陜北多泥沙小流域水庫建設模式探討

程子勇　沈中原

（陜西省水利廳　陜西　西安　710004）

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陜北多泥沙小流域水庫建設模式探討

程子勇沈中原

（陜西省水利廳陜西西安710004）

摘要陜北地處黃土高原中部，地形破碎，溝壑縱橫，降水量少，生態(tài)環(huán)境脆弱。由于區(qū)內河流天然徑流不足，時空分布不均，加之洪水含沙量大，水資源開發(fā)利用困難，供水不足是制約陜北經(jīng)濟社會發(fā)展的首要瓶頸。在加快重點水源工程建設，解決重點城市和經(jīng)濟區(qū)水的供需矛盾的同時，如何利用小流域水資源開發(fā)，支持城鎮(zhèn)化發(fā)展成為當務之急。本文在對陜北地區(qū)小型水庫建設調研的基礎上，結合具體工程實際，就如何搞好多泥沙小流域小型水庫建設進行了探討，以期能為當?shù)厮Y源開發(fā)利用模式及小型水庫建設決策提供借鑒。

關鍵詞陜北，多泥沙河流，小水庫建設

陜北地處黃土高原中部，氣候干旱，降雨量少，水土流失嚴重，生態(tài)環(huán)境脆弱。上世紀六十年代以來，當?shù)匾詳r蓄泥沙為主，建設了大量的攔泥庫、淤地壩等水土保持工程。以水資源調蓄和供水為主的水庫建設相對滯后，大量的集鎮(zhèn)供水不足、安全性差。近期陜北延安、榆林市上報了一批小型水庫建設項目，通過赴現(xiàn)場對12座小型水庫壩址及建設條件的查勘，以及對項目建設可行性的研究，分析當?shù)囟嗄嗌承×饔虻乃程匦裕岢隽烁鼮榻?jīng)濟、合理的水庫建設方案。

1　項目建設背景

1.1縣城和集鎮(zhèn)水源建設嚴重滯后

缺水是陜北地區(qū)的基本水情，也是制約當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展的最大障礙。上世紀60年代以來，為解決當?shù)貒乐氐乃亮魇В刂坪蜏p少入黃泥沙問題，陜北地區(qū)集中修建了數(shù)萬座淤地壩，并開展了大規(guī)模的水土保持治理工程，取得了一定的生態(tài)和經(jīng)濟效益。然而作為水資源開發(fā)利用的水庫工程建設卻相對滯后，為數(shù)不多的水庫工程也主要修建在陜北北部的風沙灘區(qū)河流上，多泥沙河流建設的一些水庫也因泥沙淤積嚴重，水庫功能劇減。近年來，隨著當?shù)亟?jīng)濟社會快速發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程加快，幾乎所有的縣城、集鎮(zhèn)供水告急，水源工程建設嚴重滯后。

1.2骨干水源工程覆蓋能力有限

近幾年來，聚焦陜北地區(qū)水資源開發(fā)，水利部門先后啟動和實施了延安黃河引水工程、王圪堵水庫、南溝門水庫、馬家溝水庫、安溝水庫、雨岔水庫、紅石峁水庫等水源工程，有效的提升了當?shù)厮Y源供給能力，然而這些骨干水源工程都是從解決陜北能源化工基地建設和重要城市的供水需求出發(fā)，許多量大面廣的農(nóng)村社區(qū)、集鎮(zhèn)的供水問題一時難以通過這些大中型骨干水源工程解決。因此，當前的唯一出路就是在強化節(jié)水的前提下，通過合理的布設小型水源工程，充分挖掘當?shù)匦×饔虻乃Y源供給潛力，加快建設小型水源庫壩建設，彌補大型骨干水源的覆蓋盲區(qū)，解決周圍區(qū)域的供水問題，特別是特枯年份的應急供水問題。

1.3小型水庫工程建設迎來有利時機

陜北地區(qū)溝壑縱橫、地形地貌復雜，小流域眾多。近年來，當?shù)貜慕鉀Q小區(qū)域供水出發(fā)，相繼修建了一批小型水源工程，對解決周邊重要的村莊和集鎮(zhèn)的供水問題，起到了很好的作用，摸索出來一些成功的經(jīng)驗。國家從今年以來也相繼開始實施小型水庫建設規(guī)劃和抗旱水庫規(guī)劃等小型水源工程建設，大規(guī)模投資建設小型水庫工程，陜北地區(qū)小型水庫建設迎來了歷史機遇期，因此加快小流域小型水庫開發(fā)建設方式的研究，探索適合我省陜北地區(qū)多泥沙小流域的建庫方式極為迫切和重要。

2　當前設計思路中存在的主要問題

2.1陜北小流域水沙特點分析

陜北地區(qū)河流流經(jīng)黃土高原土壤侵蝕嚴重區(qū)域，水少沙多是這些河流的主要特點，泥沙處理是水利工程設計需要考慮的首要重點和難點問題。

（1）河道來水泥沙集中。從黃土高原溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)的幾個水文站，如佳蘆河上的沈家灣站、李家河上的曹坪站的實測資料分析來看，陜北河流年內的泥沙多來源于汛期的1、2場洪水，其輸沙量可達到全年泥沙的80% ～90%，個別水文站的實測資料表明，一場洪水的產(chǎn)沙量甚至能占到全年的95%以上。對于水利工程來說，尤其是小型水庫工程，不攔蓄這樣的洪水，就可以大幅度的減少泥沙淤積，有效提升水庫工程的使用壽命和使用效益，縮小工程投資。

（2）高含沙洪水歷時短。陜北小流域洪水的產(chǎn)生呈現(xiàn)陡漲陡落的特點，這些小流域的洪水歷時，少則幾個小時，多則1、2天。如果能配套增建小型的反調節(jié)工程，解決泄渾期間的供水問題，整個工程的供水能力就能得到顯著的提升，整個工程的供水水質和保證率也能完全達到規(guī)范要求，從整體工程效益上來說也能取得很好的效果。

2.2小型水庫查勘的基本情況

為了加快小型水源工程建設，國家相繼啟動實施了《中小水庫規(guī)劃》和《抗旱規(guī)劃》，結合省情、水情，在陜北地區(qū)規(guī)劃和啟動了一批中小型水庫工程，為了加快工程前期工作，我們組織了小型水庫工程查勘工作，在于落實供水對象、建設條件和開發(fā)方式。在陜北地區(qū)現(xiàn)場查勘的12座水庫中，除了神木縣和靖邊縣的各自1座水庫壩址上游為沙漠區(qū)外，其他10座都處在黃土高原梁峁溝壑區(qū)和丘陵溝壑區(qū)，年土壤侵蝕模數(shù)多在1萬t/km2以上，流域徑流深多為30mm～40mm。壩址控制流域面積多在10 km2.50km2之間，水庫設計總庫容為200萬m3～500萬m3，水庫設計任務多為農(nóng)業(yè)灌溉和村鎮(zhèn)供水，年供水量約十多萬m3至數(shù)十萬m3，水庫初估工程投資約2000萬元至1.7億元，單方水工程投資約120元～380元。大壩為均質土壩，泄洪設施為溢洪道。估算投資中不包括供水配套的抽水、引水和輸水工程投資。

2.3規(guī)劃設計存在的主要問題

通過分析可以看出，水少沙多是這些水庫所在河流的主要特性，也是影響和制約小型水庫設計的主要因素。以流域面積40km2計，年徑流量約160萬m3，年輸沙量約40 萬t（折合30萬m3）。原設計思路為蓄洪排沙運行，主要設置溢洪道泄洪排沙，水庫按30年運行考慮。這樣的設計思路存在以下問題。

（1）水庫工程考慮60%～70%的排沙比是不可能的，河道來水有限，無水排沙，只能蓄水攔沙運行。（2）按照工程最低30年運行期，僅攔沙庫容就需要900萬m3以上，加上庫區(qū)黃土塌岸量，死庫容接近上千萬m3。僅僅依靠溢洪道排沙，泥沙將很快淤滿調節(jié)庫容。（3）若要提高水庫的使用壽命，只能進一步加大庫容。那么導致水庫的淹沒處理的投資將進一步加大，水庫工程的整體投資進一步加大，單方水投資會更高，工程的經(jīng)濟性和可行性太差，經(jīng)濟上更加不合理。工程以農(nóng)業(yè)灌溉為主的開發(fā)目標，往往使得投資難以承受。（4）另外若考慮排沙期的渾水供水水質問題，工程的使用效益還將進一步降低。

3　小型水庫開發(fā)方式探討

要破解困擾小型水庫建設的泥沙問題，必須結合陜北地區(qū)水情特點，有針對性的提出適合多沙小流域的開發(fā)思路。結合近些年已經(jīng)實施或正在建設的陜北水庫工程，本文提出了三種主要的設計和規(guī)劃思路，并從陜北小流域河流的水沙基本特性出發(fā)對各種設計思路進行論證。

3.1上游攔沙，下游蓄水模式

在水庫壩址上游和主要支流修建一定數(shù)量的骨干壩攔蓄泥沙，盡量減少下游水庫壩址斷面以上的來沙區(qū)間面積，減少來沙量，延長水庫死庫容的淤滿時間，提高水庫使用壽命。在陜北地區(qū)，這種水庫開發(fā)模式的最典型的工程實例就是安塞縣的馬家溝水庫。在水庫上游建設6座骨干壩攔沙，使水庫區(qū)間流域面積由55km2減少到不足4km2，顯著的減少了壩址以上來沙量，有效提升了水庫使用期。這一開發(fā)方式存在上游骨干壩防洪標準與水庫防洪標準的統(tǒng)一協(xié)調問題，否則就需要考慮骨干壩的潰壩風險和超標準洪水的攔蓄問題，導致工程整體投資加大，經(jīng)濟性值得研究。另外，上游骨干壩也存在一定的攔泥年限，庫容淤滿后的處理也需要進一步慎重研究。

3.2引干入支，以支補干模式

在河道干流修建低壩引水工程，在流域面積較小的支流修建反調節(jié)水庫。當干流含沙量較小時，引提干流清水入庫調蓄，并由干流引水工程正常供水。當干流水量不足或含沙量超限時，由反調節(jié)庫供水，提高供水保證率。該思路需要兩個基本要點，干流要有一定的低含沙水量，同時支流也要有合適的建庫條件。這種水庫開發(fā)模式的最典型的應用工程就是延安黃河引水工程（黃河干流）和子洲縣城康家溝水庫供水工程（大理河干流），顯而易見這種開發(fā)思路只適用于較大河流的水資源開發(fā)。

3.3閘壩攔水，蓄清泄渾模式

解決水庫不攔沙或少攔沙的主要措施是降低淤積基準面，加大泄洪流量或進行暢泄。由此可以考慮在較小的河流上，采用閘壩攔水和蓄清泄渾的運用方式，以經(jīng)濟合理的方式解決小流域水資源開發(fā)問題。閘壩攔水是在原河道范圍內建設河閘，基本不抬高淤積基準面，通過水閘形成一定的蓄水容積。蓄清是在洪水期以外，即河道來水含沙量較低時下閘蓄水，引水供水調蓄，庫區(qū)會有一定的泥沙淤積。泄渾是在洪水到來時，提閘暢泄排沙，即能排掉洪水攜帶的大量泥沙，又能沖走清水期間的庫區(qū)淤積泥沙，形成穩(wěn)定的沖淤平衡比降，保持穩(wěn)定的調節(jié)庫容。這一開發(fā)模式，需要另建一定容量的反調節(jié)池，解決泄渾期間的供水問題。

4　工程建設實例

在陜北地區(qū)多泥沙小流域上修建水庫工程，按照常規(guī)設計思路，往往會因泥沙問題，導致工程攔泥庫容過大，從而影響工程的整體經(jīng)濟性和可行性，同時也存在一定的安全隱患。結合這些河流的水沙特性，提出了三種開發(fā)模式。三種方式各具特點和優(yōu)勢，但是單就陜北地區(qū)多泥沙的小流域來說，閘壩方式的優(yōu)勢尤為突出。其中對于多泥沙的小流域上小型水庫的建設，采用閘壩攔水，蓄清泄渾模式進行開發(fā)，既能夠有效解決工程排沙問題，又能大幅度降低工程投資，提高工程供水可靠性。這里有兩個工程實例可以借鑒，一個是已經(jīng)運行多年的洛川縣兩水河閘壩工程，一個是正在做前期工作的志丹縣黃地臺水庫。

（1）兩水河閘壩工程。兩水河閘壩工程建于1995年，閘壩以上流域面積112km2，年徑流量約394萬m3，為8孔4m×3m閘門，閘壩總庫容51萬m3，其中調節(jié)庫容30 萬m3，原為灌溉水源，抽水上塬灌溉1萬畝農(nóng)田，由于長久失修頻臨報廢。2008年改為農(nóng)村供水項目，改造抽水泵站抽水上塬，解決了周圍三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)2.8萬人的飲水問題，近年來實際年供水量45萬m3，采用蓄清泄渾模式運行，壩內沒有出現(xiàn)大的淤積現(xiàn)象，工程運行狀態(tài)良好。

（2）黃地臺水庫工程。志丹縣黃地臺水庫位于周河一級支流黃地臺溝下游，壩址控制流域面積31km2，年徑流量111萬m3，年輸沙量23萬t。原方案水庫設計總庫容880萬m3，其中死庫容500萬m3。工程由均質土壩、溢洪道和導流輸水洞組成，年供水量40萬m3，總投資1.68億元，移民占地投資2280萬元，單方水投資418元。調整設計思路后，按照閘壩開發(fā)方案后，建設三孔6×4.5m閘門，總庫容11.2萬m3，配套建設4萬m3調蓄池，經(jīng)過長系列調節(jié)計算，90%保證率下年供水量達到43萬m3，多年平均供水量50萬m3，工程總投資5700萬元，單方水投資114元，約為原設計方案的1/4，工程的經(jīng)濟性得到顯著的提高。

5　結語

本文在對陜北地區(qū)新一輪小型水庫建設充分調研的基礎上，結合具體工程實際，就如何搞好多泥沙小流域小型水庫建設，提出了上游攔沙、下游蓄水，引干入支和閘壩攔水、蓄清泄渾等三種水庫建設開發(fā)模式，分析了各種模式的特點及適用情況，并詳細論述了閘壩攔水、蓄清泄渾開發(fā)模式的特點及工程實例，以期能為當?shù)厮Y源開發(fā)利用模式及水利工程建設決策提供借鑒和指導。陜西水利

（責任編輯：闕嘉雯）

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