多沙河流水库“蓄清调浑”设计运用研究进展

张金良

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003;2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹），河南 郑州 450003）

1 研究背景

在天然河道上修建水库会带来河道边界条件的改变和来水来沙过程的变化,从而引发一系列工程泥沙问题,这种现象在泥沙量大、含沙量高的多沙河流上尤为明显[1］。工程泥沙问题有多种表现形式[2］,例如:库尾泥沙淤积会造成淤积末端上延,影响河道排洪通道畅通；库区泥沙淤积会侵占水库有效库容,影响水库综合效益发挥[3］；泄流孔洞泥沙淤堵会造成启闭设施破坏,影响工程运用安全[4］；坝下泥沙淤积会造成尾水渠泥沙淤堵,影响水库泄流安全[5］。多沙河流的治理主要围绕于工程泥沙问题的处理,受到大批学者的关注与重视[6-7］。为有效解决多沙河流水库工程泥沙问题,保障水库长期发挥效益,我国泥沙科技工作者针对多沙河流水库设计运用进行了长期探索与实践,在该领域积累了丰富的实践经验、奠定了理论基础。

多沙河流水库工程泥沙设计运用需要综合考虑工程规模、不同运用阶段泥沙淤积量、工程运用对下游河道冲淤影响等多方面因素,因此需要开展大量的研究与论证工作[8］。总体而言,我国多沙河流水库设计运用经历了3个阶段:第1阶段是20世纪五六十年代,以三门峡水库为代表,采用“蓄水拦沙”设计运用,由于对泥沙问题考虑不足,因此库容淤损过快,回水末端淤积上延,渭河下游防洪问题突出[9］；第2阶段是20世纪70年代至21世纪初期,针对水库淤积过快问题,将水库运用方式调整为“蓄清排浑”运用,部分实现了水库既定的开发目标,同时在对三门峡等水库运用实践总结的基础上,为缓解黄河下游淤积,提出小浪底水库“拦粗排细、蓄清排浑”运用方式[10］和“调水调沙”运用方式[11-13］,使得工程泥沙设计技术显著提升；第3阶段是进入21世纪以来,以小浪底水库为代表的运用实践,为多沙河流水库设计运用提供了丰富的技术支撑,此外,泥沙科技工作者针对高、超高、特高含沙量河流工程泥沙设计难和拦沙库容再生利用难等世界性难题,以古贤、东庄、马莲河等水库为基础进行理论创新、技术攻关及实践应用[14］,提出“蓄清调浑”设计运用理论及关键技术[15］,系统解决了多沙河流工程泥沙问题,形成了较为完善的理论与技术体系,极大地推动了多沙河流水库设计运用研究发展。

经过多年理论创新与技术发展,现阶段多沙河流水库“蓄清调浑”设计运用研究已经取得了较大进展,形成较为完整的系统框架,创新性地提出包括水库淤积形态与库容分布耦合设计、拦沙库容再生利用、水沙分置开发等关键技术[14］。本文旨在综述多沙河流水库设计运用发展历程,从理论创新、关键技术及工程实践3个方面总结不同发展阶段研究进展,梳理“蓄水拦沙”和“蓄清排浑”阶段存在的问题,以及“蓄清调浑”阶段取得的成果,指明新时期多沙河流水库设计运用研究发展的方向。

2 多沙河流水库设计运用理论研究进展

多沙河流水库设计运用理论的核心是研究工程修建前后库区、坝前以及坝下游的泥沙运动特性[16］,由此推演不同工程规模及工程布置时水沙运动的特点、泥沙淤积的形态及其与水库调度之间的响应[17-19］。纵观多沙河流水库设计运用理论研究进展,其基本理念主要从“蓄水拦沙”以“拦”为主到“蓄清排浑”的“拦、排”结合,再到现阶段“蓄清调浑”的“拦、排、调”结合,以“调”为主。

2.1 蓄水拦沙

20世纪五六十年代,我国兴建了大批水利工程,由于轻视泥沙问题的严重性以及对工程泥沙问题认识水平有限,因此该时期多沙河流水库设计多参考清水河流水库,并借鉴早期苏联专家对水库设计运用的经验,以拦蓄洪水泥沙为主[20］。该时期对水库排沙理论的研究也主要基于世界范围内多数水库运用的经验,即认为将已经淤积在水库里的泥沙冲走是不可能的,利用底孔放水的方法冲走已经沉积的泥沙的企图只能造成一个后果:水流作用在泥沙沉积的范围内冲出一条狭窄的沟槽,并直接在底孔旁形成一个面积有限的漏斗状坑穴,且只有在水流运动过程中处于悬浮状态的细颗粒泥沙才有可能被排出库。因此,仅仅依靠水力冲刷手段带走的泥沙量,与水库长时期运用累计拦蓄的泥沙量相比,几乎是可以忽略不计的。此外,即使水库汛期敞泄排沙,水流经过水利枢纽泄洪后也将在上游形成回水,回水的形成和水库坡降的减小将使水流流速和挟沙能力大大降低,因此泄洪排沙期库区内的泥沙淤积量仍然会很大。考虑上述因素,该时期水库往往设置较大的库容拦蓄泥沙,且忽视水库排沙作用的影响,因此不可避免地造成库容淤损过快的后果。

综上可知,“蓄水拦沙”设计运用阶段,由于缺乏经验,对工程泥沙问题认识不足,对水库水流泥沙运动过程理解有限,因此错误预估了泥沙问题的潜在危害。即使有个别学者提出在水库上游通过开展水土保持、修建拦沙坝等措施减少入库泥沙量[21-22］,但受当时主流思想的影响,泥沙处理的思路仍局限于“拦”。这种通过水库拦沙库容被动换取水库寿命的设计运用方式是不合理的,注定会大大缩短水库的使用寿命,导致水库原有开发功能在短时间内全部或部分丧失。

2.2 蓄清排浑

针对“蓄水拦沙”阶段水库淤积严重的问题,我国水利工作者认识到以“拦”为主的设计运用思路不可行,为了适应水利工程的开发需求,解决水库有效库容长期保持这一迫切问题,需要探索新的道路。早在20世纪70年代,林一山[23］根据辽宁柳河上游的闹得海水库和埃及尼罗河上的小阿斯旺水库运用经验,提出要使水库长期保持部分有效库容,就必须使库区既能在必要时达到排沙的流速,又能充分发挥蓄水兴利的目的,即采用汛期排沙、汛后蓄水的运用方式,由此拉开了“蓄清排浑”设计运用的序幕。随后,韩其为[3］进一步从理论上阐述了水库长期使用的原理和根据,并给出了保留库容的确定方法,同时从理论上详细论证了水库长期使用的根据,以及在技术上的可行性和经济上的合理性。三门峡等水库改建后泥沙淤积的有效控制也从工程实践上验证了“蓄清排浑”设计运用的可行性[24-26］。从基本原理上讲,水库蓄清排浑设计运用是指水库在汛限水位附近具有一定的泄流规模,因此在汛期含沙量较高、洪量较大时能够维持汛限水位或进一步降低水位泄洪排沙运用,将全年尤其是非汛期淤积的泥沙排泄出库,从而实现水库全年的冲淤平衡,维持有效库容的长期保持；而在非汛期含沙量较低时,水库能够蓄水兴利运用,综合实现开发目标。“蓄清排浑”设计运用方式自提出以来,在实践中不断优化和完善。张金良等[15］结合江河水沙变化的实际情况,提出了长江三峡水库、黄河三门峡水库和小浪底水库基于“蓄清排浑”运用方式进一步优化的建议,即三峡水库汛期实施“中小洪水”调度,三门峡水库由汛期全部敞泄发展为汛期大于一定流量时敞泄,小浪底水库结合调水调沙运用。

总体而言,经过我国水利工作者长期探索,不断研究水库“蓄清排浑”设计运用方式,在理论和解决实际问题上已颇为成熟,以“拦、排”结合能够保证水库调节库容和防洪库容的长期保持和使用,有效解决我国多沙河流水库有效库容难以保持的问题。但采用上述运用方式后,仍然存在一些问题需要解决,例如:水库汛期不能蓄水,在干旱地区难以保障供水任务,从而带来排沙和供水之间难以协调的矛盾；水库进入正常运用期后仍需强迫排沙,调沙能力减弱,进而影响水库防洪减淤效益；超高含沙河流水库即使采用“蓄清排浑”仍难以保持有效库容等。由此可见,“蓄清排浑”设计运用方式仍然有很大的发展空间,因此需探索新时期多沙河流水库设计运用方式。

2.3 蓄清调浑

21世纪初期,张金良等[27］结合三门峡水库和小浪底水库运用实践,提出多沙河流水库通过调水调沙长期保持有效库容的同时,还要尽可能调节出库水沙搭配关系,从而有利于下游河道减淤,由此形成了“蓄清调浑”的初步概念。发展至今,以小浪底水库为代表的运用实践[28-29］和以东庄、马莲河、古贤水库为代表的规划设计[30-33］,为多沙河流水库设计运用提供了支撑。泥沙科技工作者创新发展了工程泥沙设计理论[14］,提出了高、超高、特高含沙量河流分级标准,探明了“水库-河道”联动机制、输沙能量转换机制,创建了水库拦沙能力计算新方法,构建了库区泥沙冲淤能耗最小临界形态计算公式,从理论上揭示了泄水建筑物布设与水库排沙及有效库容保持的互馈机制,为多沙河流水利枢纽工程拦沙库容设置、淤积形态设计、泄水排沙建筑物规划设计等提供了理论基础,由此逐步形成了以全面发挥水库综合效益和长期提高下游水沙关系协调度为核心的“蓄清调浑”设计运用方式。“蓄清调浑”的核心思想是指:根据水库开发任务要求,充分考虑多沙河流来水来沙过程中场次洪水和年际间丰、平、枯变化,统筹调节泥沙对水库淤积形态和有效库容的影响,以尽可能提高下游河道水沙关系协调度为核心,以水库径流泥沙调控度为控制,设置合适的拦沙和调水调沙库容,通过“拦、调、排”全方位协同调控,实现有效库容长期保持和部分拦沙库容的再生利用、拦沙库容与调水调沙库容一体化使用,更好地发挥水库综合利用效益[15］。采用“蓄清调浑”设计运用方式的水库,在适当拦沙和汛期排沙的基础上,根据来水来沙条件动态优化水库调度运用,能够长期发挥有效协调水沙关系的作用,实现水库拦沙库容的恢复利用及下游河道的高效输沙。与“蓄清排浑”相比,“蓄清调浑”更加注重“调”的运用,指导思想更为主动、灵活。同时为更好满足“调”的需求,“蓄清调浑”在水库设计上也有一定的要求,水库需要增设足够深度的排沙底孔和足够的调沙库容,在此基础上根据水沙系列的丰、平、枯变化动态调整其运用方式,以此来解决水沙关系不协调带来的库容淤损过快或河道淤积严重等问题,从而实现以水库河道为整体的泥沙年际、年内调节的目的。

总的来说,新时期泥沙科技工作者对工程泥沙问题进行了全链条研究,使该领域得到了全方位发展。尤其是创新形成的多沙河流水库“蓄清调浑”设计运用新理念,突破了以往“蓄清排浑”运用传统,对于工程泥沙问题有了更全面的认识和更系统的理解,将泥沙处理思路由被动防御转变为主动调控,使得水库设计运用理论得到提升。同时在理论基础层面,高含沙水流能耗机理、互馈机制、输沙能量转换机理、泥沙淤积机制等均得到发展,有力支撑了水利工程的规划设计和调度运用。

3 多沙河流水库设计运用关键技术研究进展

多沙河流水库设计运用中面临着有效库容保持难、淤积形态设计难、供水排沙兼顾难等诸多问题,采用一定技术手段解决上述问题一直是研究的热点。下面分别叙述拦沙库容再生利用、淤积形态与库容分布耦合设计、水沙分置开发3项关键技术在不同阶段的研究进展。

3.1 拦沙库容再生利用技术

在河流上修建水库后,水位抬高,流速降低,势必造成库区泥沙淤积。对此,韩其为[3］的《水库淤积》、钱宁[34］的《泥沙运动力学》、张瑞瑾[35］的《河流动力学》等都对水库淤积的机制和库区水流泥沙运动的机理进行了阐述。早期“蓄水拦沙”阶段,鉴于理论基础的缺乏,尚未对水库排沙效应形成清晰的认知,普遍忽视水库的排沙作用,认为即使水库低水位运用或敞泄运用,也只能排出部分泥沙,将水库局限地看作拦沙工程[36］。到了“蓄清排浑”阶段,虽然水库库容保持领域已经有了较为成熟的理论和技术,包括溯源冲刷、异重流排沙等措施,但仍未对水库拦沙库容再生利用进行研究,也没有相应的技术,且水库拦沙库容一旦淤满后,只能被动进入正常运用期强迫排沙运用。“蓄清调浑”是对多沙河流水库拦沙库容再生利用技术的创新,该阶段首次提出了在死水位以下创造坝前临时泥沙侵蚀基准面,从而实现拦沙库容再生利用的设计理念,发明了低位非常规排沙孔洞的设置与设计技术,并在泾河东庄等水库上得以应用,非常规排沙调度方式能够实现拦沙库容恢复20%以上,使死库容复活并永续利用[14］。

3.2 淤积形态与库容分布耦合设计技术

水利枢纽的开发建设一般要同时兼顾防洪、发电、供水、灌溉等多目标要求,如何结合地形、来水来沙等条件进行库容分布设计,直接影响水库的规模指标。“蓄水拦沙”阶段,水库淤积形态计算和库容分布设计往往分开进行,且水库淤积形态设计中未充分考虑河槽冲淤临界状态,而实际上水库具有死滩活槽的特点,槽库容有冲有淤。“蓄清排浑”阶段,韩其为[16］研究了三角洲淤积的趋向性和特点。除三角洲淤积形态外,其他学者对锥体淤积形态、带状淤积形态等也有过大量研究[22,25］,形成了一些经验性的形态判别方法[37］。具体进行水库淤积形态设计的方法包括公式计算、数学模型计算和物理模型试验等。但该阶段关于冲淤临界状态的研究较少,对于河槽冲淤临界状态的界定尚不清晰,这给水库库容分布设计带来影响,造成水库回水计算基底边界不明确。“蓄清调浑”阶段,淤积形态与库容分布耦合设计技术得到完善,通过识别库区干支流水沙与泥沙淤积形态的响应关系,可统筹考虑水库调沙需求及不利影响,完整构建水库“高滩深槽、高滩中槽、高滩高槽”3种淤积形态设计技术。该阶段提出了“深槽调沙、中槽兴利、高槽调洪”三槽淤积形态和库容分布耦合设计新技术,创建了库区“小水拦沙,大水排沙,适时造峰,淤滩塑槽”的滩槽同步塑造调控技术,实现了拦沙库容、调水调沙库容、兴利库容、防洪库容分布与淤积形态的耦合设计,确立了设计新技术和规则[14］。

3.3 水沙分置开发模式与技术

水库大都有供水任务,而多沙河流水库由于存在汛期排沙的要求,需要保持一定时段的低水位运用,因此存在供水与排沙之间的矛盾,该问题对于特高含沙河流水库尤其突出。“蓄水拦沙”阶段,水库淤损过于严重,淤废后将难以发挥供水等综合效益[38］。“蓄清排浑”阶段,修建的水利枢纽工程多为单库开发模式,因此无法满足特高含沙河流水库供水保证率要求,水沙分置开发模式与技术处于空白。直至“蓄清调浑”阶段,开始研究干流大库调控泥沙、支流调蓄水库调节供水的并联水库模式,形成并联水库兴利库容联合配置设计技术,论证水沙分置效果。建立的兴利库容和调沙库容联合配置设计技术,突破了有效库容保持和供水调节之间难以协调的技术难题,为特高含沙河流重大水利枢纽工程开发找到了行之有效的途径[14］。

4 多沙河流水库设计运用实践

自20世纪50年代至今,我国多沙河流水库设计运用经历了3个发展阶段,不同阶段有相应的工程实践案例。下面分别叙述不同水库设计运用阶段的工程案例及当时存在的问题,剖析问题的成因和行之有效的解决措施,为未来水库设计运用研究提供理论和技术支撑。

4.1 蓄水拦沙

“蓄水拦沙”设计运用方式完全不考虑排沙,以一定库容拦蓄泥沙,若遇丰沙年份,水库淤积速度会很快,库容损失率大,水库的近期效益虽高,但远期效益随着库容的淤损显著降低[39］。典型案例如三门峡水库1960—1962年曾采用这种运用方式,导致水库淤积严重。在1960年9月—1962年3月,三门峡水库330 m高程以下淤积泥沙15.3亿t,有93%的来沙淤在库内,导致回水末端淤积上延,潼关高程从323.40 m抬升到328.07 m,渭河下游防洪问题严峻。黄河干流上的盐锅峡水库,运用9 a损失库容76%。黄河上游青铜峡水库,仅运用5 a,库容由6.06亿m3减至0.79亿m3,损失库容87%。内蒙古曾调查19座库容在100万m3以上的水库,总淤积量占总库容的31%。据1983年陕西省调查资料统计,全省建成的314座水库,总库容40.48亿m3,泥沙淤积量达7.67亿m3,其中1970年以前建成的120座水库已损失库容53%,有43座水库淤满报废；榆林、延安两地区水库泥沙的淤积量分别占总库容的75%和88%[40］。山西省对1958年以后兴建的大中型水库进行调查显示,到1974年年底泥沙淤积约7亿m3,占总库容的32%。由于这一时期对泥沙认识水平有限,采用了以“拦”为主的设计运用思路,被动地通过堆沙库容“拦”沙,没有很好地解决泥沙淤积问题,因此这一时期修建的水库泥沙淤积问题严重,大量工程被迫改建[26］。

4.2 蓄清排浑

经历“蓄水拦沙”阶段水库严重淤积的惨痛教训后,我国多沙河流水库开始逐渐采用“蓄清排浑”设计运用方式,最初的实践案例借鉴于闹得海水库的成功运用[23］,由此形成了“蓄清排浑”的初步理念。随后在进一步发展中,根据水库运用对泥沙调节形式的不同,分为汛期敞泄运用、汛期控制低水位运用和汛期控制蓄洪运用3种形式。汛期敞泄运用即空库迎洪,利用泄空过程造成的溯源冲刷和沿程冲刷,将前期淤积的泥沙排至库外。这种运用方式排沙效果好,能大大减少水库的淤积,如黑松林、红领巾、洗马林等水库。汛期控制低水位运用即采用限制一定的低水位进行控制运用,这个水位一般为排沙水位,当洪水到来时,库水位限制在这一水位之下,排走汛期入库的大部分泥沙,依靠年际间水沙的丰枯变化,可基本控制水库的淤积,青铜峡水库和改建后的三门峡水库即属于这种类型。汛期控制蓄洪运用即汛期含沙量较高的洪水期采取降低水位控制运用,而含沙量较低的小洪水则适当地加以拦蓄,以提高兴利效益,满足用水需要,如山西恒山水库。总的来说,虽然“蓄清排浑”基本解决了水库的淤积问题,但水库进入正常运用期后调沙库容过小与协调水沙关系的矛盾仍难以解决,且超高、特高含沙河流即使采用“蓄清排浑”仍难以解决库容淤损过快的难题。

4.3 蓄清调浑

新时期以小浪底水库为代表的运用实践,致力于解决“蓄清排浑”设计运用方式存在的难题,为多沙河流水库设计运用提供了丰富的技术支撑。依托黄河古贤水利枢纽、泾河东庄水利枢纽、马莲河水利枢纽等重大工程设计,对涉及的工程泥沙问题进行了全链条研究,形成了系统的“蓄清调浑”设计运用理论技术体系。多沙河流水库库坝区输沙流态和冲淤模式十分复杂,现有模型考虑不全面,难以适应高、超高、特高含沙量水库冲淤模拟。针对目前多沙河流水库回水计算基底边界不明确,可能导致移民回水超出设计范围,诱发社会问题,提出了基于高滩高槽推算移民水位的新方法。在深入研究古贤库坝区泥沙冲淤规律的基础上,识别库区干支流水沙交互存在沿程入汇、分层倒灌、蓄泄吐纳、侧向驱动4种基本模式,建立了冲淤模拟方法,提出了库坝区耦合水沙全交互模型,能够支撑水库泥沙设计的全方位模拟评估[14］。为持续发挥水库拦沙减淤效益,提出在死水位以下创造坝前临时泥沙侵蚀基准面,实现拦沙库容再生利用的设计理念。在超高含沙量河流水库泥沙设计中,在常规泄流排沙孔以下增设非常规排沙底孔,通过孔洞空间布置、泄流规模等设计,在死水位以下快速形成临时泥沙侵蚀基准面,为实现拦沙库容再生利用创造工程条件。结合东庄水库调度设计,根据东庄水库水沙特性,提出低位非常规排沙孔洞采用“相机泄空,适时回蓄”的调度方式,并确定了启用的水沙条件、泄水流量、回蓄时机,使水库拦沙库容恢复20%以上,并永续利用[14］。针对特高含沙河流水库有效库容保持和供水调节之间难以协调的难题,结合马莲河水库,创建了特高含沙河流干流大库调控泥沙、调蓄水库调节供水的并联水库水沙分置开发模式,为特高含沙量河流重大水工程开发开辟了新途径。

5 结论

本文系统回顾了我国多沙河流水库设计运用方式的发展历程,对“蓄水拦沙”“蓄清排浑”“蓄清调浑”3个阶段水库设计运用理论研究、关键技术和应用实践进行总结和分析,主要认识如下:

(1)在理论研究层面,“蓄水拦沙”缺乏水库排沙理论支撑,单纯采用“拦”的策略,忽视水库排沙效应；“蓄清排浑”采用“拦、排”结合的策略,能够从理论上阐述水库长期使用的原理和根据,但仍具有一定局限性；“蓄清调浑”注重“调”,完善发展高含沙水流能耗机理、多沙水库泥沙淤积机制,将泥沙处理思路由被动防守转为主动调控。

(2)在关键技术中,“蓄清调浑”对多沙河流淤积形态与库容耦合分布设计技术、超高含沙河流水库拦沙库容再生利用技术和特高含沙河流水沙分置开发技术等进行创新,实现协调水沙关系和拦沙库容再生利用,解决了长期以来制约超高、特高含沙河流大型水利枢纽建设的关键难题。

(3)在工程实践中,“蓄清调浑”运用方式与设计技术已经在小浪底等水库进行了应用,为黄河古贤、泾河东庄以及马莲河等重大水利枢纽工程论证提供了技术支撑,未来结合工程建设运行可进一步验证完善“蓄清调浑”运用理论及设计技术。