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小浪底水庫的泥沙問題
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、排沙洞運用、淤積量比較以及泥沙淤積形態(tài)共5個方面的問題進行了分析和探討
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用面臨的突出問題之一。加強對水庫水文泥沙測驗及泥沙調(diào)度運用,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與經(jīng)濟效益發(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)泥沙淤積測驗常設(shè)斷面174個,其中干流布設(shè)56個,左岸21條支流布設(shè)65個,右岸19條支流布設(shè)53個。根據(jù)設(shè)計要求,干流上的斷面在高程275m以上左、右岸埋設(shè)端點樁、控制樁各1個,在高程250m以下各埋設(shè)地形樁1個;支流上部分較窄斷面,左、右岸埋設(shè)端點樁、控制樁各1個,而地形樁則視具體情況酌情埋設(shè),同時,為找樁定線的方便,在端點樁附近加埋了指示樁。
小浪底水庫蓄水至275m時,形成東西長130km,南北寬300~3000m的狹長水域,斷面法實測總庫容為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)度運用情況,這里對小浪底水庫的泥沙問題進行了初步的分析與探討。
2 水庫泥沙運用的設(shè)計原則
按小浪底水庫泥沙運用的設(shè)計思想,小浪底水庫泥沙運用應(yīng)遵循的主要原則是:
(1)攔粗排細,且初期以攔沙運用為主。
(2)采用蓄清排渾運用方式,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位置大約在距壩74.5km處,較汛前的頂點上延了26.8 km,其頂點高程為244.9m。洲面段在距壩74.5km ~113.1km之間,前坡段延伸到距壩49.6km,形成了一個長達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,測驗范圍內(nèi)淤積泥沙的粒徑普遍較細,d50一般在0.004~0.016m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0.004~0.008mm之間,屬極細的粉沙類。
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行,其根本原因在于觀測儀器一個周期只能采集一個水深數(shù)據(jù)。如采用地形法觀測,費時費力,且觀測成本較高。2003年小浪底建管局引進了具有世界先進水平的條帶測深儀,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,在提高測驗精度、降低勞動強度的同時,又使庫區(qū)水下地形實現(xiàn)了可視化演示,為實現(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)測中引進應(yīng)用,效果良好。
條帶測深儀的引進,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個測次計算,每年可節(jié)省測驗費用在80萬元左右。另一方面,條帶測深儀的引進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現(xiàn),但在異重流形成渾水水庫后,利用聲波測深儀一般會測出兩個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。在有些時候,為了準確測出泥沙淤積層的深度,觀測人員不得不冒險將重達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際,在利用12Khz的測深儀進行汛期渾水水庫觀測時,經(jīng)驗系數(shù)k一般在 0.65m~1.85m之間。因此,當(dāng)渾水水庫出現(xiàn)時,在利用12Khz的測深儀很容易測出泥漿層高度Hn的前提下,進行泥沙淤積層Hy的推算則變的容易的多。
4.3 排沙洞運用問題
在小浪底工程設(shè)計中,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)度運用情況的分析,筆者發(fā)現(xiàn)排沙洞的運用受到一定的限制。2002年汛期異重流形成達到壩前后,為了使排沙洞投入拉沙運用,小浪底建管局經(jīng)請示主管部門后才得以解決。從這幾年排沙洞運用情況看,存在如下值得商榷的問題。
(1)從設(shè)計思路看,汛期特別是異重流到達壩前形成渾水水庫后,排沙洞關(guān)閉,很容易使發(fā)電機組的過機含沙量增大,造成水輪機葉片磨蝕,于機組的使用壽命不利。有時,為了停機避沙還影響到發(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0.004~0.008mm之間,此類泥沙在一定水流強度的作用下很容易挾沙入海,一般不會造成下游河道的淤積,2003年后汛期的防洪運用就說明了這一點,同時,細紗攔在庫內(nèi),這與設(shè)計“攔粗排細”的指導(dǎo)思想也存在一定的矛盾。
(3)長期的排沙洞關(guān)閉,容易使排沙洞進口段被泥沙淤堵封死。另外,當(dāng)塔前泥沙淤積高程較高時,也不利于塔前泥沙沖刷漏斗的形成,同時將威脅進水塔閘門的啟閉安全。
4.4 淤積量比較
截止2003年12月,小浪底水庫累計淤積泥沙13.91億m3,平均每年淤積泥沙3.48億m3。而設(shè)計當(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,較多年小浪底實測平均輸沙量少9.40億t。
因此,從維護水庫正常使用壽命出發(fā),建議汛期多利用異重流進行排沙,將水庫淤沙庫容的使用壽命與下游河道的不抬高有機地結(jié)合起來,以便探索出一條水庫調(diào)度運用方式雙贏之路。
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),可能形成庫中二級壩泥沙淤積型式,這將給未來的水庫調(diào)度運用帶來被動,因此,在小浪底水庫以后的調(diào)度運用中進行改善或調(diào)整已迫在眉睫。
今年汛期,黃河水利委員會組織了第3次調(diào)水調(diào)沙試驗,其最大的不同之處就在于在小浪底水庫的回水末端進行人工泥沙擾動,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,初步認為:
(1)條帶測深儀的引進使大型水庫采用地形法進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的手段注入了新的活力。小浪底的實踐表明:由條帶測深系統(tǒng)給出的水下淤積形態(tài)直觀逼真,且可動態(tài)演示,其在提高觀測精度、降低觀測成本的同時也為水庫的數(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)者就此問題做進一步的探討和分析。
(3)小浪底水庫這幾年的調(diào)度運用表明,排沙洞的調(diào)度一直是個敏感的話題。建議樞紐調(diào)度、管理及運用各方友好協(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。結(jié)合小浪底水庫實測泥沙淤積量和設(shè)計預(yù)測泥沙淤積量分析,未來小浪底水庫應(yīng)在汛期多利用異重流進行排沙,以便緩解目前水庫泥沙淤積偏快的被動局面。
(5)水庫泥沙的淤積形態(tài)直接關(guān)系到水庫的調(diào)度運用及效益的發(fā)揮。小浪底水庫2003年汛期形成的不利的三角洲淤積形態(tài),有關(guān)人員已達成共識。今年黃河調(diào)水調(diào)沙試驗的突出特征即人工泥沙擾動便是在改善或調(diào)整這種不利的淤積形態(tài)方面邁出了第一步。
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