水庫淤積管理對某水庫壽命的影響

特來提·艾尼瓦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉爾 843300)

壩控河流阻斷了河流系統的連續輸沙，導致水庫淤積，因此，水庫的可持續利用首先要應用各種措施來減少泥沙淤積[1-2]。人工水庫淤積是一個引起世界關注的問題，國內水庫年沉積率從0.2%～3.0%不等，全球年平均沉積率約為1.0%。在全球范圍內，沉積量的增加超過了水庫容量的增加，表明水庫蓄水出現了嚴重的損失。水庫淤積會引起各種問題，首先，水量減少導致能源生產、供水和灌溉用水以及蓄水量的損失；其次，由于出口結構堵塞而危及水庫運行安全。最后，由于特定懸浮負荷濃度增加而增加渦輪機磨損。因此對水庫的泥沙進行管理，將直接影響水庫的使用壽命[3-5]。

本文介紹了水庫泥沙淤積的可能防治措施，并以新疆地區半截溝水庫、大西海子水庫和二道灣水庫三個水庫為研究對現象，分析了不同防治措施的有效性。

1 防止沉積的措施

大多數水庫在運行過程中，大壩會儲存洪水和泥沙，并通過改變水和泥沙量而對下游環境產生影響，因此建議不同水庫采用不同的防泥沙沉積措施[6]。本文針對防止水庫淤積主要從以下三種措施進行分析。

(1)減少上游產沙量。通過淤地壩攔沙、重新造林或上游泥沙截留來控制集水區的水土流失。

(2)減少泥沙進入下游的路徑。在這一措施中，可以應用各種有效的技術：使用旁路隧道或渠道(SBT)直接繞過大壩，將泥沙轉移到河道外，通過泄流、濁流或沖沙排放將沉積物排出水庫。泄流需要部分水位下降，將積聚的沉積物輸送至大壩出口，而濁流的排放可以在不降低水位的情況下進行。沖沙包括推移質和懸浮泥沙，而只有后者才有可能排氣。泄流是通過大壩底孔進行的，必須對底孔進行適當的設計，以便泄放大量的水，并承受粗泥沙的磨損。濁流的排放可以通過底孔或通過渦輪機實現。然而，通過渦輪機的一個缺點是磨損，磨損程度取決于沉積物特性，如石英含量和特定沉積物濃度。相比之下，使用旁路隧道(SBT)進行泥沙演算對于減少河床和懸浮泥沙負荷都非常有效。所有沉積物都通過導向結構(如渠道)導入隧道進水口，該技術最適用于中小型水庫(<107m3)，隧道長度對應用效果起著關鍵作用。

(3)清除堆積的泥沙。在完全水位下降期間進行干開挖，在高水位期間使用水泵進行水力疏浚，連續向下游輸送泥沙。疏浚適用于中小型水庫，并且必須在一定時期內連續進行，對大型水庫并不實用。由于連續泄流會對下游河段產生負面生態影響，因此在高流量期間一般不會采用這種技術。在水位完全下降期間，干開挖和泥沙沖洗會導致完全的蓄水損失。此外，只有當水庫容量與年流入量相比較小時，即在水周轉率較低的情況下，才能進行完全降深，對于水庫而言，再次蓄水是一個長期的過程，因此一般情況下不會采用完全降深的方法。

2 水庫防於措施

在國內，大多數河流和相關水庫在洪水前后都會進行監測。因此，有大量的水庫沉積數據，可以對措施效果進行分析。本文以新疆地區的三個水庫為研究對象，分別為半截溝水庫、大西海子水庫和二道灣水庫，分別采用修建SBT、上游攔沙壩、水庫降深的措施來達到減少淤積目的，主要目標是量化每種防淤技術的長期工作效率。

2.1 SBT防淤

半截溝水庫始建于1986年，1989年建成并正式投入運行，原庫容15.5×106m3，集水區面積39.2 km2，正常蓄水位1037.12 m，死水位1028.50 m，上游河段為山區礫石河床,1990年上游流域發生大面積滑坡，導致大量泥沙輸進水庫。為了改善水庫水質，在水庫上游安裝了過濾系統用于改善河流的自然過濾。然而，水庫泥沙淤積的積累損害了水庫的使用功能。因此，于1998年啟動了SBT的建設。隧道全長2383.50 m，包括鋼襯進口段18.50 m、混凝土襯砌隧道2350.00 m和混凝土襯砌出口15.00 m。隧道由3.80 m寬、3.80 m高的拱形斷面組成，坡度為2.9%,設計流量為140 m3/s，可對應于3年一遇洪水,更高的洪水通過漫頂分流到水庫。SBT在洪水期間打開，將沉積物轉移至大壩尾水。隧道內流速約為12 m/s，加上粗推移質輸移，隧道自開通以來面臨著嚴重磨損問題，每年需進行一次維護工作，以修復混凝土仰拱。

通過分析年度水庫沉積調查數據和繞過沉積物的數量揭示了朝日SBT的效率。利用水庫淤積數據和大壩下游河床高程測量數據對估算的泥沙量進行了校準。圖1為1989—2013年的實測和預計泥沙量與時間的關系。

自1998年SBT運行以來，77%的外來沉積物通過隧道轉移，顯示出其運行的高效性。其余的23%的沉積物在洪水期間沉積在水庫中，即使在集水區造成嚴重的滑坡時，仍有至少66%的沉積物被清理。因此在大壩運行后不久，下游也出現了積極的生態效應，由于沉積物減少，渾濁度大大降低，水質改善，河床形態恢復。

圖1 水庫的累積和年輸入泥沙量

2.2 攔沙壩防淤

大西海子水庫為山區攔河式水庫，是一座以調蓄、灌溉為主的中型水庫。設計庫容1260萬m3，設計壩頂高程1518.11 m，正常蓄水位1512.00 m，灌溉下游地區農田面積3333 hm2。工程等別為Ⅳ等，建筑物級別為小(1)型水庫，由大壩、放水涵洞和溢洪道組成。水庫大壩設計采用均質土壩，混凝土護坡，壩頂高程為1385.00 m，上游壩坡1∶3，下游壩坡1∶2.5，最大壩高為30.00 m，壩體長度為257.00 m，壩頂寬度為5.00 m。主要建筑物4級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級。

圖2顯示，1990—1992年間水庫發生了高沉積，原始體積的30%被沉積物占據。如果不采取對策，水庫容量在1997年就已經超標。然而，從1992年開始的SBT運行大大減少了水庫的泥沙輸入。81%的輸入沉積物被輸送，1999年進一步減少，僅剩1.1×105m3，為原始體積的14.5%。當水庫蓄水為設計庫容的36%時，上游攔沙壩開始在集水區施工，泥沙輸入量進一步減少。從1970年以來的沉積量估算數據來看，攔沙壩防淤現象更為明顯，大壩的累計蓄水量達到約3.3×106m3。多年實測庫容僅增加1.0×106m3，為原庫容的8%。超過94%的輸入沉積物通過SBT流向下游。1992—1999年和1999—2013年相比，SBT效率從81%提高到94%，如圖2所示。分析其原因可能是攔沙壩截留的泥沙有效地降低了流域的產沙量。即使在洪水超過隧道設計容量的情況下，幾乎所有的粗泥沙都進入了SBT。

圖2 水庫的聚集和輸送泥沙量及攔沙壩的累積體積隨時間的變化

分析了大壩蓄水效率，比較了大壩修建前1992—1999年和1999—2013年(考慮和不考慮SBT)。在兩個比較時期內，年平均輸沙量從1455 m3減少到601 m3(有SBT)和30.5×103m3減少到12.5×103m3(無SBT)，即兩種情況下減少了近60%。

2.3 水庫降深沖洗防淤

二道灣水庫是一座以灌溉調節為主，兼顧防洪的綜合利用的水庫，設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為1000年一遇，工程建成后，改善灌溉面積2333 hm2。大壩設計采用均質土壩，漿砌石護坡，壩頂高程為114.50 m，上游壩坡1∶3，下游壩坡1∶1.87，最大壩高為15.50 m，壩體長度為145.00 m，壩頂寬度為5.00 m。主要建筑物3級，次要建筑物為4級。

1991年，首次進行了沖洗，由于沖洗過程經驗不足，沖洗工作是在冬季低流量時進行的。此后水庫每年進行一次沖沙。1995年成功沖洗后，在水庫中形成了一條穩定的沖洗通道。2001年后，位于下游7 km處的水庫在每年6月左右雨季的第一次大洪水期間進行一次協調沖洗和泄水。

圖3為1985—2015年水庫的實測淤積量和總泥沙流入量與時間的關系，沖淤量是這兩條曲線之間的差值。沖淤量的計算是在事件前后對比水庫測量數據，沖洗過程中帶入水庫的泥沙直接沖至下游，因此，在數據分析中不作考慮，所以總泥沙流入量更高。資料顯示，自1991年以來，沉積明顯減少，值得注意的是，1995年的大洪水導致水庫淤積7.34×106m3，相當于總庫容的82%。1995年11月，一次成功的沖洗操作，使淤積量再次降至5.61×106(占總容積的62%)。如果沒有進行沖洗，水庫將在1999年被填滿。1991—2014年，淤積總量僅增長9%，達到4.29×106m3。共有88%的外來沉積物被沖走。

圖3 水庫的總體積和總泥沙流入量隨時間變化

3 結 論

本文旨在通過三個水庫的實例，說明不同的水庫泥沙淤積防治措施的有效性。通過(1)設置旁路隧道的泥沙路徑(SBT建設)；(2)在集水區修建攔沙大壩；(3)水庫水位下降沖洗等措施，來減少水庫淤積。結果表明，在大洪水期間，繞行和沖洗是延長水庫使用壽命的有效措施。此外，在集水區修建攔沙大壩，也能夠有效延長水庫使用壽命。強調適當的水庫泥沙管理措施的必要性，并揭示了所做的有效應用對水庫使用壽命的積極影響。