“库中库”泥沙清淤技术在西北干旱缺水地区的适用性技术探讨

杨顺刚

(新疆克孜尔水库管理局，新疆 拜城 842313)

1 水库泥沙淤积概况

克孜尔水库自1991年下闸蓄水以来，泥沙淤积问题十分严重。2017年实测淤积总量3.2亿m3，其中：死库容淤积1.286亿m3，占死库容的98.94%，兴利库容淤积1.91亿m3，占兴利库容的40.2%；正常高蓄水位1149.6m以下淤积3.2亿m3，库容损失52.92%(见表1)。水库运行20多年来，虽然采取了异重流排沙、低水位浑水排沙、导流堤与排沙渠联合辅助排沙等排沙措施，但从1992年以来水库年入库沙量和出库沙量分布图(如图1所示)看，排出的沙量与入库沙量相比，仅占14.5%，大量泥沙仍淤积在库内。

表1 克孜尔水库原初设特征水位泥沙淤积统计表

2 渭干河流域水沙特性

克孜尔水库多年平均入库年径流量26.2×108m3， 多年平均含沙量约4.46kg/m3，多年平均悬移质输沙总量约1318.42×104t，入库水、沙量在年内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%，输沙量及含沙量年内分配极不均衡。

3 水库清淤存在的主要问题

3.1 泥沙淤积体量大，机械清淤成本高

挖掘机配以拖拉机、载重汽车清淤虽然是一种直接、实效的方法，但只适合旱地小范围作业；挖泥船清淤机动性好，取料浓度大，耗水量少，但适合水深较浅的平原水库，不适用于深水水库大规模清淤作业，且所需外加动力较大；目前，克孜尔水库的泥沙淤积总量达3.2亿m3，无论运输机械或挖泥船，清淤成本都非常高。

3.2 与下游平原水库联调难度大，低水位清淤实施难度高

克孜尔水库干流和库区地形复杂，存在河道扩展、直流弯曲、汇流等现象，削弱了干流异重流的行进能量，障碍了异重流向排沙建筑物行进；低水位或空库冲沙是指滞洪期间库区水流保持一定流速，细颗粒泥沙来不及大量沉积就被水流带至坝前而排出库外，而克孜尔水库下游虽有五一和跃进两座平原水库，但由于流域内3座水库隶属关系不同，实行联合调度后如何实行水量再分配，如何打破传统的分水比例涉及各方利益，协调实施难度大，所以克孜尔水库汛期低水位清淤实施难度高。

图1 克孜尔水库年入库与出库沙量柱状分布图

3.3 汛期低水位运行影响灌区农业灌溉

为使水库低水位运行，根据水库目前的运行方式，每年5月下旬—6月中旬棉花播前水将无法调蓄，此外，6月中旬开始的棉花灌溉高峰期，若无水量补给，实施空库运行后，上游河道来水较少时无法满足灌溉需求，势必影响下游灌区的农业灌溉。

4 “库中库”泥沙处理技术的基本原理

“库中库”泥沙处理技术主要原理是将库区隔离成“内库”区和“外库区(如图2所示)，两者通过橡胶坝或者闸门进行连通，其主要原理是通过“内外库”联合调度的方式确保汛期“外库”空库运行进行水力冲淤；其主要构想是“内库”采用自吸式管道清淤等成本低、效果好的清淤技术将淤积泥沙排出库外，使其成为永久库容，“内库”水量主要用于灌溉补给，“外库”汛期入库洪水超过下游河道的安全泄量时才拦洪，平时不调蓄，利用汛期河道流量大、流速高的特点进行空库冲沙；其主要运行方式是非汛期“外库”水位高于“内库”水位，“内库”蓄水；汛期“外库”实现空库冲沙，将当年入库沙量排出，并逐步恢复“外库”库容，当天然来水不足无法满足灌溉需求时由“内库”补水确保灌区农业灌溉；其主要目的是解决机械清淤成本大，空库冲沙影响灌区灌溉以及如何防止清淤后再度淤积等技术难题。

图2 克孜尔水库“库中库”清淤布置示意图

5 “库中库”泥沙处理技术的主要优点

5.1 “内库”清淤后不会再产生新的淤积，保持永久库容

根据悬沙运动的紊流扩散理论，泥沙浓度沿垂向分布不均，表层水流泥沙含量低，而底层含量则相对较高，“库中库”泥沙处理技术方案因“内库”与“外库”彼此隔离，汛期“内外库”联合调度时，表层水流进入“内库”，而底层泥沙含量高的水流则从“外库”经排沙涵洞排至库外，因此，“内库”不会产生新的回淤，可以保持永久库容。

5.2 “库中库”模式可以减小清淤对农业灌溉的影响

根据近几年水库实际运行情况：每年4月5日左右水库基本处于空库运行状态，一直持续到4月25日才关闸蓄水，5月10日开始进行小麦二水灌溉，5月25日开始关闸蓄水，6月10日开始棉花头水灌溉。

从4月25日空库开始，截至到6月10日，根据河道多年平均来水量预测，进库水量20180万m3，灌区需水量12116万m3，水库实际蓄水量8064万m3，按照“库中库”设计思路，该部分水量全部存放在“内库”中，6月中旬开始用天然河道来水进行灌溉，即“外库”以敞泄的方式运行，灌溉不足水量可以由“内库”补给，因此“外库”空库冲沙对灌区的农业灌溉影响较小。

5.3 “库中库”模式可以提高空库冲沙效果

5.3.1“内库”坝体可以改变“外库”水流流向，起到导流排沙作用

克孜尔水库泄洪排沙洞由施工期的导流洞改建而成，初设时为了尽可能考虑到泄流排沙建筑物良好的抗震条件，排沙洞底孔在平面上布置于河道左岸，从库区原河道流势看，排沙涵洞不处于主河床上，与排沙流路不吻合，从而影响排沙效果。

库中库模式的“内库”坝体不仅仅是挡水，而且同时可以起到导流排沙的作用，“内库”坝体布局的优劣直接影响水库蓄水和排沙效果。为增加排沙效果，充分利用“内库”坝体将干支流主流导向排沙洞前，可以通过模型试验研究“内库”坝体的最优布置方式，从而彻底改变初设排沙涵洞设计布置缺陷。

5.3.2“内库”坝体可以束窄“外库”河床宽度，提高水流流速

通过修建“内库”坝体，将“外库”河床沿宽度方向进行人工压缩，可以增大水流速度，从而使冲沙效果更加显著。

5.3.3汛期天然来水流量大、流速高、冲沙时间长，“外库”空库冲沙效果明显

2017年从4月10开始将闸门提空，水库初次进行空库冲沙，一直持续到4月22日，空库运行14天，出库流量维持在36.86m3/s左右，根据水文监测资料表明：水库敞泄期间上游进库沙量2.19万吨，出库沙量248.78万t，水库实际清淤246.59万t，平均排沙比在44386%左右，空库排沙量占全年排沙量660万t的37.69%。平均悬移质输沙率达2057kg/s，最大达到6440kg/s。

2018年的空库运行时间从4月5日开始，一直持续到4月25日，出库流量在30.43m3/s左右，根据监测资料表明，空库冲沙时间21d，进库泥沙总沙量0.36万t，出库泥沙总量91.59万t，水库清淤约91.23万t，平均排沙比为22316%左右，空库排沙总量占全年总排沙量173.08万t的52.92%，出库平均输沙率825.76kg/s，最大仅为1470kg/s。

2019年空库冲沙时间从4月6日至4月24日，总共持续时间19d，平均出库流量45.9m3/s，进库泥沙总量0.547万t，出库泥沙总量407.239万t，实际清淤406.692万t，排沙比在74450%左右，空库运行排沙量占全年总排沙量460万t的88.5%，平均悬移质输沙率达2480kg/s，最大达到8990kg/s。

从2017—2019连续3个年度的空库运行资料表明：冲沙流量越大，排沙比越高、输沙率越大。2019年的排沙比、输沙率远远大于2018年，主要原因是2019年的冲沙平均流量45.9m3/s左右，而2018年4月的冲沙平均流量则在30.43m3/s左右。

若将冲沙时间放在汛期，河道天然来水多年平均流量均在100～180m3/s附近，远远大于4月份的进库流量30～45m3/s，水流流速增大，且空库冲沙时间将大大延长，根据有关研究资料表明：当汛期低水位排沙时间为 40d 时，其排沙量为 913.75万t，基本可使汛期入库泥沙全部排出库外，维持水库现有库容不再变化；当低水位排沙时间在 47d 时，其排沙量为 1073万t，同时非汛期拉排量为 9.8万t，二者之和为 1083万t，则可保持水库全年进出库泥沙总量持平；而当低水位排沙时间为 50d 时，其排沙量为 1142.19万t，不仅解决了汛期入库泥沙出库问题，同时排沙量比多年平均年入库泥沙总量1083×104t 多出 59.19×104t；水库死水位对应库容将在 2049年得到恢复[1]。由此可见，汛期空库冲沙效果非常显著。

5.4 “外库”空库水力冲沙减小清淤成本

经了解，挖掘机配合自卸汽车清淤费用在13元/m3左右，而最便宜的自吸式管道清淤费用也在8元/m3左右，克孜尔水库的淤积量达3.2亿m3，机械清淤费用非常高，但由于汛期河道来水量大，冲沙持续时间长，若“外库”汛期实现空库冲沙，可以大大减小清淤成本。

5.5 “库中库”模式不会影响水库的防洪功能

克孜尔水库防洪高水位1151.89m，汛限水位为1145.75m，设计防洪库容为2.64亿m3，汛期两库同时参与防洪运用，“外库”空库迎洪，只有在入库洪峰流量大于下游安全泄量750m3/s时，水库才参与拦洪，此时，因“外库”空库运行，防洪高水位1151.89m以下的库容均可参与拦洪，实际防洪库容与设计相比将增加1亿m3左右(按2017年的水位库容曲线计算)，将极大地增加水库的调洪能力，确保下游的防洪安全。

6 “库中库”泥沙处理技术存在的主要技术问题

6.1 发生大洪水或特大洪水时仍有大量泥沙淤积在库内

根据水库调度规程，入库流量大于安全泄量750 m3/s， 即Q天然>Q下游安全，在库水位低于防洪高水位1151.89m时，按安全泄量750 m3/s下泄，在遭遇大洪水(如2016年40年一遇洪峰流量为3420 m3/s)且库水位低于防洪高水位1151.89m时，如按750 m3/s下泄，仍有大量携带泥沙的洪水拦蓄在水库并产生大量的淤积，由此可见，发生大洪水时汛期并不能将泥沙全部排出库外。

6.2 “内库”坝体施工难度大

因坝前泥沙淤积深度近20m左右，覆盖层大，如何选择筑坝材料、坝体形式、布局模式和施工方式，需通过实体模型试验研究优化“库中库”布局形式及运行方式。

6.3 怎样解决“内库”的蓄供水问题

初期阶段，“内库”清淤后底部高程势必低于“外库”，供水阶段“内库”的水如何流出，是否需要在主坝上重新修建灌溉冲沙闸涵；蓄水阶段，“外库”的水流如何进入“内库”，是否需要在“外库”修建导流堤还需做进一步论证。

6.4 “内、外库”联合调度方式

不同库水位与泄水排沙建筑物运用组合下，“外库”库区冲刷方式、影响因素和冲刷效果；不同库水位下“外库”外库空库冲砂的最佳流量及持续时间；有利于库容恢复的内外库联合调度方式等还需做进一步的研究论证。

7 结语

“库中库”泥沙处理技术目前还只是处于初步设想阶段，从以上分析可知，该方案可以解决空库冲沙对农业灌溉的影响，提高冲沙效果，减小清淤成本，同时还能使清淤后的库容不再产生二次淤积，对西北地区植被稀少，汛期河流含沙量高尤其是干旱缺水地区的水库清淤有广阔的使用前景，但国内还没有同类型的水库泥沙处理技术实施先例，还要根据水库实际调度运行及泥沙淤积情况在筑坝材料、坝型、施工方案、“内、外库”联合调度方式等方面做大量的基础工作并进行相关的论证。