调整王瑶水库7-8月为敞泄排沙运行，2006年在下游河庄坪支沟建成总库容953万m3的红庄水库进行反调节，保证王瑶水库敞泄期的城市供水，运行效果良好。

在建的黑河亭口水库库沙比为20，汛期径流量占全年的50%，输沙量占全年的84%。采用汛期7-8月入库流量大于30m3/s且含沙量大于50 kg/m3时敞泄排沙，下游支沟修建700万m3的中源沟反调节水库，将丰水年亭口弃水（S<8kg/m3）抽人反调节水库调蓄，作为亭口水库排沙期或其他时段供水量不足时的补充水量，有效解决彬长矿区煤、电、煤化工项目的水源问题，同时向彬县、长武县城供水[13]。

王瑶水库和黑河亭口水库的水沙和地形条件符合泄空排沙加反调节水库运行条件。

拟建的陕西省吴起县玉皇庙水库，坝址河流平均含沙量388kg/m3，111.0万m3浑水径流中清水为96.3万m3，水库库沙比为11。在坝址上游正沟、官畔沟布置2座碾压式骨干坝，采用塔式放水建筑物，布置高低两个进水口，放水口高程高于下游水库正常蓄水位，通过消力池与下游河道连接。洪水期骨干坝关闸，滞洪和沉淀泥沙后下泄清水到下游水库，年供水量63.6万m3。

陕西省延川县1973年在清涧河支流永坪川修建的寒沙石中型水库按蓄清排浑方案使用，水库库沙比为25。因汛期洪水全部排泄拉沙而汛后水量小，难以满足农业灌溉和炼油厂的生产用水要求。从1977年起，在寒沙石水库上游修建了一批拦泥坝，将泥沙拦蓄在上游拦泥壩内，再用卧管涵洞将清水排人下游寒沙石水库。根据观测资料分析，寒沙石水库泥沙淤积量由1973年的150万m3/a降低到1986年的4万m3/a，同时保证了正常供水。

玉皇庙水库和寒沙石水库的库沙比Kt<30，水沙集中且不具备建反调节库的地形条件，采用上游水库滞洪拦沙、下游水库蓄水兴利的运行方式，水资源利用率高。

陕西省延安市黄陵县南沟门水库位于洛河支流葫芦河上，库区植被良好，多年平均含沙量为12.3kg/m3，库容系数为1.35。干流洛河多年平均含沙量为196kg/m3（汛期平均含沙量为398kg/m3），且该河段无建水库条件。为满足延安石油化工基地用水与城乡生活需水，改善当地灌溉条件，在洛河干流马家河修建无调蓄作用的引水枢纽，通过6.12km引洛人葫输水隧洞将洛河干流质量含沙量小于3%（混合含沙量31kg/m3）的径流引入南沟门水库进行调蓄。南沟门水库符合引干人支运行条件，引用洛河非灌溉期的流量10m3/s（马家河断面年径流量为3.46亿m3）与南沟门坝址的径流量（1.34亿m3/a）进行调节，满足工业及城镇生活总需水1.06亿m3和农灌补水0.5亿m3的要求。

5 结论

供水水库蓄水兴利固然重要，但对于多沙河流上的水库，要根据河流的水沙特性、建库条件、工程任务等，制定合理的水库运行方式，协调供水与排沙的矛盾，保证水库既能获得较高的供水效益，又能延长水库使用寿命。针对陕西省多沙河流上供水水库的水沙特性和总结的供水水库运行方式判别条件，结合工程实例验证了蓄水运用、蓄清排浑等运行方式判别条件的合理性。本次僅从河流含沙量、库沙比、水沙特性及库容系数等参数总结了供水水库运行方式的初步判别条件，具体的水库运行方式还要考虑地形地质条件、淹没损失、工程投资等经济技术指标进一步研究确定，保证水库满足长期供水需求，同时维持水库泥沙多年冲淤平衡状态，延长水库使用寿命，充分发挥水库的兴利功能。

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