|
小浪底水庫(kù)的泥沙問題
小浪底水庫(kù)的泥沙問題 摘要:通過分析小浪底水庫(kù)泥沙觀測(cè)手段及觀測(cè)成果,結(jié)合水庫(kù)這幾年的調(diào)度運(yùn)用情況,文中就水庫(kù)泥沙淤積的觀測(cè)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(kù)
1 前言
黃河是一條舉世矚目的多沙河流,小浪底水庫(kù)承接來(lái)自黃河三門峽及小浪底庫(kù)區(qū)的全部來(lái)沙量,泥沙淤積將是水庫(kù)運(yùn)用面臨的突出問題之一。加強(qiáng)對(duì)水庫(kù)水文泥沙測(cè)驗(yàn)及泥沙調(diào)度運(yùn)用,控制庫(kù)區(qū)泥沙沖淤變化,關(guān)系到小浪底水庫(kù)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(kù)的泥沙問題備受國(guó)內(nèi)外水利專家的關(guān)注。
小浪底庫(kù)區(qū)泥沙淤積測(cè)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(kù)蓄水至275m時(shí),形成東西長(zhǎng)130km,南北寬300~3000m的狹長(zhǎng)水域,斷面法實(shí)測(cè)總庫(kù)容為126.5億m3,其中,支流庫(kù)容占總庫(kù)容的41.1%。通過近幾年的泥沙淤積觀測(cè),結(jié)合樞紐近幾年來(lái)的調(diào)度運(yùn)用情況,這里對(duì)小浪底水庫(kù)的泥沙問題進(jìn)行了初步的分析與探討。
2 水庫(kù)泥沙運(yùn)用的設(shè)計(jì)原則
按小浪底水庫(kù)泥沙運(yùn)用的設(shè)計(jì)思想,小浪底水庫(kù)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(kù)75.5億m3的攔沙庫(kù)容和10.5億m3的調(diào)水調(diào)沙庫(kù)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(lái)水庫(kù)泥沙沖淤情況
通過對(duì)下閘蓄水4年來(lái)水庫(kù)泥沙淤積觀測(cè)資料的整編,我們得到:
(1)蓄水后第一年即2000年,水庫(kù)入庫(kù)沙量3.61億t,出庫(kù)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(kù)入庫(kù)沙量2.94億t,出庫(kù)沙量0.29億t,排沙比為9.9%。
(3)蓄水后第三年即2002年,水庫(kù)入庫(kù)沙量2.71億t,出庫(kù)沙量0.634億t,排沙比為23.4%。
(4)蓄水后第四年即2003年,水庫(kù)入庫(kù)沙量7.10億t,出庫(kù)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(cè)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26.8 km,其頂點(diǎn)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(gè)長(zhǎng)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(kù)干流淤積量的93.3%。
在淤積泥沙的顆粒組成上,測(cè)驗(yàn)范圍內(nèi)淤積泥沙的粒徑普遍較細(xì),d50一般在0.004~0.016m之間,屬于粉沙類。2003年汛后觀測(cè)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(xì)的粉沙類。
4有關(guān)問題分析
4.1 觀測(cè)手段的變革
傳統(tǒng)的水庫(kù)泥沙淤積觀測(cè),特別是大型水庫(kù)泥沙淤積觀測(cè)一般均采用斷面法進(jìn)行,其根本原因在于觀測(cè)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(cè),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且觀測(cè)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(cè)深儀,使庫(kù)區(qū)淤積觀測(cè)從傳統(tǒng)的斷面法觀測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)榈匦畏ㄓ^測(cè),在提高測(cè)驗(yàn)精度、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí),又使庫(kù)區(qū)水下地形實(shí)現(xiàn)了可視化演示,為實(shí)現(xiàn)水庫(kù)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(zhǎng)江提防工程水下部分復(fù)測(cè)中引進(jìn)應(yīng)用,效果良好。
條帶測(cè)深儀的引進(jìn),一方面降低了庫(kù)區(qū)泥沙淤積觀測(cè)的成本,經(jīng)對(duì)比測(cè)算,每年按2個(gè)測(cè)次計(jì)算,每年可節(jié)省測(cè)驗(yàn)費(fèi)用在80萬(wàn)元左右。另一方面,條帶測(cè)深儀的引進(jìn)使大型水庫(kù)水下采用地形法測(cè)量變?yōu)榭赡?這將帶來(lái)水庫(kù)泥沙淤積觀測(cè)的一場(chǎng)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(kù)庫(kù)底泥沙淤積層的觀測(cè)一般容易實(shí)現(xiàn),但在異重流形成渾水水庫(kù)后,利用聲波測(cè)深儀一般會(huì)測(cè)出兩個(gè)界面即清渾水界面與泥漿層界面,而庫(kù)底泥沙淤積層面卻無(wú)法測(cè)出。在這種情況下,泥沙淤積層的觀測(cè)是困擾水庫(kù)泥沙觀測(cè)人員的一道難題。在有些時(shí)候,為了準(zhǔn)確測(cè)出泥沙淤積層的深度,觀測(cè)人員不得不冒險(xiǎn)將重達(dá)150kg的鉛魚下放到庫(kù)底,以便弄清泥沙淤積層的位置。
通過這幾年對(duì)小浪底渾水水庫(kù)的觀測(cè),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(kù)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(kù)來(lái)水來(lái)沙情況以及這幾年的泥沙觀測(cè)實(shí)際,在利用12Khz的測(cè)深儀進(jìn)行汛期渾水水庫(kù)觀測(cè)時(shí),經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k一般在 0.65m~1.85m之間。因此,當(dāng)渾水水庫(kù)出現(xiàn)時(shí),在利用12Khz的測(cè)深儀很容易測(cè)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(duì)這幾年水庫(kù)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(qǐng)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(kù)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(kù)含沙量,以免下游河道淤積抬升。從渾水水庫(kù)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(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(kù)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(zhǎng)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(kù)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(cè),小浪底水庫(kù)平均每年的泥沙淤積量為3.02億m3。兩者相比,小浪底水庫(kù)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(lái)水來(lái)沙屬偏枯年份,特別是2002年入庫(kù)沙量?jī)H2.71億t,較多年小浪底實(shí)測(cè)平均輸沙量少9.40億t。
因此,從維護(hù)水庫(kù)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(kù)淤沙庫(kù)容的使用壽命與下游河道的不抬高有機(jī)地結(jié)合起來(lái),以便探索出一條水庫(kù)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(cè)驗(yàn)結(jié)果,小浪底水庫(kù)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(kù)中二級(jí)壩泥沙淤積型式,這將給未來(lái)的水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用帶來(lái)被動(dòng),因此,在小浪底水庫(kù)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(kù)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(kù)上游不利的三角洲淤積形態(tài)。
5結(jié)語(yǔ)
通過以上分析,初步認(rèn)為:
(1)條帶測(cè)深儀的引進(jìn)使大型水庫(kù)采用地形法進(jìn)行水下泥沙淤積觀測(cè)變?yōu)榭赡?這無(wú)疑給水庫(kù)泥沙淤積測(cè)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(cè)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(cè)精度、降低觀測(cè)成本的同時(shí)也為水庫(kù)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(kù)條件下泥沙淤積層觀測(cè)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(kù)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(kù)有效使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)合小浪底水庫(kù)實(shí)測(cè)泥沙淤積量和設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)泥沙淤積量分析,未來(lái)小浪底水庫(kù)應(yīng)在汛期多利用異重流進(jìn)行排沙,以便緩解目前水庫(kù)泥沙淤積偏快的被動(dòng)局面。
(5)水庫(kù)泥沙的淤積形態(tài)直接關(guān)系到水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)用及效益的發(fā)揮。小浪底水庫(kù)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(dá)成共識(shí)。今年黃河調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)的突出特征即人工泥沙擾動(dòng)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。
|