鬧德海水庫泥沙沖淤特性與排沙期分析

張立武

（遼寧省鬧德海水庫管理局，遼寧 阜新 123000）

鬧德海水庫泥沙沖淤特性與排沙期分析

張立武

（遼寧省鬧德海水庫管理局，遼寧 阜新 123000）

基于鬧德海水庫建庫以來歷次大洪水前后庫區泥沙淤積分析，指出庫區具有大洪水年淤積、中小洪水年沖刷的規律，提出在現行調度運用方式下排沙期的時間安排，分析設置排沙期對水庫供水的影響。結果表明：設置排沙期在有效減少庫區泥沙淤積的同時，對主要用水戶的供水量和供水保證率均無影響。為鬧德海水庫汛期敞泄排沙提供操作性依據。

沖淤規律；排沙期；供水保證率；敞泄排沙

1 總體情況

1.1 工程概況

鬧德海水庫位于遼寧省阜新市彰武縣滿堂紅鎮境內，控制流域面積為4051km2，是具有防洪滯沙、城市工業與生活供水等綜合作用的大（Ⅱ）型控制性水利工程。

水庫調度運用方式隨歷次改造和加固而不斷發生變化。從1994年第三次加固完成后開始，水庫在“冬蓄春放，汛期敞排”的基礎上，每年新增6月和9月兩個月為蓄水期，主汛期7月和8月來沙量較大月份敞泄排沙，并開始通過壩上和壩下兩種取水方式為阜新市提供工業和生活用水。2001年以來，水庫實現全年蓄水運用，全年壩上取水量達到1200～2500萬m3，供水效益大大提高。

1.2 供水任務和供水情況

根據鬧德海水庫建設目標和作用要求，水利部松遼水利委員向鬧德海水庫頒發了取水許可，批復其年取水量為9000萬m3，以保證阜新市工業、生活、七家子水庫的用水需求。

1994年阜新市鬧德海水源工程建成投產，設計取水能力為10萬m3/d，在保證供水管線安全的情況下，參考《遼西四市水資源配置規劃》，現狀水源工程取水能力為6.3萬m3/d，年取水能力為2300萬m3。水庫通過鬧德海水廠向阜新市提供工業和生活用水，1997年以來一直保持在1200～2500萬m3/a之間。鬧德海水庫向位于彰武縣滿堂紅鎮的七家子水庫年供水量為250萬m3。

鬧德海水庫每年為阜新市和七家子水庫合計供水1450～2750萬m3，多年平均供水量1895萬m3。

2 水庫排沙期分析計算

2.1 歷史沖淤情況

鬧德海水庫水沙主要來源于上游支流扣河子河和養畜牧河，其中扣河子河屬于季節性河流，汛期過后基本斷流，養畜牧河除汛期河水流量較大外，全年平均流量基本穩定在1.0m3/s。自1942年建庫以來，水庫分別在1949、1963、1984、1994年遭遇4次較大規模洪水，其中1949年和1963年2次特大洪水發生時，溢流堰上水深均達到4m以上，嚴重的壅水造成庫區大量淤積［1］。水庫188.00m高程相應庫容在歷次大洪水前后變化見表1。

表1 歷次大洪水前后水庫庫容變化表

由表1可以看出：建庫以來，水庫庫容從1.683m3減少為1.302億 m3，減少了0.381億 m3，淤損率達22.64%。4次大洪水過程均產生淤積，累計淤積0.969億m3，其中1949年大洪水后淤積量最大，占累計淤積量的73.58%，歷次大洪水淤積量逐次遞減；除2001年后水庫改為全年蓄水運用導致2001～2015年間每年均產生少量淤積外，其它大洪水間隔年份均表現為沖刷，累計沖刷量0.626億 m3，其中 1964～1983年間沖刷量最大，占累計沖刷量的43.61%。

由于5個底孔泄流能力350m3/s遠大于一般年份水庫入庫流量，庫區不但不能產生有效淤積，甚至可以實現前期淤積泥沙的部分沖刷；只有當遭遇大洪水時壩前壅水，才會產生有效淤積，這是鬧德海水庫在大洪水年份和大洪水間隔年份分別產生淤積和沖刷的主要原因。

2.2 水庫排沙期分析

為減少水庫全年蓄水后產生的泥沙淤積，延長使用壽命，根據自身運行實際及上游來水情況，考慮在汛期設置一定的泄空排沙期，主要由水庫泄空時間、空庫運行時間、回蓄尾水時間和庫水積淀澄清時間四部分組成，并考慮一定的風險預留時間。

2.2.1 泄空時間計算

泄空時間指在汛期正常運用條件下，調度決策將原有庫水放空所需的時間。考慮到放空調度令均在預報有大洪水來臨前下達，因此時間計算時除計算原有庫水泄空所需時間外，還應考慮相應時間內一定級別的入庫洪水流量。

根據鬧德海水庫泄空排沙方案［2］，當預報上游來水滿足泄空方案啟動條件時，水庫將原庫水全部泄空。依據現行洪水調度原則，即當入庫流量大于100m3/s，水庫全開泄流設備迎洪，擬定泄空庫水的初始條件為：水庫壩前水位為174.00m，相應庫容為920萬m3，入庫洪水平均流量為100m3/s，洪水持續時間為72h；在此條件下，水庫泄空庫水需9h，泄空時間在洪水持續時間之內，考慮全過程洪水的含沙量，整個洪水過程需全開閘門敞泄。

2.2.2 空庫運行時間分析與確定

為分析水庫空庫運行時間，需分析其汛期歷史場次洪水特點，包括其洪峰流量、洪量、洪水持續時間、含沙量過程與流量過程的同步關系等。現統計1988～2008年歷次洪水過程的洪水特征值，分析其特征與空庫運行必要性的關系，以確定合理的時間。

表2 不同場次入庫洪水特征值

由表2可以看出，14場洪水的平均洪量為3440萬m3，其中洪量值最大為18453萬 m3，最小為591萬m3；洪水的平均持續時間為7.12天，持續時間最長為15天，最短為2.5天。

由于所列洪水均為當年規模最大場次洪水，實際情況為水庫每年均有2～3次洪峰和洪量達到敞泄排沙條件的洪水發生，且入庫洪水過程與入庫輸沙率過程經常發生不同步現象，因此確定空庫運行時間為15天。

2.2.3 回蓄尾水和沉淀澄清時間分析

為保證水庫有效恢復供水，必須在洪水尾水段適時回蓄。分析歷史洪水發現，當洪水尾水段流量在10.0m3/s左右時含沙量達10～15kg/m3發生頻率較高，而流量在4.00m3/s以下時含沙量則迅速下降到3kg/m3以下，而水庫洪水陡漲陡落的特點使流量從10.0m3/s降至4.00m3/s所需時間較短，而卻產生較大的排沙效率。故擬定回蓄尾水日均流量為4.00m3/s，當壩前水位達到170.00m、相應庫容為366萬m3時可恢復供水，經計算其所需時間為11天。

水庫在流量為4.00m3/s開始回蓄尾水時，由于含沙量較低，一般只需庫水位達到170.00m時即可立即供水，基本不需要沉淀時間；當敞泄排沙后水庫上游發生較大含沙量的暴雨洪水，導致回蓄時間不足而在相對較大含沙量時回蓄洪水，必須經沉淀澄清才可達到供水濁度要求時，則需考慮一定的沉淀澄清時間。根據自來水壩上取水的濁度要求，一般平均所需時間為4天。

水庫敞泄運用時必然會產生一些事先難以預料的風險，如氣象和水文預報誤差導致水庫泄空，而上游并未發生相應規模洪水產生的風險等。為應對此類風險，必須在加強與相關部門溝通協調和提高調度人員業務能力的同時，考慮一定的預留時間。

2.3 排沙期確定

根據水庫排沙期各影響因素分析和計算成果，考慮泄空時間1天、空庫運行15天、回蓄尾水至供水水位11天、庫水沉淀澄清和風險預留時間4天，確定排沙期時間為31天。

3 供水影響分析

水庫敞泄運用是控制庫區泥沙淤積的有效措施，確定排沙期是敞泄運用具有可操作性的前提。設置排沙期對阜新市工業、生活用水和七家子水庫供水的影響主要表現在供水量和供水保證率兩個方面。考慮水庫排沙運用影響其供水保證率，故在鬧德海水廠建設時設置壩下取水設施，即因水庫泄空排沙而不能在壩上取水時，可以用壩下取水設施取水以保障各用水戶用水需求。由于這種取水方式成本較高，所以作為非常時刻的備用措施。

當發生壩下取水設施故障而不能取水的極小概率事件，根據有兩個以上水源供水的城市供水保證率確定原則［3］，當鬧德海水庫水源不能供水時，白石水庫水源可以滿足用水戶消防和生產緊急生活用水及一定數量的生活用水需要［4］。

因此，排沙期的設立對水庫供水量和供水保證率沒有任何影響，只是增加了取水費用。

4 結論

經統計分析鬧德海水庫歷年庫容變化情況，水庫庫區呈現大洪水年淤積，中小洪水年沖刷的規律，由于2001年后入庫水沙量較小，水庫庫容淤損率保持在23%左右。

針對水庫長期保持77%有效庫容的運行實際［5］，研究排沙期確定的關鍵-空庫運行時間，進而確定整個排沙期所需時間，為敞泄排沙運用提供操作依據。

分析了新提出的敞泄排沙期對鬧德海水庫供水效益的影響，表明在水庫敞泄排沙運用時，可以通過壩下取水保證阜新市和七家子水庫用水需求。

［1］冮行久.阜新地區河流泥沙狀況分析［J］.東北水利水電，2008（01）： 52-54.

［2］張立武.基于中小規模洪水的鬧德海水庫泄空排沙減淤方案研究［J］.吉林水利，2016（09）：4-6.

［3］周之豪，沈曾源，施熙燦，等.水利水能規劃（第二版）［M］.北京：中國水利水電出版，1997.

［4］劉素君，張璞.遼寧省白石水庫水源防治與保護對策［J］.吉林水利，2003（07）：17-19.

［5］陳瑞，沈英浩，張國輝.鬧德海水庫水沙特性分析［J］.水利水電技術，2004（05）：129-130.

TV145

B

1672-2469（2017）10-0064-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.018

2017-03-22

張立武（1985年-），男，工程師。