“庫中庫”泥沙清淤技術在西北干旱缺水地區(qū)的適用性技術探討

楊順剛

(新疆克孜爾水庫管理局，新疆 拜城 842313)

1 水庫泥沙淤積概況

克孜爾水庫自1991年下閘蓄水以來，泥沙淤積問題十分嚴重。2017年實測淤積總量3.2億m3，其中：死庫容淤積1.286億m3，占死庫容的98.94%，興利庫容淤積1.91億m3，占興利庫容的40.2%；正常高蓄水位1149.6m以下淤積3.2億m3，庫容損失52.92%(見表1)。水庫運行20多年來，雖然采取了異重流排沙、低水位渾水排沙、導流堤與排沙渠聯(lián)合輔助排沙等排沙措施，但從1992年以來水庫年入庫沙量和出庫沙量分布圖(如圖1所示)看，排出的沙量與入庫沙量相比，僅占14.5%，大量泥沙仍淤積在庫內(nèi)。

表1 克孜爾水庫原初設特征水位泥沙淤積統(tǒng)計表

2 渭干河流域水沙特性

克孜爾水庫多年平均入庫年徑流量26.2×108m3， 多年平均含沙量約4.46kg/m3，多年平均懸移質(zhì)輸沙總量約1318.42×104t，入庫水、沙量在年內(nèi)的分配主要集中在汛期6—9月，汛期水量占年水量的58.3%、沙量占年沙量的90.0%，輸沙量及含沙量年內(nèi)分配極不均衡。

3 水庫清淤存在的主要問題

3.1 泥沙淤積體量大，機械清淤成本高

挖掘機配以拖拉機、載重汽車清淤雖然是一種直接、實效的方法，但只適合旱地小范圍作業(yè)；挖泥船清淤機動性好，取料濃度大，耗水量少，但適合水深較淺的平原水庫，不適用于深水水庫大規(guī)模清淤作業(yè)，且所需外加動力較大；目前，克孜爾水庫的泥沙淤積總量達3.2億m3，無論運輸機械或挖泥船，清淤成本都非常高。

3.2 與下游平原水庫聯(lián)調(diào)難度大，低水位清淤實施難度高

克孜爾水庫干流和庫區(qū)地形復雜，存在河道擴展、直流彎曲、匯流等現(xiàn)象，削弱了干流異重流的行進能量，障礙了異重流向排沙建筑物行進；低水位或空庫沖沙是指滯洪期間庫區(qū)水流保持一定流速，細顆粒泥沙來不及大量沉積就被水流帶至壩前而排出庫外，而克孜爾水庫下游雖有五一和躍進兩座平原水庫，但由于流域內(nèi)3座水庫隸屬關系不同，實行聯(lián)合調(diào)度后如何實行水量再分配，如何打破傳統(tǒng)的分水比例涉及各方利益，協(xié)調(diào)實施難度大，所以克孜爾水庫汛期低水位清淤實施難度高。

圖1 克孜爾水庫年入庫與出庫沙量柱狀分布圖

3.3 汛期低水位運行影響灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉

為使水庫低水位運行，根據(jù)水庫目前的運行方式，每年5月下旬—6月中旬棉花播前水將無法調(diào)蓄，此外，6月中旬開始的棉花灌溉高峰期，若無水量補給，實施空庫運行后，上游河道來水較少時無法滿足灌溉需求，勢必影響下游灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉。

4 “庫中庫”泥沙處理技術的基本原理

“庫中庫”泥沙處理技術主要原理是將庫區(qū)隔離成“內(nèi)庫”區(qū)和“外庫區(qū)(如圖2所示)，兩者通過橡膠壩或者閘門進行連通，其主要原理是通過“內(nèi)外庫”聯(lián)合調(diào)度的方式確保汛期“外庫”空庫運行進行水力沖淤；其主要構(gòu)想是“內(nèi)庫”采用自吸式管道清淤等成本低、效果好的清淤技術將淤積泥沙排出庫外，使其成為永久庫容，“內(nèi)庫”水量主要用于灌溉補給，“外庫”汛期入庫洪水超過下游河道的安全泄量時才攔洪，平時不調(diào)蓄，利用汛期河道流量大、流速高的特點進行空庫沖沙；其主要運行方式是非汛期“外庫”水位高于“內(nèi)庫”水位，“內(nèi)庫”蓄水；汛期“外庫”實現(xiàn)空庫沖沙，將當年入庫沙量排出，并逐步恢復“外庫”庫容，當天然來水不足無法滿足灌溉需求時由“內(nèi)庫”補水確保灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉；其主要目的是解決機械清淤成本大，空庫沖沙影響灌區(qū)灌溉以及如何防止清淤后再度淤積等技術難題。

圖2 克孜爾水庫“庫中庫”清淤布置示意圖

5 “庫中庫”泥沙處理技術的主要優(yōu)點

5.1 “內(nèi)庫”清淤后不會再產(chǎn)生新的淤積，保持永久庫容

根據(jù)懸沙運動的紊流擴散理論，泥沙濃度沿垂向分布不均，表層水流泥沙含量低，而底層含量則相對較高，“庫中庫”泥沙處理技術方案因“內(nèi)庫”與“外庫”彼此隔離，汛期“內(nèi)外庫”聯(lián)合調(diào)度時，表層水流進入“內(nèi)庫”，而底層泥沙含量高的水流則從“外庫”經(jīng)排沙涵洞排至庫外，因此，“內(nèi)庫”不會產(chǎn)生新的回淤，可以保持永久庫容。

5.2 “庫中庫”模式可以減小清淤對農(nóng)業(yè)灌溉的影響

根據(jù)近幾年水庫實際運行情況：每年4月5日左右水庫基本處于空庫運行狀態(tài)，一直持續(xù)到4月25日才關閘蓄水，5月10日開始進行小麥二水灌溉，5月25日開始關閘蓄水，6月10日開始棉花頭水灌溉。

從4月25日空庫開始，截至到6月10日，根據(jù)河道多年平均來水量預測，進庫水量20180萬m3，灌區(qū)需水量12116萬m3，水庫實際蓄水量8064萬m3，按照“庫中庫”設計思路，該部分水量全部存放在“內(nèi)庫”中，6月中旬開始用天然河道來水進行灌溉，即“外庫”以敞泄的方式運行，灌溉不足水量可以由“內(nèi)庫”補給，因此“外庫”空庫沖沙對灌區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉影響較小。

5.3 “庫中庫”模式可以提高空庫沖沙效果

5.3.1“內(nèi)庫”壩體可以改變“外庫”水流流向，起到導流排沙作用

克孜爾水庫泄洪排沙洞由施工期的導流洞改建而成，初設時為了盡可能考慮到泄流排沙建筑物良好的抗震條件，排沙洞底孔在平面上布置于河道左岸，從庫區(qū)原河道流勢看，排沙涵洞不處于主河床上，與排沙流路不吻合，從而影響排沙效果。

庫中庫模式的“內(nèi)庫”壩體不僅僅是擋水，而且同時可以起到導流排沙的作用，“內(nèi)庫”壩體布局的優(yōu)劣直接影響水庫蓄水和排沙效果。為增加排沙效果，充分利用“內(nèi)庫”壩體將干支流主流導向排沙洞前，可以通過模型試驗研究“內(nèi)庫”壩體的最優(yōu)布置方式，從而徹底改變初設排沙涵洞設計布置缺陷。

5.3.2“內(nèi)庫”壩體可以束窄“外庫”河床寬度，提高水流流速

通過修建“內(nèi)庫”壩體，將“外庫”河床沿寬度方向進行人工壓縮，可以增大水流速度，從而使沖沙效果更加顯著。

5.3.3汛期天然來水流量大、流速高、沖沙時間長，“外庫”空庫沖沙效果明顯

2017年從4月10開始將閘門提空，水庫初次進行空庫沖沙，一直持續(xù)到4月22日，空庫運行14天，出庫流量維持在36.86m3/s左右，根據(jù)水文監(jiān)測資料表明：水庫敞泄期間上游進庫沙量2.19萬噸，出庫沙量248.78萬t，水庫實際清淤246.59萬t，平均排沙比在44386%左右，空庫排沙量占全年排沙量660萬t的37.69%。平均懸移質(zhì)輸沙率達2057kg/s，最大達到6440kg/s。

2018年的空庫運行時間從4月5日開始，一直持續(xù)到4月25日，出庫流量在30.43m3/s左右，根據(jù)監(jiān)測資料表明，空庫沖沙時間21d，進庫泥沙總沙量0.36萬t，出庫泥沙總量91.59萬t，水庫清淤約91.23萬t，平均排沙比為22316%左右，空庫排沙總量占全年總排沙量173.08萬t的52.92%，出庫平均輸沙率825.76kg/s，最大僅為1470kg/s。

2019年空庫沖沙時間從4月6日至4月24日，總共持續(xù)時間19d，平均出庫流量45.9m3/s，進庫泥沙總量0.547萬t，出庫泥沙總量407.239萬t，實際清淤406.692萬t，排沙比在74450%左右，空庫運行排沙量占全年總排沙量460萬t的88.5%，平均懸移質(zhì)輸沙率達2480kg/s，最大達到8990kg/s。

從2017—2019連續(xù)3個年度的空庫運行資料表明：沖沙流量越大，排沙比越高、輸沙率越大。2019年的排沙比、輸沙率遠遠大于2018年，主要原因是2019年的沖沙平均流量45.9m3/s左右，而2018年4月的沖沙平均流量則在30.43m3/s左右。

若將沖沙時間放在汛期，河道天然來水多年平均流量均在100～180m3/s附近，遠遠大于4月份的進庫流量30～45m3/s，水流流速增大，且空庫沖沙時間將大大延長，根據(jù)有關研究資料表明：當汛期低水位排沙時間為 40d 時，其排沙量為 913.75萬t，基本可使汛期入庫泥沙全部排出庫外，維持水庫現(xiàn)有庫容不再變化；當?shù)退慌派硶r間在 47d 時，其排沙量為 1073萬t，同時非汛期拉排量為 9.8萬t，二者之和為 1083萬t，則可保持水庫全年進出庫泥沙總量持平；而當?shù)退慌派硶r間為 50d 時，其排沙量為 1142.19萬t，不僅解決了汛期入庫泥沙出庫問題，同時排沙量比多年平均年入庫泥沙總量1083×104t 多出 59.19×104t；水庫死水位對應庫容將在 2049年得到恢復[1]。由此可見，汛期空庫沖沙效果非常顯著。

5.4 “外庫”空庫水力沖沙減小清淤成本

經(jīng)了解，挖掘機配合自卸汽車清淤費用在13元/m3左右，而最便宜的自吸式管道清淤費用也在8元/m3左右，克孜爾水庫的淤積量達3.2億m3，機械清淤費用非常高，但由于汛期河道來水量大，沖沙持續(xù)時間長，若“外庫”汛期實現(xiàn)空庫沖沙，可以大大減小清淤成本。

5.5 “庫中庫”模式不會影響水庫的防洪功能

克孜爾水庫防洪高水位1151.89m，汛限水位為1145.75m，設計防洪庫容為2.64億m3，汛期兩庫同時參與防洪運用，“外庫”空庫迎洪，只有在入庫洪峰流量大于下游安全泄量750m3/s時，水庫才參與攔洪，此時，因“外庫”空庫運行，防洪高水位1151.89m以下的庫容均可參與攔洪，實際防洪庫容與設計相比將增加1億m3左右(按2017年的水位庫容曲線計算)，將極大地增加水庫的調(diào)洪能力，確保下游的防洪安全。

6 “庫中庫”泥沙處理技術存在的主要技術問題

6.1 發(fā)生大洪水或特大洪水時仍有大量泥沙淤積在庫內(nèi)

根據(jù)水庫調(diào)度規(guī)程，入庫流量大于安全泄量750 m3/s， 即Q天然>Q下游安全，在庫水位低于防洪高水位1151.89m時，按安全泄量750 m3/s下泄，在遭遇大洪水(如2016年40年一遇洪峰流量為3420 m3/s)且?guī)焖坏陀诜篮楦咚?151.89m時，如按750 m3/s下泄，仍有大量攜帶泥沙的洪水攔蓄在水庫并產(chǎn)生大量的淤積，由此可見，發(fā)生大洪水時汛期并不能將泥沙全部排出庫外。

6.2 “內(nèi)庫”壩體施工難度大

因壩前泥沙淤積深度近20m左右，覆蓋層大，如何選擇筑壩材料、壩體形式、布局模式和施工方式，需通過實體模型試驗研究優(yōu)化“庫中庫”布局形式及運行方式。

6.3 怎樣解決“內(nèi)庫”的蓄供水問題

初期階段，“內(nèi)庫”清淤后底部高程勢必低于“外庫”，供水階段“內(nèi)庫”的水如何流出，是否需要在主壩上重新修建灌溉沖沙閘涵；蓄水階段，“外庫”的水流如何進入“內(nèi)庫”，是否需要在“外庫”修建導流堤還需做進一步論證。

6.4 “內(nèi)、外庫”聯(lián)合調(diào)度方式

不同庫水位與泄水排沙建筑物運用組合下，“外庫”庫區(qū)沖刷方式、影響因素和沖刷效果；不同庫水位下“外庫”外庫空庫沖砂的最佳流量及持續(xù)時間；有利于庫容恢復的內(nèi)外庫聯(lián)合調(diào)度方式等還需做進一步的研究論證。

7 結(jié)語

“庫中庫”泥沙處理技術目前還只是處于初步設想階段，從以上分析可知，該方案可以解決空庫沖沙對農(nóng)業(yè)灌溉的影響，提高沖沙效果，減小清淤成本，同時還能使清淤后的庫容不再產(chǎn)生二次淤積，對西北地區(qū)植被稀少，汛期河流含沙量高尤其是干旱缺水地區(qū)的水庫清淤有廣闊的使用前景，但國內(nèi)還沒有同類型的水庫泥沙處理技術實施先例，還要根據(jù)水庫實際調(diào)度運行及泥沙淤積情況在筑壩材料、壩型、施工方案、“內(nèi)、外庫”聯(lián)合調(diào)度方式等方面做大量的基礎工作并進行相關的論證。