水利工程論文-小浪底水庫的泥沙問題.doc

水利工程論文-小浪底水庫的泥沙問題摘要：通過分析小浪底水庫泥沙觀測手段及觀測成果，結(jié)合水庫這幾年的調(diào)度運(yùn)用情況，文中就水庫泥沙淤積的觀測方法、泥沙淤積層的確定、排沙洞運(yùn)用、淤積量比較以及泥沙淤積形態(tài)共5個(gè)方面的問題進(jìn)行了分析和探討關(guān)鍵詞：泥沙泥沙淤積層泥漿層小浪底水庫1前言黃河是一條舉世矚目的多沙河流，小浪底水庫承接來自黃河三門峽及小浪底庫區(qū)的全部來沙量，泥沙淤積將是水庫運(yùn)用面臨的突出問題之一。加強(qiáng)對水庫水文泥沙測驗(yàn)及泥沙調(diào)度運(yùn)用，控制庫區(qū)泥沙沖淤變化，關(guān)系到小浪底水庫的使用壽命及社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮，因此，小浪底水庫的泥沙問題備受國內(nèi)外水利專家的關(guān)注。小浪底庫區(qū)泥沙淤積測驗(yàn)常設(shè)斷面174個(gè)，其中干流布設(shè)56個(gè)，左岸21條支流布設(shè)65個(gè)，右岸19條支流布設(shè)53個(gè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，干流上的斷面在高程275m以上左、右岸埋設(shè)端點(diǎn)樁、控制樁各1個(gè)，在高程250m以下各埋設(shè)地形樁1個(gè)；支流上部分較窄斷面，左、右岸埋設(shè)端點(diǎn)樁、控制樁各1個(gè)，而地形樁則視具體情況酌情埋設(shè)，同時(shí)，為找樁定線的方便，在端點(diǎn)樁附近加埋了指示樁。小浪底水庫蓄水至275m時(shí)，形成東西長130km，南北寬3003000m的狹長水域，斷面法實(shí)測總庫容為126.5億m3，其中，支流庫容占總庫容的41.1%。通過近幾年的泥沙淤積觀測，結(jié)合樞紐近幾年來的調(diào)度運(yùn)用情況，這里對小浪底水庫的泥沙問題進(jìn)行了初步的分析與探討。2水庫泥沙運(yùn)用的設(shè)計(jì)原則按小浪底水庫泥沙運(yùn)用的設(shè)計(jì)思想，小浪底水庫泥沙運(yùn)用應(yīng)遵循的主要原則是：（1）攔粗排細(xì)，且初期以攔沙運(yùn)用為主。（2）采用蓄清排渾運(yùn)用方式，利用水庫75.5億m3的攔沙庫容和10.5億m3的調(diào)水調(diào)沙庫容，在50年運(yùn)用期內(nèi)相當(dāng)于約25年內(nèi)下游河床不再抬升。3蓄水四年來水庫泥沙沖淤情況通過對下閘蓄水4年來水庫泥沙淤積觀測資料的整編，我們得到：（1）蓄水后第一年即2000年，水庫入庫沙量3.61億t，出庫沙量0.042億t，排沙比僅為1.2%。（2）蓄水后第二年即2001年，水庫入庫沙量2.94億t，出庫沙量0.29億t，排沙比為9.9%。（3）蓄水后第三年即2002年，水庫入庫沙量2.71億t，出庫沙量0.634億t，排沙比為23.4%。（4）蓄水后第四年即2003年，水庫入庫沙量7.10億t，出庫沙量1.07億t，排沙比為15.1%。在泥沙淤積形態(tài)方面，從2003年12月的觀測結(jié)果看，回水末端的淤積三角洲其頂點(diǎn)位置大約在距壩74.5km處，較汛前的頂點(diǎn)上延了26.8km，其頂點(diǎn)高程為244.9m。洲面段在距壩74.5km113.1km之間，前坡段延伸到距壩49.6km，形成了一個(gè)長達(dá)63.5km的淤積三角洲。洲面段和前坡段的比降分別為0.28和1.43。通過計(jì)算，該三角洲泥沙淤積量為3.23億m3，占2003年水庫干流淤積量的93.3%。在淤積泥沙的顆粒組成上，測驗(yàn)范圍內(nèi)淤積泥沙的粒徑普遍較細(xì)，d50一般在0.0040.016m之間，屬于粉沙類。2003年汛后觀測結(jié)果顯示，在距壩40.9km以下，淤積泥沙其d50在0.0040.008mm之間，屬極細(xì)的粉沙類。4有關(guān)問題分析4.1觀測手段的變革傳統(tǒng)的水庫泥沙淤積觀測，特別是大型水庫泥沙淤積觀測一般均采用斷面法進(jìn)行，其根本原因在于觀測儀器一個(gè)周期只能采集一個(gè)水深數(shù)據(jù)。如采用地形法觀測，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且觀測成本較高。2003年小浪底建管局引進(jìn)了具有世界先進(jìn)水平的條帶測深儀，使庫區(qū)淤積觀測從傳統(tǒng)的斷面法觀測轉(zhuǎn)變?yōu)榈匦畏ㄓ^測，在提高測驗(yàn)精度、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，又使庫區(qū)水下地形實(shí)現(xiàn)了可視化演示，為實(shí)現(xiàn)水庫數(shù)字化管理奠定了基礎(chǔ)。該成果受到水利部有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)的重視，并在長江提防工程水下部分復(fù)測中引進(jìn)應(yīng)用，效果良好。條帶測深儀的引進(jìn)，一方面降低了庫區(qū)泥沙淤積觀測的成本，經(jīng)對比測算，每年按2個(gè)測次計(jì)算，每年可節(jié)省測驗(yàn)費(fèi)用在80萬元左右。另一方面，條帶測深儀的引進(jìn)使大型水庫水下采用地形法測量變?yōu)榭赡?，這將帶來水庫泥沙淤積觀測的一場變革，其意義及影響將是深遠(yuǎn)的。4.2泥沙淤積層的確定在清水狀態(tài)下，水庫庫底泥沙淤積層的觀測一般容易實(shí)現(xiàn)，但在異重流形成渾水水庫后，利用聲波測深儀一般會(huì)測出兩個(gè)界面即清渾水界面與泥漿層界面，而庫底泥沙淤積層面卻無法測出。在這種情況下，泥沙淤積層的觀測是困擾水庫泥沙觀測人員的一道難題。在有些時(shí)候，為了準(zhǔn)確測出泥沙淤積層的深度，觀測人員不得不冒險(xiǎn)將重達(dá)150kg的鉛魚下放到庫底，以便弄清泥沙淤積層的位置。通過這幾年對小浪底渾水水庫的觀測，筆者發(fā)現(xiàn)泥沙淤積層與泥漿層之間存在如下關(guān)系：Hy=Hn-k式中：Hy為庫底泥沙淤積層高度；Hn為渾水層內(nèi)泥漿層高度；k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。根據(jù)小浪底水庫來水來沙情況以及這幾年的泥沙觀測實(shí)際，在利用12Khz的測深儀進(jìn)行汛期渾水水庫觀測時(shí)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k一般在0.65m1.85m之間。因此，當(dāng)渾水水庫出現(xiàn)時(shí)，在利用12Khz的測深儀很容易測出泥漿層高度Hn的前提下，進(jìn)行泥沙淤積層Hy的推算則變的容易的多。4.3排沙洞運(yùn)用問題在小浪底工程設(shè)計(jì)中，排沙洞主要用于汛期排沙，在汛期屬于經(jīng)常開啟的洞室。通過對這幾年水庫調(diào)度運(yùn)用情況的分析，筆者發(fā)現(xiàn)排沙洞的運(yùn)用受到一定的限制。2002年汛期異重流形成達(dá)到壩前后，為了使排沙洞投入拉沙運(yùn)用，小浪底建管局經(jīng)請示主管部門后才得以解決。從這幾年排沙洞運(yùn)用情況看，存在如下值得商榷的問題。（1）從設(shè)計(jì)思路看，汛期特別是異重流到達(dá)壩前形成渾水水庫后，排沙洞關(guān)閉，很容易使發(fā)電機(jī)組的過機(jī)含沙量增大，造成水輪機(jī)葉片磨蝕，于機(jī)組的使用壽命不利。有時(shí)，為了停機(jī)避沙還影響到發(fā)電效益的發(fā)揮。（2）調(diào)度部門決策排沙洞是否啟用主要是控制出庫含沙量，以免下游河道淤積抬升。從渾水水庫泥沙顆粒組成看，其d50一般在0.0040.008mm之間，此類泥沙在一定水流強(qiáng)度的作用下很容易挾沙入海，一般不會(huì)造成下游河道的淤積，2003年后汛期的防洪運(yùn)用就說明了這一點(diǎn)，同時(shí)，細(xì)紗攔在庫內(nèi)，這與設(shè)計(jì)“攔粗排細(xì)”的指導(dǎo)思想也存在一定的矛盾。（3）長期的排沙洞關(guān)閉，容易使排沙洞進(jìn)口段被泥沙淤堵封死。另外，當(dāng)塔前泥沙淤積高程較高時(shí)，也不利于塔前泥沙沖刷漏斗的形成，同時(shí)將威脅進(jìn)水塔閘門的啟閉安全。4.4淤積量比較截止2003年12月，小浪底水庫累計(jì)淤積泥沙13.91億m3，平均每年淤積泥沙3.48億m3。而設(shè)計(jì)當(dāng)初預(yù)測，小浪底水庫平均每年的泥沙淤積量為3.02億m3。兩者相比，小浪底水庫這幾年所攔泥沙特別是細(xì)紗明顯偏多。何況這幾年黃河來水來沙屬偏枯年份，特別是2002年入庫沙量僅2.71億t，較多年小浪底實(shí)測平均輸沙量少9.40億t。因此，從維護(hù)水庫正常使用壽命出發(fā)，建議汛期多利用異重流進(jìn)行排沙，將水庫淤沙庫容的使用壽命與下游河道的不抬高有機(jī)地結(jié)合起來，以便探索出一條水庫調(diào)度運(yùn)用方式雙贏之路。4.5淤積形態(tài)塑造根據(jù)2003年汛后測驗(yàn)結(jié)果，小浪底水庫縱向淤積形態(tài)在距壩49.6km以上呈三角洲淤積形態(tài)，這種形態(tài)屬不利的三角洲淤積形態(tài)。如若處理不當(dāng)，可能形成庫中二級(jí)壩泥沙淤積型式，這將給未來的水庫調(diào)度運(yùn)用帶來被動(dòng)，因此，在小浪底水庫以后的調(diào)度運(yùn)用中進(jìn)行改善或調(diào)整已迫在眉睫。今年汛期，黃河水利委員會(huì)組織了第3次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)，其最大的不同之處就在于在小浪底水庫的回水末端進(jìn)行人工泥沙擾動(dòng)，此舉也正是為了改善水庫上游不利的三角洲淤積形態(tài)。5結(jié)語通過以上分析，初步認(rèn)為：（1）條帶測深儀的引進(jìn)使大型水庫采用地形法進(jìn)行水下泥沙淤積觀測變?yōu)榭赡?，這無疑給水庫泥沙淤積測驗(yàn)的手段注入了新的活力。小浪底的實(shí)踐表明：由條帶測深系統(tǒng)給出的水下淤積形態(tài)直觀逼真，且可動(dòng)態(tài)演示，其在提高觀測精度、降低觀測成本的同時(shí)也為水庫的數(shù)字化管理奠定了基礎(chǔ)。（2）由泥漿層推算泥沙淤積層只是一種嘗試，但它可有效地解決渾水水庫條件下泥沙淤積層觀測難的問題。建議感興趣的專家學(xué)者就此問題做進(jìn)一步的探討和分析。（3）小浪底水庫這幾年的調(diào)度運(yùn)用表明，排沙洞的調(diào)度一直是個(gè)敏感的話題。建議樞紐調(diào)度、管理及運(yùn)用各方友好協(xié)商，在尊重科學(xué)的基礎(chǔ)上，使排沙洞發(fā)揮其應(yīng)有的作用。（4）泥沙淤積量是衡量水庫有效使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)合小浪底水庫實(shí)