桃曲坡水庫淤積成因分析及治理措施的思考

秦 鵬，杜 鋒，李華衛(wèi)

（陜西省桃曲坡水庫灌溉中心，陜西 銅川 727100）

桃曲坡水庫位于馬咀山峽谷15 km 處，是渭河流域石川河支流、兼有防洪和農(nóng)業(yè)灌溉及供水功能性中型水庫。1969年建成投入使用，年設計水庫總蓄水量為5720 萬m3，興利水庫蓄水量為4290 萬m3，灌區(qū)包含渭南市富平縣、咸陽市三原縣、銅川市耀州區(qū)及新區(qū)，灌溉面積40.3 萬畝，桃曲坡水庫灌區(qū)的正常運行對當?shù)毓I(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展中均起著重要作用。

桃曲坡水庫在長期運行中，由于其控制流域位于渭北高原丘陵溝壑區(qū)位置，又加上上游暴雨洪水攜帶的泥沙流入，水庫的水流對庫岸邊坡的沖涮和淘蝕，水庫的侵蝕等因素的影響，水庫的泥沙淤積持續(xù)增加。從長期來看，大量沉積物會形成大量有機酸，諸如氨、亞硝酸鹽、硫化氫和甲烷等有害物質(zhì)，會降低水質(zhì)并損害水源。根據(jù)桃曲坡水庫的沉積統(tǒng)計，大壩前面的淤積量高達2017 萬m3，高程為768.0 m，淤積面比低放水隧道進口高13.0 m，比水庫高放水洞入口高5.2 m。在距離兩個放水隧道入口100 m范圍內(nèi)，形成“漏斗”-溝槽，這嚴重影響了防洪安全。

1 水庫淤積現(xiàn)狀及歷年淤積情況分析

1974年3 月9 日，水庫開始下閘蓄水，因為水庫漏水比較嚴重，從1974年10 月～1982年夏季，對壩前區(qū)和原有煤窯礦洞的漏水點用5 個大型防滲處理項目進行加固，隨后再根據(jù)庫區(qū)運行過程及時巡查時發(fā)現(xiàn)的小型漏點進行防滲處理。水庫加閘后，由于水位升高，從1995年～2005年對水庫壩前區(qū)用膜袋混凝土、六棱磚、干砌石等措施對防滲區(qū)域進行了加固處理。2004年，水庫蓄水高程以下區(qū)域增加了超過220 萬m3的土壤和巖石，主要分布在壩前約1500 m 區(qū)域，淤積體高程低于776.0 m。

水庫控制的蓄水區(qū)域最初設計時的平均沉積量為104 萬t。管理單位進行了5 次水庫泥沙淤積調(diào)查，1976年的泥沙總量為670 萬m3，1980年的泥沙總量為830 萬m3，1984年的泥沙總量為1070 萬m3，1997年的泥沙總量為1300 萬m3。2017年，總沉淀量為2170 萬m3，1990年代以后，過濾速度變慢，2170 萬m3占總存儲容量的35.5%。

現(xiàn)在的總沉淀量為2017 萬m3，在死水水位以下的蓄水量為762.80 萬m3，在死水水位以上的蓄水量為967 萬m3，減少了20.7%。興利庫容減少了873 萬m3，減少了35.3%；洪水存儲容量減少93 萬m3，減少15.6%。

2 水庫淤積成因分析

水庫淤積主要來源于兩個部分，其中之一是多年以來洪水產(chǎn)生的沉積物。桃曲坡水庫位于干旱的渭北高原，地處丘陵低地，地勢較為零散。蓄水區(qū)域為被破壞的河道和水道，水土流失模量的允許值為1940 t/（km2·a），最大侵蝕模量為3590 t/(km2·a)，是防止水土流失的主要保護區(qū)。洪水進入庫區(qū)蓄水水段后，流速減緩，攜砂能力減弱，在水庫中形成大量泥沙淤積。其次，桃曲坡水庫位于巖溶發(fā)育的石灰?guī)r地區(qū)，滲漏嚴重。補漏工程中大量的黏土和砂石材料的應用、庫岸長期的掏刷和部分垮塌，導致了水庫的淤積。

3 水庫淤積治理的必要性

3.1 淤積治理是緩解灌區(qū)水資源供需矛盾的重要途徑

桃曲坡水庫灌區(qū)水資源匱乏，年降水量在時間和空間上分布不均，總量不足，經(jīng)濟的快速發(fā)展又使地方對水資源的需求進一步增加。農(nóng)業(yè)對水的需求持續(xù)增長，對“景觀，森林，草地，湖泊和草叢”系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境的管理，用水的迅速增加以及水資源供需之間的矛盾變得越來越激烈。同時水庫淤積將減少有效儲水能力，降低水庫的可控性，只有通過淤積治理和部分清淤，才能增加儲水容量，增加水源控制和蓄水能力，大力推進節(jié)水型社會進程。

3.2 進行淤積治理是滿足水庫正常安全運行的需要

水庫淤積降低了水庫的蓄水能力和防洪能力，目前沉積物的高度比排水隧道的開口高5.2 m，比排水隧道的入口高13.0 m，當沉積物繼續(xù)上升時，可能會收縮或阻塞隧道的入口，從而減少隧道的過水能力、影響水庫的運行安全。為確保水庫的安全運行以及水庫的經(jīng)濟和社會效益，必須采取有效的工程措施以消除任何潛在的安全隱患。

3.3 進行水庫淤積治理是保護環(huán)境、綜合治理的迫切要求

水庫的沉積使水庫回水地區(qū)的河道底部高程逐漸升高，抬高了周圍的地下水水位，這可能導致這些土地的鹽堿化。洪水中淤積物中的植物秸稈，引起水庫富營養(yǎng)化，富營養(yǎng)化離子的增加，在水中會引起水體富營養(yǎng)化，并降低重金屬水庫的水質(zhì)。

4 水庫淤積治理的可行性

4.1 技術可行性

通過以下方法使水庫能夠長期使用，以達到控制泥沙的目的：①調(diào)整運行方式，采用污泥排放工程措施調(diào)節(jié)水庫泥沙，達到內(nèi)部相對平衡。②使用工程機械挖泥渣和沙土，保證汛期隧道的過水和行洪能力。機械挖泥技術包括挖泥技術、干式挖泥技術和水力虹吸挖泥技術。而這些機械方法已經(jīng)成熟并且在技術上是可行的。

4.2 經(jīng)濟可行性

桃曲坡水庫是銅川市最大、最重要的水源。經(jīng)過40 多年的運行，水庫已經(jīng)發(fā)生了嚴重的淤積，只有有效的水庫清淤和庫岸水土流失治理才能延長水庫的使用壽命，增加保水能力，改善水質(zhì)。水庫清淤增加的庫容可以增加用水灌溉面積或工業(yè)用水，促進灌溉地區(qū)經(jīng)濟快速增長。

5 水庫淤積治理措施

5.1 水庫泥沙淤積的預防措施

（1）流域綜合治理。由于人類活動的影響，特別是工程建設、森林砍伐、采礦等因素導致水土流失、滑坡，流域內(nèi)的暴雨形成的洪水使大量沉積物進入水庫。近年來桃曲坡水庫通過“山水林田胡草”綜合治理，近壩區(qū)生態(tài)環(huán)境有效改善，邊坡水土流失得到有效治理，實現(xiàn)了“洪水不下山，泥砂不出溝”的治理目標。

（2）在上游修建攔沙壩。在水庫上游建立攔砂壩可以減少粗大沉積物流入水庫。攔砂壩選址需要最佳的地形，并考慮定期清除大壩中的沉積物。

（3）在水庫周邊建設防沖刷工程或建設密集的排水設施。分析和研究現(xiàn)有水庫和渡槽的地形以及其他工程措施，并建立一個合理的排水通道，將含沙洪水繞開水庫，排出壩外，減少淤積。

5.2 水庫清淤的工程措施

由于清淤工作涉及排淤棄淤，灌溉和供水等因素，因此水庫清淤需要制定詳細的計劃和具體的實施方案，并和水庫日常運行相協(xié)調(diào)。目前，最常見的水庫清淤方法分為水力法、干疏法、虹吸法、側(cè)向侵蝕法、低碳自動疏法等。

（1）對水庫淤積進行測驗

為測試桃曲坡水庫沉積物的組成、含量和分布，首先使用GPS GNSS+RTK 衛(wèi)星定位以及多波束潛水深度計的組合來收集基礎數(shù)據(jù)，例如水庫地區(qū)的地形和地質(zhì)。利用測出的地形以及河槽的垂直和水平剖面測量計算出每個水位的庫容。一旦建成，便會分析每個水位的相應沉降量。繪制污泥顆粒曲線的目的是收集河流常數(shù)中的污泥顆粒，并通過水力測試來分析和繪制污泥顆粒曲線，以確定每個部分的沉積情況。水庫淤積測驗可為清淤方案、疏淤積物計劃和操作計劃以及污泥回收技術、關鍵技術研究和制定提供基本參數(shù)。

（2）治理方案和范圍的確定

根據(jù)1999年和2017年的實際調(diào)查曲線圖以及現(xiàn)場調(diào)查的比較分析，大多數(shù)沉積物都集中在前巖槽上方槽的中央和兩側(cè)。該大壩在灌溉季節(jié)使用低洞灌溉來釋放水和沙子，形成V 形通道，大部分降水都在溝渠的兩側(cè)和水庫的下游。

由于桃曲坡水庫負責城市供水，水質(zhì)要求較高，具體可根據(jù)實際情況進行處理。

①壩前區(qū)：擬采用低碳自動清淤裝置在壩前區(qū)河槽段及左右?guī)斓走吰碌扔绊懰|(zhì)的淤積體予以處理，該裝置是由武漢大學“疏浚技術教育部工程研究中心”研制的新型技術，利用水庫上下游水頭差或太陽能加入智能化控制技術使水力自絞式吸泥頭自動進行雜物淤積清理；能夠根據(jù)水頭高低和含沙量大小自動進行流量調(diào)節(jié)，控制排沙濃度在10%～60%變化，實現(xiàn)非灌溉期最高濃度排泥沙，擾動小，不影響上部水體水質(zhì)，也能起到長效治理的效果。

②庫中區(qū)：利用環(huán)保絞吸船傳輸管道泵送至周側(cè)溝道內(nèi)或岸邊進行干化和固化，并在灌漿口處設置灌漿谷以覆蓋埋藏的沉積物。污泥以堆肥的形式沉積并固化為有機建筑材料，以進行綜合利用。

③庫尾區(qū)：旱季可采用干挖法，并選擇挖掘機和卡車清洗方案，施工方便，成本低廉，價格低廉。可以先清理庫岸，然后根據(jù)地質(zhì)和地形條件清理庫盆，以最大程度地減少疏淤對灌溉和供水的影響。

（3）水庫淤積的非工程措施

水庫淤積的非工程性措施，主要是科學調(diào)度及大數(shù)據(jù)智能化控制系統(tǒng)的綜合應用，利用洪水的異重流現(xiàn)象進行水庫排沙，減少水庫的泥沙淤積量。結合桃曲坡水庫現(xiàn)有的工程設施，結合旺季的灌溉和防洪措施，從低洞放水塔隧道排沙，并及時收集相關數(shù)據(jù)并建立對應排沙模型。

在短期內(nèi)，桃曲坡水庫促進了灌區(qū)人民的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活水平的提高以及區(qū)域經(jīng)濟的快速發(fā)展。隨著灌溉地區(qū)人民的生活水平不斷提高，水庫泥沙淤積總量持續(xù)增加，水庫的有效庫容逐漸縮減，灌區(qū)用水供需矛盾不斷加劇；水庫清淤可以有效緩解當前的用水供需矛盾。在“節(jié)水優(yōu)先，空間平衡，系統(tǒng)治理、空間均衡”用水方針的指導下，減少流域泥沙進入水庫、適時實施水庫清淤、結合農(nóng)業(yè)灌溉大流量及時進行水庫拉沙，利用洪水異重流結合大數(shù)據(jù)減少水庫泥沙沉積，是管理桃曲坡水庫今后一段時間的重要任務，同時也能增加水庫的有效庫容，延長水庫的使用年限，使桃曲坡水庫能更好地服務當?shù)亟?jīng)濟社會。