利用異重流在極端天氣下改善水庫泥沙淤積問題研究

摘要：為實現水庫可持續利用，減少水庫泥沙淤積，同時解決極端天氣下我國水庫城市供水問題，通過對異重流排沙與渾水水庫排沙兩種排沙方式進行比較分析，提出了異重流和渾水水庫聯合排沙的方式來導引入庫渾水排出，同時縮短入庫渾水滯庫時間，并指出該方式在水庫排沙實際運用中的幾點建議。

關鍵詞：泥沙淤積；極端天氣；異重流排沙；渾水水庫排沙

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2018）07-0225-01

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.138

Research on using reservoir to improve reservoir sedimentation environment

Yang Peifang

（Sichuan University， Chengdu Sichuan 610065，China）

Abstract ： In order to realize the sustainable utilization of reservoirs， reduce the siltation of reservoirs， and solve the problem of water supply for reservoirs in China during extreme weather， a comparative analysis of the two types of sand discharge methods： gravity flow sediment discharge and waste water discharge from the Tangshui Reservoir is proposed. The combination of gravity flow and the Yushui Reservoir combined with sand draining led to the introduction of muddy water discharge， while shortening the time for delaying storage of muddy water， and pointed out some suggestions for the practical application of this method to the reservoir.

Key words： Sedimentation；Extreme weather；Different gravity flow discharge sand；Lishui reservoir drainage

我國各河流水庫泥沙淤積環境問題突出。河流含沙渾水注入水庫，由于水庫水體體積巨大且比較穩定，含沙渾水進入水庫后，流速迅速減小，挾沙能力迅速減弱，這就導致入庫渾水挾帶的泥沙顆粒逐漸沉積最后淤積到水庫底部。泥沙淤積導致水庫有效庫容減少，并且縮短了水庫使用壽命。減少水庫泥沙淤積，實現水庫可持續利用意義重大。

我國臺風、大暴雨等極端天氣頻繁，極端天氣伴隨著的強降雨會造成大量較高濃度的含沙渾水進入水庫，導致水庫水體渾濁，入庫渾水挾帶的泥沙淤積在水庫底部，十分影響水庫的供水以及發電等功能的發揮。水庫作為城市供水的主要來源之一，在極端天氣下，水庫水處理的成本和難度均會增加，導致城市供水中斷，居民生活用水無法保障，給城市居民的生活帶來極大的不便。因此，研究極端天氣情況下導引入庫渾水排出的措施是十分必要的。

1 異重流排沙方式

不同比重且相互接觸的流體因比重差異相對流動的現象為異重流現象。具體來講，異重流是指一種流體沿著其與其他流體交界面的方向流動但不與其他流體發生大面積混摻的現象。而水庫異重流是指較高濃度的含沙渾水注入水庫水體后在水庫底部產生的異重流現象。

異重流排沙是有效減少水庫泥沙淤積的一種方式，即使較高濃度的含沙渾水進入水庫后以異重流的形式沿著水庫底部持續運動到壩前，再經由泄水口將挾帶泥沙的入庫渾水排出水庫。在極端天氣情況下，采用異重流排沙方式不僅可以達到減少水庫泥沙淤積的目的，還可以縮短渾水滯庫時間，保證水庫供水等功能的正常發揮。

1.1 異重流的形成條件

異重流的形成要求不同流體之間可以相互混合，并且不同流體的比重不能相差過大。在水庫中，水庫水體的體積巨大而且流速很小，極端天氣條件下，較高濃度的含沙渾水進入水庫庫區后，流速會迅速減小，挾沙能力迅速減弱，較大顆粒的泥沙就會淤積在水庫進口底部。同時，含有剩余較細泥沙顆粒的渾水因與庫區水體的比重差異而潛入水庫的底部，形成水庫異重流。水庫異重流開始形成的標志即為潛入點。由范家驊[1]進行的室內水槽試驗，可知異重流形成條件判別式為：

1.2 異重流的運動特性

利用異重流排沙必須保證異重流在形成之后能夠持續運動到壩前，由于異重流在流動過程中需要克服各種阻力產生能量損耗，那么異重流在形成時所具有的能量必須高于其在流動過程中的能量損耗。異重流的阻力通常用異重流平均阻力系數來表示。該系數的公式[2]為：

上式中，J為河底比降，ue為異重流流速，為異重流厚度沿程變化，Re為異重流濕周。

1.3 異重流的挾沙能力

異重流的挾沙能力關系著在異重流流動過程中入庫含沙渾水中泥沙的沉積量，關系著異重流排沙的效果，十分重要。

2 渾水水庫排沙方式

當入庫渾水沿著水庫底部以異重流的形式持續運動到壩前但是異重流的排出受阻或者部分受阻時，就會出現渾水滯庫現象。在庫區清水水體下面產生渾水體，渾水的水位不斷地升高，清渾水的界面自然也不斷升高，形成渾水水庫。

渾水水庫排沙也是減少水庫泥沙淤積的一種方式。極端天氣下，較高濃度的含沙渾水進入水庫后潛入庫底，以異重流的形式沿著水庫底部持續運動到壩前，這時將泄水口關閉或者部分關閉，阻礙渾水異重流的排出，形成渾水水庫。在渾水水庫的渾水體中，少部分相對較大的泥沙顆粒沉降比較快，而大部分較小的泥沙顆粒沉降速度很慢。[3]然后，再通過泄水口排出水庫底部的渾水水體，即為渾水水庫排沙。

渾水水庫排沙與異重流排沙相比，其優勢在于在極端天氣下能夠保證在較長的時間內以及在較高濃度的入庫渾水停止流入水庫后，依然能夠保持較高濃度地排沙，實現減少水庫泥沙淤積的目的。因此渾水水庫排沙比異重流排沙方式節約用水，但用時較長。

3 結論及建議

異重流排沙和渾水水庫排沙兩種方式均可實現減少水庫淤積的目的，但各有優劣。采用異重流排沙方式會導致水庫庫區大量的水被排出，造成庫區蓄水的損耗。渾水水庫排沙方式節約用水，但渾水水庫排沙方式不直接將運動到壩前的入庫渾水排出，而是形成渾水水庫，在實際應用中不容易控制渾水水庫下部的渾水體，若清渾交界面的位置較高，渾水水庫中的渾水體所占體積過大則會影響水庫的供水功能[4]。

因此，宜采用異重流和渾水水庫聯合排沙的方式導引入庫渾水。在暴雨等極端天氣情況下，第一階段進入水庫的含沙渾水濃度相對較高時，采用異重流排沙方式，為避免提前形成渾水水庫，應使排出渾水流量稍大于入庫渾水流量。第二階段入庫渾水濃度相比第一階段較低，采用渾水水庫排沙方式，宜將渾水水庫清渾交界面的高度控制在較低的水平，渾水體上部的庫區清水體可以實現正常向城市供水。異重流和渾水水庫聯合排沙方式結合了兩種排沙方式的優勢，既可以減少水庫泥沙淤積，實現水庫可持續利用，又可以在極端天氣情況下縮短入庫渾水滯庫時間，保證水庫正常向城市供水，還減少了排沙過程中水庫的水量損失。

另外，異重流排沙和渾水水庫排沙都是十分復雜的問題，入庫渾水的流量、含沙量、持續時間、排出渾水的流量以及水庫的具體情況等都會影響異重流的持續運動、挾沙能力和渾水水庫清渾交界面的高度，進而影響到排沙的效果和渾水滯庫的時間。因此，第一，若要采用異重流和渾水水庫聯合排沙方式減少水庫淤積，必須完善水庫的監測系統。該系統應當能夠監測水庫異重流的入庫、流動和排出過程中的各項數據，包括異重流的速度、濃度等。第二，應用異重流的形成條件、挾沙能力等相關計算公式以及渾水水庫計算模型，清渾水體交界面的確定等必須要以各水庫的實測資料和具體情形為基礎。第三，對于異重流排沙和渾水水庫排沙的銜接問題，應當通過水庫實地觀測或者模擬實驗方式作進一步的研究，在實踐中探尋最佳時機。

參考文獻

[1]范家驊.關于水庫渾水潛入點判別數的確定方法[J].泥沙研究，2008（01）：74-81.

[2]唐海東.水庫異重流排沙的研究與實踐[J].水科學與工程技術，2009（02）：42-45.

[3]陳景梁，付國巖，趙克玉.渾水水庫排沙的數學模型及物理模型試驗研究[J].泥沙研究，1988（01）：77-86.

[4]許繼軍，陳進，陳廣才.長江上游大型水電站群聯合調度發展戰略研究[J].中國水利，2011（04）：44-45.

收稿日期：2018-05-08

作者簡介：楊佩芳（1998-），女，本科在讀，研究方向為土木工程。