陜西省多泥沙河流供水水庫運行方式研究

郭世興 劉斌

摘要：供水水庫為現代社會經濟持續穩定發展提供水源保障，其效益的發揮直接取決于庫容的大小，而泥沙淤積是導致水庫庫容損失的根本原因。針對陜西省多泥沙河流的水沙特性，通過對多年來水庫實際運行情況的調查分析，結合近20a供水水庫的開發運行方式總結，提出了供水水庫采用蓄水運用、蓄清排渾、引干入支等開發運行方式的判別條件。結合工程實例，驗證從含沙量、庫沙比、水沙特性及庫容系數等參數總結的供水水庫運行方式判別條件的合理性。

關鍵詞：多沙河流；供水水庫；運行方式；判別條件

中圖分類號：TV697.1 文獻標志碼：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庫，河流天然的水沙平衡狀態被破壞，庫區流速與挾沙力的降低導致大量泥沙淤積[1]。陜西黃土高原地區水土流失嚴重，河流枯水期流量小，洪水期攜帶泥沙多，水少沙多、水庫淤積等問題突出。據陜西省1991年調查資料統計，已建的296座小（1）型以上水庫累計淤積量為11.74億m3，庫容淤積損失率為28.79%（其中：5座大型水庫共淤積2.70億m3，淤積損失率為21.87%； 62座中型水庫共淤積6.67億m3，淤積損失率為32.57%；229座小型水庫共淤積2.37億m3，淤積損失率為29.78%）。自198一年以來，全省因淤積而廢棄的小（1）型水庫有29座，共淤廢庫容0.62億m3，分布在河流含沙量高、水土流失嚴重的榆林、延安地區[2]。水庫淤積導致水庫庫容損失，增加水庫的建設成本，增大壩址的選擇難度，降低水庫功能效益，加重維護成本和病險發生概率，影響水庫壽命和運行安全等，不利于社會發展與和諧[3]。近20a來，隨著關中城市群及陜北能源化工基地的建設和人民生活水平的提高，以城鎮生活、工業供水為主的供水水庫建設進入高潮。由于供水水庫要求供水保證率高，水庫長年處于供水運行狀態，泥沙淤積問題更加突出，因此在積極進行水庫流域范圍水土保持工作的同時，按照河流水沙特性、工程任務和建庫條件等，研究制定多泥沙河流供水水庫合理的開發運行方式、保證水庫持續正常使用對水庫建設和管理具有重要意義。2陜西省多沙河流的水沙特征

（1）水沙年內分配不均，年際變化大。陜西省受大陸性季風氣候和地形的影響，降水量時空分布不均，且降水多以暴雨形式出現。根據關中和陜北各主要河流水文站的水沙統計結果（見表1），汛期（7-9月）徑流量占全年水量的50%左右，汛期沙量占全年輸沙量的86%～96%；陜北地區直接匯入黃河的河流和徑河的多年平均含沙量為126～262kg/m3，汛期含沙量達242～357kg/m3，其他河流汛期含沙量是年平均含沙量的一倍以上。故河流的水沙過程主要集中在汛期，且輸沙量比徑流量更集中，汛期入庫泥沙是水庫淤積的主體[4]。對于陜西省1萬km2以下的河流，水沙過程基本同步，同豐同枯，且洪峰的變化梯度大于沙峰，若水庫汛期運行方式合理，大量泥沙可排出庫區，延長水庫的使用壽命。

以延河安塞站為典型，分析河道的水沙年際分配規律，年最大徑流量為8551萬m3，年最小徑流量為2245萬m3，最豐年徑流量是最枯年的3.8倍；最大年輸沙量為3 688萬t，最小年輸沙量為47萬t，最大年輸沙量是最小年的78.5倍。因此，河流的水沙年際豐枯變化大，輸沙量比徑流量變化更加突出。

（2）水流含沙量高，細顆粒多。泥沙顆粒是反映泥沙力學特性與泥沙運動狀況的主要因素，影響河道演變和泥沙運動形式[5]。據陜西省關中和陜北高含沙河流水文站實測懸移質粒徑級配統計（見表2），陜北人黃河流（含沙量S>100kg/m3）的泥沙顆粒較粗，按文獻[6]顆粒分類，粉粒占27%～33%，細沙占47%～60%；其次為洛河泥沙（S=91kg/m3），粉粒占56%，細沙占31%；徑河從上游張家山站到下游景村站泥沙顆粒逐漸細化，但顆粒組成仍以粉粒和黏粒為主。顆粒細、沉速小、河床比降陡時有利于異重流排沙，但細顆粒淤積后孔隙率小且易板結，難沖刷。

3 供水水庫運行方式研究

3.1 供水水庫運行特點

供水水庫指解決城鄉居民生活、工業和公共設施與環境用水的水利樞紐工程，要求保證率不低于95%，水庫徑流、洪水調節應考慮泥沙淤積影響[7]。由于供水水庫要持續保證供水的連續性，因此蓄豐補枯需要的興利庫容大，運行水位高，即使特枯年份枯水時段也要保證70%的正常供水量。

多沙河流上的供水水庫，當水庫汛期低水位運行時有利于庫區排沙，減少淤積，但會損失部分水庫效益，且存在汛后無水可蓄的風險；當高水位運行時效益較大，但會增加庫區淤積。其運行方式的最大特點是不僅要對水量進行調節，而且要對沙量進行調節，目的在于權衡水庫供水與排沙的矛盾，平衡水庫近期與遠期效益的關系。

3.2 運行方式和判別條件

針對陜西省多沙河流輸沙量大、汛期水沙量集中、泥沙顆粒細等特點，除設計足夠大的泄流排沙規模外，擬定合理的水庫運行方式對泥沙淤積控制至關重要。通過分析陜西省多沙河流供水水庫的庫容、供水量及河流的水沙特征等指標與水庫運行方式的關系，提出水庫運行方式的初步判別條件（見表3），按照多沙河流水庫蓄水運用和蓄清排渾的運行方式分述如下。

3.2.1 蓄水運用

新中國成立初期，我國修建的水庫大都采用蓄水運用，多沙河流上水庫淤積嚴重。如1958年開工建設的黃河中游青銅峽水庫蓄水運用5a，庫容損失達86%，水庫平均年淤積率（年平均淤積量與總庫容之比）達17%[8]。雖然蓄水運用存在淤積嚴重，初期庫容大、投資大，逐步抬高汛限水位運行時上部庫容閑置時間長等缺點，但是陜西省在水土流失嚴重而水資源供需矛盾突出的地區，當水庫的庫沙比Kt>60且含沙量S<30kg/m3時，均采用蓄水運行方式來解決當地的供水問題。

3.2.2 蓄清排渾運用

蓄清排渾指在來水來沙較多的汛期降低壩前水位運用，在來沙較少的非汛期蓄水興利的調度方法[9]。由于有一定的泄空排沙期，因此細顆粒泥沙來不及大量沉積被水流攜帶排出，有利于形成長期庫容[10]。蓄清排渾是一個原則框架，對于不同河流和水庫實際情況，需要進一步優化和調整，才能夠在最大限度保障水庫長期利用的前提下，也最大限度地發揮水庫的綜合效益。陜西省各地黃土覆蓋厚度和泥沙組成差異大，河流來水來沙量、水庫開發任務及建庫條件等均不同，多沙河流上目前已建和在建的大型供水水庫主要采用蓄清排渾運用，但排沙措施各不相同。依據不同水沙及庫容等條件，按照表3統計分析的水庫運行方式判別因子，初步確定水庫的運行方式，保證水庫既能獲得較高的供水效益，又能延長水庫使用壽命。

（1）泄空（或滯洪）排沙加反調節水庫。滯洪排沙指水庫在小洪水時不蓄洪攔沙，在大洪水時滯留部分洪水，使細顆粒泥沙排出庫外、粗顆粒泥沙落淤庫內的運行方式[11]。其排沙率高，但泄空運用時無法保證供水，因此需要配套反調節水庫或與其他水庫進行聯合調度。當汛期徑流量/全年徑流量>0.5且汛期輸沙量/全年輸沙量>0.8，同時有地形條件修建反調節水庫時，采用泄空（或滯洪）排沙加反調節水庫運行方式。

（2）上攔下蓄運行。當供水水庫Kt<30且水沙集中在汛期，而水庫周圍沒有修建反調節水庫的條件時，從控制泥沙入庫的角度，除完成流域內水土保持規劃外，可在庫區上游主要產沙區的溝道修建攔泥壩（上攔），而下游供水水庫進行徑流調蓄（下蓄）；或者考慮攔泥壩淤積面逐年抬高，在壩體內分層敷設無沙濾管收集入滲清水，匯流到集水豎井內直接給下游供水。

（3）引干入支。當干流水量豐沛而無建庫條件且水沙豐枯變化劇烈、而鄰近支流含沙量小且庫容系數（興利庫容與壩址徑流量之比）大于1.0時，可在干流修建低壩引水樞紐，通過隧洞把干流含沙量小的徑流引入支流水庫調蓄，通過支流水庫供水，滿足干流含沙量大無法引水時的供水要求。

4 工程實例

4.1 蓄水運用實例

王圪堵水庫是榆林市橫山縣境內無定河中游一座以供水、攔沙為主，兼顧灌溉等綜合利用的大（2）型水利樞紐工程，庫沙比為101（>60），入庫含沙量為14kg/m，（<30kg/m3），采用蓄水攔沙運用方式。設計運用期為60a，水庫可攔沙1.91億m3，同時為工業供水1.56億m3/a、為下游0.97萬hm2灌區補水4440萬m3/a[12]。

陜西省徑河支流上擬建的紅巖河水庫河流含沙量23kg/m3且庫沙比為85，符合蓄水攔沙運用方式，30a后正常蓄水位下剩余庫容3721萬m3，多年平均供水量2127萬m3，同時攔泥2398萬m3。

4.2 蓄清排渾運用實例

王瑤水庫位于延河支流杏子河上，是保證下游延安市防洪安全的水利樞紐，水庫庫沙比為24，汛期徑流量占全年的55%，輸沙量占全年的86%。1972年下閘蓄水后，先后采用蓄洪攔沙、蓄洪排沙、空庫排沙等運行方式，截至1996年年底累計淤積量占總庫容的48.8%。1997年其作為唯一地表骨干水源蓄水運用給延安市供水，水庫淤積嚴重，到2001年年底累計淤積量占總庫容的56.7%，嚴重影響到王瑤水庫的使用壽命和延安城區的防洪及長遠供水安全。根據杏子河的水沙特性，調整王瑤水庫7-8月為敞泄排沙運行，2006年在下游河莊坪支溝建成總庫容953萬m3的紅莊水庫進行反調節，保證王瑤水庫敞泄期的城市供水，運行效果良好。

在建的黑河亭口水庫庫沙比為20，汛期徑流量占全年的50%，輸沙量占全年的84%。采用汛期7-8月入庫流量大于30m3/s且含沙量大于50 kg/m3時敞泄排沙，下游支溝修建700萬m3的中源溝反調節水庫，將豐水年亭口棄水（S<8kg/m3）抽人反調節水庫調蓄，作為亭口水庫排沙期或其他時段供水量不足時的補充水量，有效解決彬長礦區煤、電、煤化工項目的水源問題，同時向彬縣、長武縣城供水[13]。

王瑤水庫和黑河亭口水庫的水沙和地形條件符合泄空排沙加反調節水庫運行條件。

擬建的陜西省吳起縣玉皇廟水庫，壩址河流平均含沙量388kg/m3，111.0萬m3渾水徑流中清水為96.3萬m3，水庫庫沙比為11。在壩址上游正溝、官畔溝布置2座碾壓式骨干壩，采用塔式放水建筑物，布置高低兩個進水口，放水口高程高于下游水庫正常蓄水位，通過消力池與下游河道連接。洪水期骨干壩關閘，滯洪和沉淀泥沙后下泄清水到下游水庫，年供水量63.6萬m3。

陜西省延川縣1973年在清澗河支流永坪川修建的寒沙石中型水庫按蓄清排渾方案使用，水庫庫沙比為25。因汛期洪水全部排泄拉沙而汛后水量小，難以滿足農業灌溉和煉油廠的生產用水要求。從1977年起，在寒沙石水庫上游修建了一批攔泥壩，將泥沙攔蓄在上游攔泥壩內，再用臥管涵洞將清水排人下游寒沙石水庫。根據觀測資料分析，寒沙石水庫泥沙淤積量由1973年的150萬m3/a降低到1986年的4萬m3/a，同時保證了正常供水。

玉皇廟水庫和寒沙石水庫的庫沙比Kt<30，水沙集中且不具備建反調節庫的地形條件，采用上游水庫滯洪攔沙、下游水庫蓄水興利的運行方式，水資源利用率高。

陜西省延安市黃陵縣南溝門水庫位于洛河支流葫蘆河上，庫區植被良好，多年平均含沙量為12.3kg/m3，庫容系數為1.35。干流洛河多年平均含沙量為196kg/m3（汛期平均含沙量為398kg/m3），且該河段無建水庫條件。為滿足延安石油化工基地用水與城鄉生活需水，改善當地灌溉條件，在洛河干流馬家河修建無調蓄作用的引水樞紐，通過6.12km引洛人葫輸水隧洞將洛河干流質量含沙量小于3%（混合含沙量31kg/m3）的徑流引入南溝門水庫進行調蓄。南溝門水庫符合引干人支運行條件，引用洛河非灌溉期的流量10m3/s（馬家河斷面年徑流量為3.46億m3）與南溝門壩址的徑流量（1.34億m3/a）進行調節，滿足工業及城鎮生活總需水1.06億m3和農灌補水0.5億m3的要求。

5 結論

供水水庫蓄水興利固然重要，但對于多沙河流上的水庫，要根據河流的水沙特性、建庫條件、工程任務等，制定合理的水庫運行方式，協調供水與排沙的矛盾，保證水庫既能獲得較高的供水效益，又能延長水庫使用壽命。針對陜西省多沙河流上供水水庫的水沙特性和總結的供水水庫運行方式判別條件，結合工程實例驗證了蓄水運用、蓄清排渾等運行方式判別條件的合理性。本次僅從河流含沙量、庫沙比、水沙特性及庫容系數等參數總結了供水水庫運行方式的初步判別條件，具體的水庫運行方式還要考慮地形地質條件、淹沒損失、工程投資等經濟技術指標進一步研究確定，保證水庫滿足長期供水需求，同時維持水庫泥沙多年沖淤平衡狀態，延長水庫使用壽命，充分發揮水庫的興利功能。

參考文獻：

[1]韓其為.水庫淤積[M].北京：科學出版社，2003；5.

[2]巨安祥.陜西水庫淤積現狀與對策[J].陜西水利，1992（5）：33-35.

[3]劉孝盈，昊保生，于琪洋，等.水庫淤積影響及對策研究[J].泥沙研究，2011（6）：37-40.

[4]朱鑒遠.水利水電工程泥沙設計[M].北京：中國水利電力出版社，2010：149.

[5]封光寅.河流泥沙顆粒分析原理及方法[M].北京：中國水利電力出版社，2008：2.

[6]中華人民共和國建設部.土的工程分類標準：GB/T50145-2007[S].北京：中國計劃出版社，2008：6.

[7]中華人民共和國水利部.水利工程水利計算規范：SL 104-2015[S].北京：中國水利水電出版社，2015：21.

[8]涂啟華，楊賚斐.泥沙設計手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006：13.

[9]曹慧群，李青云，黃茁，等.我國水庫淤積防治方法及效果綜述[J].水力發電學報，2013，32（6）：183-187.

[10]水利部西北水利科學研究所.中小型水庫設計與管理中的泥沙問題[M].北京：科學出版社，1983：204.

[11]中華人民共和國水利部.水利水電工程管理技術術語：SL 570-2013[S].北京：中國水利水電出版社，2014：29.

[12]陜西省水利電力勘測設計研究院.陜西省榆林市王屹堵水庫工程初步設計報告[R].西安：陜西省水利電力勘測設計研究院， 2011：3-6.

[13]郭世興，徐安軍.多泥沙水庫調節分析與運行方式研究[J].陜西水利，2009（4）：107-109.