水库淤积管理对某水库寿命的影响

特来提·艾尼瓦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 阿拉尔 843300)

坝控河流阻断了河流系统的连续输沙，导致水库淤积，因此，水库的可持续利用首先要应用各种措施来减少泥沙淤积[1-2]。人工水库淤积是一个引起世界关注的问题，国内水库年沉积率从0.2%～3.0%不等，全球年平均沉积率约为1.0%。在全球范围内，沉积量的增加超过了水库容量的增加，表明水库蓄水出现了严重的损失。水库淤积会引起各种问题，首先，水量减少导致能源生产、供水和灌溉用水以及蓄水量的损失；其次，由于出口结构堵塞而危及水库运行安全。最后，由于特定悬浮负荷浓度增加而增加涡轮机磨损。因此对水库的泥沙进行管理，将直接影响水库的使用寿命[3-5]。

本文介绍了水库泥沙淤积的可能防治措施，并以新疆地区半截沟水库、大西海子水库和二道湾水库三个水库为研究对现象，分析了不同防治措施的有效性。

1 防止沉积的措施

大多数水库在运行过程中，大坝会储存洪水和泥沙，并通过改变水和泥沙量而对下游环境产生影响，因此建议不同水库采用不同的防泥沙沉积措施[6]。本文针对防止水库淤积主要从以下三种措施进行分析。

(1)减少上游产沙量。通过淤地坝拦沙、重新造林或上游泥沙截留来控制集水区的水土流失。

(2)减少泥沙进入下游的路径。在这一措施中，可以应用各种有效的技术：使用旁路隧道或渠道(SBT)直接绕过大坝，将泥沙转移到河道外，通过泄流、浊流或冲沙排放将沉积物排出水库。泄流需要部分水位下降，将积聚的沉积物输送至大坝出口，而浊流的排放可以在不降低水位的情况下进行。冲沙包括推移质和悬浮泥沙，而只有后者才有可能排气。泄流是通过大坝底孔进行的，必须对底孔进行适当的设计，以便泄放大量的水，并承受粗泥沙的磨损。浊流的排放可以通过底孔或通过涡轮机实现。然而，通过涡轮机的一个缺点是磨损，磨损程度取决于沉积物特性，如石英含量和特定沉积物浓度。相比之下，使用旁路隧道(SBT)进行泥沙演算对于减少河床和悬浮泥沙负荷都非常有效。所有沉积物都通过导向结构(如渠道)导入隧道进水口，该技术最适用于中小型水库(<107m3)，隧道长度对应用效果起着关键作用。

(3)清除堆积的泥沙。在完全水位下降期间进行干开挖，在高水位期间使用水泵进行水力疏浚，连续向下游输送泥沙。疏浚适用于中小型水库，并且必须在一定时期内连续进行，对大型水库并不实用。由于连续泄流会对下游河段产生负面生态影响，因此在高流量期间一般不会采用这种技术。在水位完全下降期间，干开挖和泥沙冲洗会导致完全的蓄水损失。此外，只有当水库容量与年流入量相比较小时，即在水周转率较低的情况下，才能进行完全降深，对于水库而言，再次蓄水是一个长期的过程，因此一般情况下不会采用完全降深的方法。

2 水库防於措施

在国内，大多数河流和相关水库在洪水前后都会进行监测。因此，有大量的水库沉积数据，可以对措施效果进行分析。本文以新疆地区的三个水库为研究对象，分别为半截沟水库、大西海子水库和二道湾水库，分别采用修建SBT、上游拦沙坝、水库降深的措施来达到减少淤积目的，主要目标是量化每种防淤技术的长期工作效率。

2.1 SBT防淤

半截沟水库始建于1986年，1989年建成并正式投入运行，原库容15.5×106m3，集水区面积39.2 km2，正常蓄水位1037.12 m，死水位1028.50 m，上游河段为山区砾石河床,1990年上游流域发生大面积滑坡，导致大量泥沙输进水库。为了改善水库水质，在水库上游安装了过滤系统用于改善河流的自然过滤。然而，水库泥沙淤积的积累损害了水库的使用功能。因此，于1998年启动了SBT的建设。隧道全长2383.50 m，包括钢衬进口段18.50 m、混凝土衬砌隧道2350.00 m和混凝土衬砌出口15.00 m。隧道由3.80 m宽、3.80 m高的拱形断面组成，坡度为2.9%,设计流量为140 m3/s，可对应于3年一遇洪水,更高的洪水通过漫顶分流到水库。SBT在洪水期间打开，将沉积物转移至大坝尾水。隧道内流速约为12 m/s，加上粗推移质输移，隧道自开通以来面临着严重磨损问题，每年需进行一次维护工作，以修复混凝土仰拱。

通过分析年度水库沉积调查数据和绕过沉积物的数量揭示了朝日SBT的效率。利用水库淤积数据和大坝下游河床高程测量数据对估算的泥沙量进行了校准。图1为1989—2013年的实测和预计泥沙量与时间的关系。

自1998年SBT运行以来，77%的外来沉积物通过隧道转移，显示出其运行的高效性。其余的23%的沉积物在洪水期间沉积在水库中，即使在集水区造成严重的滑坡时，仍有至少66%的沉积物被清理。因此在大坝运行后不久，下游也出现了积极的生态效应，由于沉积物减少，浑浊度大大降低，水质改善，河床形态恢复。

图1 水库的累积和年输入泥沙量

2.2 拦沙坝防淤

大西海子水库为山区拦河式水库，是一座以调蓄、灌溉为主的中型水库。设计库容1260万m3，设计坝顶高程1518.11 m，正常蓄水位1512.00 m，灌溉下游地区农田面积3333 hm2。工程等别为Ⅳ等，建筑物级别为小(1)型水库，由大坝、放水涵洞和溢洪道组成。水库大坝设计采用均质土坝，混凝土护坡，坝顶高程为1385.00 m，上游坝坡1∶3，下游坝坡1∶2.5，最大坝高为30.00 m，坝体长度为257.00 m，坝顶宽度为5.00 m。主要建筑物4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。

图2显示，1990—1992年间水库发生了高沉积，原始体积的30%被沉积物占据。如果不采取对策，水库容量在1997年就已经超标。然而，从1992年开始的SBT运行大大减少了水库的泥沙输入。81%的输入沉积物被输送，1999年进一步减少，仅剩1.1×105m3，为原始体积的14.5%。当水库蓄水为设计库容的36%时，上游拦沙坝开始在集水区施工，泥沙输入量进一步减少。从1970年以来的沉积量估算数据来看，拦沙坝防淤现象更为明显，大坝的累计蓄水量达到约3.3×106m3。多年实测库容仅增加1.0×106m3，为原库容的8%。超过94%的输入沉积物通过SBT流向下游。1992—1999年和1999—2013年相比，SBT效率从81%提高到94%，如图2所示。分析其原因可能是拦沙坝截留的泥沙有效地降低了流域的产沙量。即使在洪水超过隧道设计容量的情况下，几乎所有的粗泥沙都进入了SBT。

图2 水库的聚集和输送泥沙量及拦沙坝的累积体积随时间的变化

分析了大坝蓄水效率，比较了大坝修建前1992—1999年和1999—2013年(考虑和不考虑SBT)。在两个比较时期内，年平均输沙量从1455 m3减少到601 m3(有SBT)和30.5×103m3减少到12.5×103m3(无SBT)，即两种情况下减少了近60%。

2.3 水库降深冲洗防淤

二道湾水库是一座以灌溉调节为主，兼顾防洪的综合利用的水库，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，工程建成后，改善灌溉面积2333 hm2。大坝设计采用均质土坝，浆砌石护坡，坝顶高程为114.50 m，上游坝坡1∶3，下游坝坡1∶1.87，最大坝高为15.50 m，坝体长度为145.00 m，坝顶宽度为5.00 m。主要建筑物3级，次要建筑物为4级。

1991年，首次进行了冲洗，由于冲洗过程经验不足，冲洗工作是在冬季低流量时进行的。此后水库每年进行一次冲沙。1995年成功冲洗后，在水库中形成了一条稳定的冲洗通道。2001年后，位于下游7 km处的水库在每年6月左右雨季的第一次大洪水期间进行一次协调冲洗和泄水。

图3为1985—2015年水库的实测淤积量和总泥沙流入量与时间的关系，冲淤量是这两条曲线之间的差值。冲淤量的计算是在事件前后对比水库测量数据，冲洗过程中带入水库的泥沙直接冲至下游，因此，在数据分析中不作考虑，所以总泥沙流入量更高。资料显示，自1991年以来，沉积明显减少，值得注意的是，1995年的大洪水导致水库淤积7.34×106m3，相当于总库容的82%。1995年11月，一次成功的冲洗操作，使淤积量再次降至5.61×106(占总容积的62%)。如果没有进行冲洗，水库将在1999年被填满。1991—2014年，淤积总量仅增长9%，达到4.29×106m3。共有88%的外来沉积物被冲走。

图3 水库的总体积和总泥沙流入量随时间变化

3 结 论

本文旨在通过三个水库的实例，说明不同的水库泥沙淤积防治措施的有效性。通过(1)设置旁路隧道的泥沙路径(SBT建设)；(2)在集水区修建拦沙大坝；(3)水库水位下降冲洗等措施，来减少水库淤积。结果表明，在大洪水期间，绕行和冲洗是延长水库使用寿命的有效措施。此外，在集水区修建拦沙大坝，也能够有效延长水库使用寿命。强调适当的水库泥沙管理措施的必要性，并揭示了所做的有效应用对水库使用寿命的积极影响。