库区排沙减淤调度研究与实践

刘扬扬，张磊，高宇

（1.朝阳市水务局，辽宁朝阳122000；2.辽宁省白石水库管理局，辽宁朝阳122000）

库区排沙减淤调度研究与实践

刘扬扬1，张磊2，高宇2

（1.朝阳市水务局，辽宁朝阳122000；2.辽宁省白石水库管理局，辽宁朝阳122000）

文中以白石水库为例，研究采用异重流排沙及泄空排沙两种方案的可行性。结果发现：由于近些年白石水库上游地区修建的阎王鼻子水库及多数的橡胶坝水利工程，改变了水库的来水来沙条件，特别是该地区连续多年少雨干旱的气象条件，对比设计时所采用异重流排沙方案已经无法实现。此外，随着水资源的宝贵性及发挥水库供水效益的保证作用，泄空排沙方案可行性基本没有可能。因此，建议尽早在白石水库牛亡牛河流域修建一定库容的拦砂坝并结合清淤措施，可以有效缓解白石水库较为严重的泥沙淤积问题。

泥沙淤积；异重流；泄空；白石水库

1 问题的提出

白石水库是大凌河流域干流控制性骨干工程，泥沙淤积较为严重的问题一直困扰着白石水库的发展，如何采用合理的泥沙处理措施和排沙清淤方式减少水库泥沙淤积，减缓水库库容淤损率和淤积速率，成为了白石水库供水与排水减淤相互掣肘、相互矛盾情况下急需解决的问题。

2 异重流排沙

2.1 异重流排沙原理

白石水库原设计采用的是通过12孔底孔，在合适的条件下采用异重流方式排沙。其原理主要是当水库在汛期发生洪水时，将会携带大量泥沙的流进库区，颗粒直径较粗的泥沙最先淤积在库区尾部，而细颗粒泥沙会随着水流继续向前运动，随着水流能量的不断减弱，逐渐淤积在库区内部。这样由于密度差异，挟沙水流因较大密度潜入库底，就会以异重流的形式继续向库区内部运动，当异重流运行到坝前的时候，这时根据来水来沙情况适时开启一定数量的泄洪底孔，淤积的泥沙就可以排出库外。

2.2 异重流排沙条件

采用异重流进行排沙一方面需要入库水流一定的含沙量，另一方面更为重要的是需要入库水流具有足够的能量，具有一定的单宽流量，在重力、惯性力、压力和阻力的作用下，异重流能够潜入水底随着水流运动到坝前位置。

2.3 白石水库异重流排沙可行性分析

白石水库异重流排沙原设计为：20年一遇以下的中小洪水蓄洪运用，并利用弃水开启一定数量的排沙底孔进行异重流排沙，可以缓解坝前区泥沙淤积状况，并提高水库排沙能力。

2012年8月白石水库发生五年一遇洪水，最大洪峰流量为1 260 m3/s，开启2孔底孔进行泄洪，最大下泄流量720 m3/s。根据初步设计方案，白石水库可以采用异重流方案进行坝前位置清淤，当实际上异重流并没有运动到坝前，清淤效果未达到预期。分析其原因主要是因为随着水库运行年限的增长和坝前淤积的发展，库区纵比降总体将呈减缓趋势，不利于异重流运动至坝前。

另外，根据水库建成16年以来气候条件与工业、生活及农业用水情况分析，白石水库采用异重流进行排沙可行性也在降低，其主要原因是因为无论是洪峰流量还是五日洪量，洪水发生的频率较初步设计时均有一定程度的减小。再加上上游已经修建成的阎王鼻子水库对洪水的调控和削峰作用，大凌河上游来的泥沙部分淤积在该水库，异重流数量及能量都在减少，运行到坝前的几率降低。再者自2013年以来连续数年的少雨干旱天气导致白石水库径流量过低，更没有发生一定量级的洪水，白石水库年弃水量受到一定限制，从而利用弃水形成异重流排沙的几率降低。

3 泄空排沙

3.1 泄空排沙原理

泄空排沙是汛期发生一定量级的洪水时，根据准确的洪水预报，将水库的库容腾出，打开足够的泄流设施，尽可能降低坝前水位，进行提前排沙。此方式更多是在洪水期间进行的，又可称之为行洪排沙。泄空排沙的效果较好，能够将洪水所带来的泥沙的大部分甚至全部冲走，另外借此还可以将库区内较早淤积的沉积物排出库内。

3.2 白石水库泄空排沙可行性分析

白石水库初设时确定的泄空排沙初设方案为：遇20年一遇（洪峰流量10 700 m3/s）及更大量级的洪水时，尽可能在12 h内预泄，将库水位将至死水位，再利用洪水集中排沙。

3.2.1 从洪水频率角度分析

根据水库建成后的水文统计资料分析，白石水库流域发生20年一遇及更大洪水的频率较初步设计发生了一定变化，无论是洪峰流量还是五日洪量频率，均较初步设计均有所减小，重现期增长。

3.2.3 从兴利角度分析

白石水库工程的主要任务是防洪、工业及城市生活供水及农业灌溉用水。目前白石水库的供水任务包括阜新市城市生活引水，北票市城市生活引水，凌海市灌区农业用水，锦州市华润电力工业用水，同时还要兼顾电站发电用水、汛期底孔泄流、下游河道生态需水量等用水需求。

随着近些年经济社会的快速进步与发展，大凌河流域雨量减少、地下水位下降、年径流量减少，年径流量呈现逐年减小的趋势，白石水库水资源供求矛盾日益突出。采用泄空排沙面临着水资源紧缺的矛盾难以实施。

自水库建成投入运行以来，2001—2012年10年系列的年均径流量仅为3.15亿m3，2013—2015年白石水库遭遇连续的干旱年，多年平均来水量仅仅为1.87亿m3，特别是2016年白石水库已降至110.4 m，水库兴利效益的发挥面临着巨大的困难。若遇20年一遇洪水仍采取泄空排沙，很有可能将全年径流量的绝大部分水量丢弃，如果汛后来流不足以将兴利库容蓄满，会导致全年供水紧张甚至无水可用的严重后果。

4 建议

结合现状实际情况，白石水库利用常规水力法排沙，在技术上（异重流排沙）或经济上（泄空排沙）的可行性降低，异重流排沙甚至已不可能。因此建议白石水库应尽早在牛亡牛河流域上规划设计一定库容的拦砂坝，并对已经淤积较为严重的大凌河与牛亡牛河的汇流区进行清淤处理，同时要深入研究白石水库泥沙淤积特点，从工程手段及理论研究两个方面加强对白石水库泥沙淤积的管理，以保证水库可持续地发挥兴利作用。

［1］唐海东.水库异重流排沙的研究与实践［J］.水科学与工程技术，2009，（2）：42-45.

［2］李随祥.异重流排沙在解决水库泥沙淤积中的应用［J］.中国农村水利水电，2005，（8）：48-50.

［3］夏新利，张宏科，安小敏.新疆克孜尔水库2007年汛期异重流排沙运用分析［J］.水利建设与管理，2008，（9）：66-67.

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2017-02-08