水库具有防洪、发电、灌溉、供水等多种功能,泥沙淤积造成库容损失,使水库的功能、安全和综合效益受到影响。此外,被淤满的水库可能面临拆坝问题,造成较大的经济损失。

丹江口水库作为南水北调中线工程的源水库,延长其使用寿命、保证其长久良好地运行,不但有重要的经济意义,而且有更重要的社会意义。排沙清淤是保证丹江口水库能长期运用良好的重要措施。根据丹江口水库的自身特性,在变动回水区及其附近进行“防治型”排沙清淤是治理库区淤积泥沙的有效途径,与传统的坝前“治疗型”排沙清淤相比有许多优越之处。

国内水库泥沙治理研究现状及治理措施

对水库泥沙进行管理,保持和恢复已建水库的功能,成为解决水资源短缺、洪涝灾害严重问题的重要手段,也是当前人们关注的热点问题。

闻名中外的都江堰已有两千多年的历史,它之所以能长期运用良好,其中有一个主要原因是:在岷江的出山口处的江心垒砌的鱼嘴因势利导分水、分沙;在引水口上江湾凸岸处修建的飞沙堰有利排沙;平均每年人工清淤近100万m3.可见都江堰枢纽非常重视泥沙处理,也正是排沙清淤保持了该枢纽工程的生命力。还有一些运行良好的水利枢纽工程,也都修建了排沙工程和采取了清淤措施。因此可以说,排沙清淤是保证水利枢纽工程能长期运用良好的主要措施。

时间:2016-09-06 04:28点击: 次来源:网络作者:admin评论:- 小 + 大

开展水库泥沙淤积管理研究,就是采用先进的管理理念,综合运用工程和非工程措施,实现如下目标:保持水库库容,实现水库功能的可持续利用;减轻大坝荷载,改善大坝安全状况;降低库尾高程,提高防洪效益;疏浚库尾河段航道,提高航运效益;减轻库区淹没,缓解移民问题;减少有机物在泥沙上的吸附,改善库区水质。

丹江口水库是一座大型蓄水型水库,绝大部分来沙被拦蓄在库内,大量的淤积泥沙对水库的正常运行构成了潜在的威胁,消除这种潜在威胁的主要方法是排沙清淤。丹江口水库,在减少入库泥沙方面已做了大量的工作,如:水土保持、小流域治理、子水库修建和支沟拦沙等,但在清除进入水库和已淤积在水库中的泥沙方面,还没有引起足够的重视,基本处于任其发展状况。本文根据丹江口水库的自身特性,论述了丹江口水库排沙清淤的必要性;提出了在丹江口水库变动回水区及其附近修建排沙清淤工程和采用机械挖沙清淤以及多种方法有机结合清淤的设想,并对其布置方法进行了探讨。

泄流排沙措施作为水库设计的重要内容是不容忽视的,下面是小编搜集整理的一篇探究国内水库泥沙治理研究现状的论文范文,欢迎阅读查看。

对于水库泥沙淤积管理,管理理念是思想基石,泥沙淤积研究提供技术理论支持,防治措施是具体工程手段,管理评价通过对工程措施进行评价,寻求合理防治方案。开展泥沙淤积研究、提出新的防治措施和开发管理评价模型,都应在管理理念指导下进行,从而保证各环节的逻辑一致性;各环节的执行结果作为管理理念的反馈,可促进管理理念的改进和更新。

2 丹江口水库排沙清淤的必要性

1引言

水库泥沙淤积管理理念

2.1 丹江口水库水沙特性和淤积状况

我国大多数河流都存在含沙量高、输沙量大的特点,其中七大江河的年输沙量高达23亿t;而长江的含沙量虽然不算高,仅0.54kg/m3,但由于年径流量较大,年沙量也近5亿t[1].在这些河流上修建挡水建筑物形成水库后,导致库区水位抬高,流速减小,从而使水流携带的泥沙被淤积在库区,大幅度减少有效库容量,增加水库运行难度,影响经济效益.为减少库区泥沙淤积的不利影响,国内相关专家学者针对不同类型的水库,提出了具有建设性的治理措施.

1.“设计寿命”管理理念

座落于汉江中上游、丹江入汇口下游0.8 km的丹江口水库,是丹、汉两江并联水库。控制汉江流域面积9.5万km2,占汉江流域面积的60%;坝址多年平均径流量为398亿m3(黄家港站1954—1990年),占汉江流域总径流量的70%。坝址多年平均输沙量1.15亿t.丹江口水库死水位139 m,相应库容为72.3亿m3;正常蓄水位157 m,相应库容174.5亿m3(汉江占54%,丹江占46%),相应回水长:汉江库区177.6 km,丹江库区85 km.

2水库泥沙淤积机制及影响

“设计寿命”管理理念是指在工程的寿命周期内,实现工程的规划、设计、建设、运行和维护,完成工程既定的各项任务。工程的寿命一旦确定(50年、75年或是100年),规划、设计、建设、运行和维护就限于这个时段内进行。

根据多年的实测资料可知,丹江大坝蓄水后98%的来沙被拦蓄在库区内。按每年1亿t来沙量计算,从1968年蓄水至今,淤积在库区内的泥沙约20亿m3,占死库容27.7%,占总库容11.5%。

水库泥沙淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至挡水建筑物之间库区的堆积.拦河筑坝后抬高了河流的水位,形成了在建筑物前近似水平、在上游末端与天然河流原水面线相切的水面曲线.水流进入库区后,由于水深沿流程而增加,水面坡度和流速沿流程减小,因而水流挟沙能力沿流程而逐渐降低,出现泥沙淤积[2].水库淤积是水库设计和管理中的一个难题.在河道上兴建水库会改变河流的水流条件和泥沙运动状态,使泥沙在水库库区内较快地淤积,占用水库的库容,从而降低水库的使用效益,甚至导致水库失效报废.

“设计寿命”管理理念有如下特点:工程的寿命期确定,工程管理是有限的线性过程;水库建设、运行与维护的约束条件是规划或设计时所考虑的外部因素;随着工程老化、水库不断淤积,工程逐步丧失各项功能;工程寿命末期,报废或降等处理造成的环境和社会影响由后代承担。这种管理理念在水库设计与运行管理中已得到广泛应用。

丹江口水库的淤积泥沙,在20世纪90年代以前主要分布在变动回水区和变动回水区与常年回水区的交界处。1983年特大洪水之后,近20年中,大多年份水库来水为平、枯水年,每年有较长时间处于低水位以下运行。长时间低水运行,导致变动回水区在河流的造床作用下形成了新的天然河道形态。在新的天然河道中,有的河段已达到平衡状态,有的已达到准平衡状态。变动回水区的这种演变发展,使得入库和原变动回水区的大量泥沙快速移至常年回水区,结果加快了有效库容的淤积速率。如果这种情况继续下去,将会影响水库的正常运行。

其次,水库的回水变动区将由于泥沙淤积,很容易形成三角洲淤积,抬高河床河床高程,堵塞航道,使得河流通航能力降低.回水区内的三角洲可能减少过河桥下的净高,甚至在枯水季时造成通航困难.上游河段河水的含沙量越高,水库水位的变幅就越大,水库回水区内形成的三角洲也就越大,对航运的影响也就越严重[3].所以,设计水库回水区内的新建桥梁时,应考虑水库的调度运行方式及河道的可能淤高,减小泥沙淤积对航运条简单的影响.水库淤积还会减少水库的有效库容,从而使水电站的发电能力降低.如果淤积形成的三角洲在大坝附近,还可能阻碍水流进入发电机,并增加进入发电机的泥沙.当泥沙粒径大于零点二五毫米时,会磨损涡轮机叶片和阀门座槽,大大降低其使用寿命[4].因此只有合理选择冲沙时机,制定和实施恰当的冲沙调度方案,才能较好地解决冲沙与发电之间争水的矛盾,增加水库使用寿命,从而大的发挥工程效益.所以对水库泥沙淤积及冲沙调度的研究具有重要的现实意义.

在这种管理理念指导下,为实现水库的各项功能,需要根据外部因素和建设目的,确定水库设计与运行管理的关键要素,包括水库寿命和水库运行调度方式。同时,由于水库运行与维护的需要,应对水库进行安全管理,并进行相应的经济评价。运行期间,若外部条件发生变化,尤其是来水来沙条件变化,一些水库库容会不断减少,甚至被淤满。

2.2 丹江口水库排沙清淤的必要性

3国内水库泥沙治理研究现状

2.生命周期管理理念

丹江口水库虽在规划设计中预留72.3亿m3的死库容作为堆沙库容,这自然不失为解决泥沙淤积问题的一种途径,甚至是现时可行之途径。但来沙无尽,库容几何?由上述水沙特性和淤积状况资料可知,丹江口水库库容损失的速度是惊人的,如果任其发展,在不远的将来丹江口水库会成为一座堆满淤泥的死库,到那时,将给汉江流域乃至中国带来不可估量的损失。因此,对丹江口水库进行排沙清淤治理是非常必要的,也是养护丹江口水库库容的必然选择之法。

我国早期修建的水库,由于对水库排沙问题的考虑相对较少,造成的水库淤积现象特别严重.为了减缓水库的淤积速度,延长水库的使用寿命,大部分水库都进行改造,对水库调度方式也进行改进和优化.例如三门峡水库,由于泥沙淤积非常严重,为了扩大泄流排沙规模曾进行过两次大改建.姜乃森等对红山水库淤积进行研究认为,即便采用泄空冲刷,效果也极为有限,主要原因就是现有泄流设施不能满足排沙的需要.杨方社等对新桥水库淤积的研究分析指出,水库泥沙设计的关键是泄流排沙措施的布置.

针对“设计寿命”管理理念中存在的问题,2003年世界银行提出了水库可持续管理的生命周期管理理念,包含的元素与“设计寿命”管理方法基本一致,但以循环的形式进行组织,循环是水库泥沙淤积管理得以实现的关键。

对于蓄水型的丹江口水库,在库容养护方面,最理想的做法是在水库开始蓄水运行时就应该开展投资少、施工难度小、见效快的“防治型”排沙清淤治理(“防治型”排沙清淤是指:库区淤积泥沙对水库的运行不足以构成威胁时所进行的排沙清淤治理)。也就是说:要未雨绸缪,积极防护,不能把调节库容淤满时出现的问题(也是难以解决的问题)留给子孙后代来解决。丹江口水库运行30多年,死库容淤积近1/3,现开展清淤治理已属晚矣。但淤积泥沙还未影响到水库的正常运行,尚能尽快实施,还能较容易地遏止泥沙淤积向常年回水区扩散的趋势;否则隐患丛生、治理就更加困难。

由此可见,泄流排沙措施作为水库设计的重要内容,是不容忽视的.除了排沙设施外,合理的水库调度和排沙方式对水库运行期间的淤积控制也是很有效的.张振秋等对以礼河水库冲刷的研究表明,这种方式能有效的治理水库泥沙淤积,但却以消耗水库大量的清水为代价,严重影响了水库发电效益.黄委会兰州总站等对巴嘴水库在不同运行调度方式下的排沙效果进行分析,得出在采用蓄水运用、治洪运行和出现滩槽时排沙比分别为14.9%、52.0%和91.5%,说明在库区初步形成高滩深槽对增加水库排沙比、减少淤积具有非常重要的意义.随着在对水库淤积研究的深入,我国科研工作者利用水库淤积和排沙规律摸索出来的蓄清排浑的治理方式,可以使得水库淤积大大减缓的有效运行模式,其中较为典型的主要有闹德海、红领巾、恒山等水库的研究[5].现阶段,我国修建的大中型水库都汲取了以往水库运行的经验教训,从水库的长期使用出发,采用蓄清排浑的治理方式.

因此,对丹江口水库进行排沙清淤治理,不但势在必行,而且还应尽早实施。

为更好地发挥水库的经济效益和减少泥沙淤积,以及回水上延,在综合考虑了防洪、发电和航运的影响的基础上,研究分析泥沙淤积对不同运行方式下对水库影响的侧重点,进一步优化蓄清排浑方式,主要集中在对特征水位和特征水位部分变动的研究.例如童思陈采用一维不平衡泥沙数学模型,以溪洛渡水库为例,从汛后蓄水时间和汛期限制水位两个方面对水库淤积过程、三角洲推进、横断面发展和排沙比变化等淤积特性的影响进行分析,总结了其中表现出来的规律[6].

2.3 排沙清淤的社会效益和经济效益

4国内水库排沙治理措施案例

丹江口水库作为南水北调中线工程的源头水库,在南水北调中线工程竣工运用后,防洪、调水将成为水库的主要功能。防洪、调水产生的社会效益和经济效益是巨大的。而满足正常防洪、调水是以一定库容作基础。保证一定库容的重要措施是排沙清淤。因此,清除丹江口水库库区淤积泥沙,保证水库具有一定库容、延长其使用寿命,不但有重要的经济意义,而且有更重要的社会意义。

我国自20世纪50年代以来,先后在黄河、长江流域兴建了许多水库,水库排沙治理问题一直备受关注,为此,针对问题较为严重的一些水库,通过大量的研究实践,提出了相应的治理措施.

然而,对处于正常运行水库进行排沙清淤,往往得不到人们的重视。有一个重要原因是人们认为:清除库区中淤积泥沙的费用高于修建同体积水库的费用。 对此,笔者有不同的看法。笔者认为:大型水工建筑物对地址的选择上往往具有惟一性。也就是说,在某个流域内某一位置所修建的水利枢纽,其效能具有唯一性。例如:当丹江口水库淤死废弃后,在汉江流域很难再建一座与丹江口水库效能等同的水库。另外,淤死废弃后的水库不但不能创造效益,而且还会危害环境,还需投入治理和管理费用。因此,清除库区中淤积泥沙所产生的效益是长远的,是不能与修建同体积水库的费用等比的。况且还可采取早期治理、分散投资和对清除物综合利用来降低成本投入。

小浪底水库的调水调沙过程可划分为两个阶段:

3 水力排沙清淤

第一阶段为小浪底水库清水下泄阶段,降低水库蓄水量,放水造峰,可以对下游河道进行冲刷;第二阶段为小浪底水库排沙出库阶段,由于含沙量较大,会形成异重流,排出水库中淤积的泥沙.

3.1 丹江口水库水力排沙清淤概况

第一阶段的清水下泄,可以冲刷下游河槽,使其形成窄深状,加大河道过水面面积,恢复河道排洪能力.而第二阶段需要与上游水库联合调度.从2010年汛前调水调沙水库排沙过程来看[7],小浪底水库排沙出现了2个峰值:在三门峡水库排沙之前,小浪底水库已经开始排沙,含沙量为288kg/m3,说明三门峡水库泄空时塑造的洪峰在小浪底水库三角洲附近发生强烈冲刷,形成的高浓度悬沙水流在水库回水库段产生异重流并排沙出库,造成第一个沙峰;随后三门峡水库排沙形成的高含沙水流所产生的异重流排沙出库,造成第二个洪峰。

水力排沙清淤是根据水流的运动规律,利用水流所具有挟沙能力的特点,按照人们的意愿,通过水工建筑物把库区的泥沙排到指定的区域内。在利用水力排沙方面,丹江口水库采用深孔泄洪排沙。深孔泄洪排沙,只能排走坝前淤积泥沙和少量悬移质泥沙。此排沙法是以减少蓄水量为代价。从30多年的实际运用情况看,收效甚微,而且向下游排泄泥沙会危害下游王甫洲水利枢纽和下游河道环境(现在多数河流实行梯级开发,由上游水利枢纽向下游排沙的做法已不可取)。另外,南水北调中线工程竣工后,大坝加高和大量调水使泄水机会将大大减少。因此,利用大坝泄水排沙在丹江口水库将难以发挥作用。根据入库泥沙大部分先落淤在变动回水区,而后在汛、枯期和丰、平、枯水年份的周期交替中,不停地、循环地、一次次地把泥沙从水库变动回水区的浅水区搬运到深水区,直至水库被泥沙淤满为止这一规律。笔者提出在丹江口水库变动回水区及其附近,修建水力排沙枢纽工程,使河流泥沙在未入库前就被排走。

由于三门峡水库蓄水量大,塑造的洪水具有流量大、历时长的特点,且小浪底水库三角洲顶点附近的接水位较低,使得三角洲顶坡段发生沿程冲刷及溯源冲刷,故此次水库排沙比较大。但有学者根据历年排沙数据以及相关公式推导[8],发现现阶段的蓄清排浑方式可以进行优化,改为泥沙多年调节排沙.这种排沙运用方式主要是利用洪水的“涨冲落淤”的特性,充分利用洪水排沙.在枯水年以及平水年内,不进行水库排沙作业,而在丰水年利用洪水将水库中淤积的泥沙排出,这样即可以提高冲刷效率,同时也可以减小排沙用水,增加水库的经济效益.

3.2 修建旁引蓄沙水库

刘家峡水库早在1969年已经投入使用,在水库运行第一阶段水库单独运行.由于入库流量主要集中于汛期,因此在蓄水期期间会产生大量弃水,为该段时间进行异重流排沙以及低水位拉沙提供充足的水量.1980年,水库出现沙坎阻水现象,导致坝前水位骤降0.96m.为降低沙坎淤积面高程,刘家峡水库分别于1981年、1984年、1985年、1988年进行了4次低水位拉沙,低水位拉沙达到预期效果,降低了沙坎预计面高程.但是低水位拉沙会导致大量粗沙过机,对机组造成严重磨损,且耗水量过大,故这种方法在1988年以后再未进行.而在水库运行的第二阶段刘家峡水库和龙羊峡水库联合调度运行,龙羊峡水库水库拦截了黄河干流泥沙的40%,而刘家峡调整调度方式,采用蓄清排浑的调度原则.为提高排沙效果,刘家峡水库在距坝1.2km的黄河右岸增建排沙洞,于2015年投入使用.

在库区河道岸旁的沟谷、山川中,利用有利地形修建引洪蓄沙水库。在洪水期将泥沙引入库中沉蓄,澄清后的库水或再引入主库或作他用。利用旁引蓄沙水库可排走推移质、悬移质等入库泥沙。

长江相对黄河而言,泥沙含量要低得多,故对于三峡水库而言,排沙任务相对黄河上的水库较轻.三峡水库主要是采用蓄清排浑的方式,通过23个低高程、大尺寸的泄洪深孔来排沙.水库汛期低水位运行时,需要将大量泥沙通过泄洪深洞排出;而汛期末蓄水至高水位,将清水蓄于水库中,这种蓄清排浑的排沙治理措施效果较好.同时由于长江已经实现了梯级开发,长江上游的溪洛渡水库可以拦截部分泥沙,又减轻了三峡水库的排沙压力.

旁引蓄沙水库库址选择。旁引蓄沙水库库址应选择容积较大、地质结构比较稳定的沟谷、山川。丹江口水库上游河道为山区河道,两岸山谷纵横,有适合修建旁引蓄沙水库的沟谷、山川(如:处于西峰咀河段的五峰区的川谷地带)。如果澄清后的库水不再引入主库而作他用时,最好把库址选择在外流域。

5结语与建议

旁引蓄沙水库引水口所处河段位置选择。旁引蓄沙水库引水口所处河段位置应按排沙种类进行选择。以排走推移质为主的引水口,可布置在变动回水区上部(如:天河口至白河段);以排走中细沙和悬移质为主的引水口,可布置在变动回水区的下部(如:花梨弯至天河段)。

水库泥沙淤积是水库运行治理的难题之一,不仅占用了水库的有效库容,使水电站的发电能力降低,更是严重影响水库运行安全.根据上述几个水库排沙方式的比较,可以得知:虽然针对不同水库的泥沙淤积都采取了相应的治理措施,并取得了一定的效果,但是我国水库大多数采用“蓄清排浑”的水库排沙调度措施,且在水库的实际运用中起到良好的效果,尤其对于泥沙淤积严重的黄河流域,更是起到了关键性的作用,从而减轻水库的淤积量,延长水库的使用寿命.针对不同类型和地区的水库,国内众多科研工作者研究总结和汲取经验教训,建议水库设计、施工和运行期间,结合现场的实际情况,详细深入地研究相应的排沙治理方案,尤其是“蓄清排浑”排沙方案,从而提出与之相适应的泥沙调度方案,有效地控制水库泥沙淤积,对水库运行安全和经济效益起到积极的重大作用.

旁引蓄沙水库引水口布置。可根据泥沙运动规律,巧妙地借助地形优势来布置旁引蓄沙水库引水口。如:天然弯道是布置推移质排沙清淤工程理想之地。利用弯道产生横向环流原理,水流在弯道内流动时产生离心力,表层水流向凹岸,处于底层挟带推移质泥沙的水流流向凸岸。由此,可在弯道的凸岸布置旁引蓄沙水库引水口,即形成正面排沙侧面引水的布置形式。

参考文献:

3.3 引洪淤灌用洪用沙

[1]张瑞瑾,谢鉴衡,王明甫,等.河流泥沙动力学[M].北京:水利电力出版社,1989.

丹江口水库灌渠引水口象其他水库一样也布置在水库下游的坝前附近。由于丹江口水库坝前附近大多时间为清水,所以灌区的农田基本上是常年清水灌溉。如果把灌渠引水口布置在水库上游变动回水区与常年回水区交界处(如:神定河至堵河口及其附近),引水渠充分利用有利地形沿水库边向下游延伸,然后与陶岔、清泉沟引水灌渠相连,构成引水排沙、灌溉枢纽网络系统;为了多排沙也可沿途多开引水口。洪水期将泥沙引走进行农田灌溉,既可以减少库区泥沙淤积,又可有利于农业生产,上、下灌渠相连既能排沙也能保证供水。这可能会使灌渠发生泥沙淤积,但灌渠清淤要比库区清淤容易得多。

[2]姜乃森,傅玲燕.中国的水库泥沙淤积问题[J].湖泊科学,1997,9:1-8.

[3]黄华忻,赵克玉.陕南山区水库排沙运用[J].泥沙研究,2000,:77-79.

[4]林秉南.明渠不恒定流的解法和验证[J].水利学报,1956,:3-16.

[5]姜乃森,傅玲燕.中国的水库泥沙淤积问题[J].湖泊科学,1997,9:1-8.

[6]张瑞瑾,谢鉴衡,王明甫,等.河流泥沙动力学[M].北京:水利电力出版社,1989.

[7]马怀宝,张俊华,陈书奎,等.2010年汛前调水调沙小浪底水库排沙比分析[J].人民黄河,2011,33:1-2,76.

[8]齐璞,曲少军,孙赞盈.优化小浪底水库调水调沙运用方式的建议[J].人民黄河,2012,34:5-8.