“沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”模式的研究

1、    “沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”模式的研究            作者：張燕菁， 胡春宏， 時(shí)間：2007-11-25 12:13:00                     摘要：本文介紹了引黃取水新模式中沉沙與蓄水兩用水庫(kù)的基本思路與基

2、本原理，并通過(guò)對(duì)該模式在山東省東營(yíng)市廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫(kù)沉沙條渠的應(yīng)用所進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，初步分析和研究了其工程效果。 關(guān)鍵詞：沉沙 蓄水 兩用水庫(kù) 轉(zhuǎn)圈沉沙 水沙利用新模式  1 前言黃河水是下游及河口地區(qū)主要的水源，引黃取水必然要引進(jìn)泥沙，黃河水中的泥沙歷來(lái)是引黃取水工作中的心腹之患，傳統(tǒng)的取水方法一是采用控制取水含沙量，盡量在黃河低含沙量時(shí)取水；二是在渠道中實(shí)行以挖待沉來(lái)解決泥沙問(wèn)題；三是在渾水進(jìn)庫(kù)之前建設(shè)專(zhuān)用的沉沙池使渾水澄清后入庫(kù)。但是，隨著黃河下游斷流的加劇，一年之中黃河來(lái)水時(shí)間主要是集中在汛期，而汛期歷來(lái)是黃河水高含沙期，顯然，傳統(tǒng)的取水方法已不能適應(yīng)高含沙引水的需

3、要。為此，提出了充分利用渾水資源，又合理地安排泥沙的引黃取水新模式。本文將對(duì)這一引黃取水模式中的泥沙處理部分“沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”進(jìn)行研究，并通過(guò)在廣南1#沉沙條渠的實(shí)際觀測(cè)研究，初步評(píng)價(jià)了其效果，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。2 “沉沙蓄水兩用水庫(kù)”模式的基本思路與原理眾所周知，傳統(tǒng)的引水模式中用來(lái)沉沙和蓄水的工程是分開(kāi)建造的，不僅投資大，且占用大量的土地，同時(shí)淤積的泥沙直接影響沉沙池的使用和壽命，清淤費(fèi)用巨大，使得工程難以充分發(fā)揮作用，尤其難以適應(yīng)引用高含沙水流的需要?！俺辽承钏畠捎盟畮?kù)”模式，是將沉沙池與蓄水水庫(kù)相結(jié)合，運(yùn)用黃河水流泥沙運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，把沉沙池建成一條人造周邊“小黃河”，其河堤

4、、河床、河灘、河槽一應(yīng)俱全，含沙量較高的渾水從中流過(guò)，沉積的泥沙將河床不斷抬高形成一條寬大的堤壩，該堤壩中間自然形成水庫(kù)。這樣既合理地處理了泥沙，又自然得到了蓄水水庫(kù)，一舉二得，克服了傳統(tǒng)引水模式的不足。目前在黃河三角洲地區(qū)已建成了多座“沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”，較為典型的是廣南1#“沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”。圖1 廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫(kù)平面示意圖Sketch of Guangnan Reservoir for desiltingand storage“沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”的沉沙池是由泥沙構(gòu)筑的內(nèi)堤和外堤及在兩者之間以復(fù)式斷面的“人造小黃河”組成，內(nèi)堤以?xún)?nèi)為蓄水水庫(kù)，如圖1所示，這種由內(nèi)堤、外堤和

5、“人造小黃河”淤積抬高的沙堤形成了十分堅(jiān)固安全的蓄水水庫(kù)的圍堤?！皟捎盟畮?kù)”的沉沙池的沉沙條渠以“人造小黃河”的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)圈沉沙，均勻淤積抬高，使水庫(kù)可向立體發(fā)展，不斷增大庫(kù)容。3 廣南“沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”運(yùn)行情況及初步效果分析廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫(kù)是在原廣南水庫(kù)1#沉沙池的基礎(chǔ)上改建而成，實(shí)施長(zhǎng)度約6.3km，工程于1997年8月通水沉沙經(jīng)歷了一年的運(yùn)行后，于1998年10月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。3.1 “沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”的周邊沉沙條渠具有黃河的特征廣南1#“沉沙與蓄水兩用水庫(kù)”的周邊沉沙條渠經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行，形成了較為完備的主槽、灘地、灘唇、縱橫比降、口門(mén)攔門(mén)沙等，具有黃河河道的基本特征

6、，形成了真正的“人造小黃河”。兩用水庫(kù)“人造小黃河”有如圖2所示的縱剖面。上段主槽和灘地縱比降分別為1/7042、1/7143，灘唇至灘地形成大約1/40的橫比降。通常情況下，來(lái)水來(lái)沙對(duì)縱比降起主導(dǎo)作用。當(dāng)來(lái)流量小、含沙量高、來(lái)沙級(jí)配較粗時(shí)，要求較大比降與其相適應(yīng)。就實(shí)際工程情況來(lái)看，引黃渠道比降多在1/50001/8000。將實(shí)測(cè)床沙結(jié)果代入黃河中下游干支流的比降J的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式2J=41D1/501.3式中D50為河床中值粒徑，單位為mm，J單位為1/10000，得主槽和灘地比降分別為1/7737、1/12000，其與實(shí)測(cè)“人造小黃河”上段主槽比降較為接近。通過(guò)以上的分析，可以認(rèn)為其上游段已

7、基本達(dá)到與來(lái)水來(lái)沙相適應(yīng)的平衡比降。3.2 隨著淤積體的不斷向下推進(jìn)“人造小黃河”滾動(dòng)升高3，樁號(hào)4+500以下淤積量為47.59萬(wàn)m3，約占總淤積量的67.47%，樁號(hào)6+000以下沉沙池底高程抬高了1.01.3m。這相當(dāng)于黃河河口的淤積抬升，淤積后比降調(diào)平，說(shuō)明在一年多運(yùn)行期，“人造小黃河”溯源淤積起著主要控制作用。圖2 廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫(kù)“人造小黃河”實(shí)測(cè)縱剖面圖3 廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫(kù)“人造小黃河”實(shí)測(cè)橫斷面Measured longitudinal profile of grit channelMeasured transversal profile of grit c

8、hannel“人造小黃河”運(yùn)行一年來(lái)，沿程各斷面主槽和灘地均有所淤積抬高，灘唇及主槽淤積厚度相當(dāng)，橫斷面形態(tài)變化不大，仍保持較為規(guī)則的復(fù)式斷面。圖3為運(yùn)行前后橫斷面變化圖。灘槽變化特性從灘槽水沙交換來(lái)講，盡管灘槽高差在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)有所變化，但從長(zhǎng)期來(lái)看，卻有保持相對(duì)穩(wěn)定的差值的特點(diǎn)，在“人造小黃河”淤積情況下，意味著灘槽的同步上升；從河相關(guān)系來(lái)講，沖積河流的塑造中灘槽高差的變化受制于一定的河相關(guān)系，實(shí)測(cè)河相關(guān)系為3.17.7，平均值為4.9?！叭嗽煨↑S河”沿程各段特性分析分析“人造小黃河”沿程各段縱、橫剖面變化及泥沙輸送淤積的差異，沿程劃分為三段(表1)：第一段為輸沙淤積段，主要以輸送泥沙為主

9、，伴隨著一定程度的淤積，比降大小與輸沙渠相當(dāng)，橫斷面相對(duì)窄深；第二段為壅水淤積段，受下游口門(mén)攔門(mén)沙的壅水影響，泥沙大量落淤在主槽，河槽比降調(diào)平，相反灘唇上泥沙較少落淤，橫斷面相對(duì)寬淺；第三段為口門(mén)淤積段，是“人造小黃河”向前推進(jìn)的最前端，由于該段主槽尚未開(kāi)挖，緊鄰其上的壅水淤積段主槽的淤積抬高，使該段主槽比降加大，沖刷形成尚未與來(lái)水來(lái)沙相適應(yīng)的窄深槽，此外，由于口門(mén)灘坎的阻水作用，形成口門(mén)攔門(mén)沙淤積，泥沙在此橫向擴(kuò)散落淤形成寬闊的泥沙堆積體?？陂T(mén)淤積段灘地的不斷淤積和主槽的不斷沖刷，使得口門(mén)向下游淤積延伸，而口門(mén)向下游淤積延伸，又將引起上游段的淤積抬高。表1 “人造小黃河”淤積形成的主要特征值

10、Characteristics of man made small Yellow River'各項(xiàng)指標(biāo)輸沙淤積段壅水淤積段口門(mén)淤積段(樁號(hào)0+0004+500)(樁號(hào)4+0006+000)(樁號(hào)6+0007+800)縱比降槽1/7042-1/161291/2155灘1/71431/44840橫比降灘唇1/401/401/160河相關(guān)系/h4.56.03.0中值粒徑槽0.0700.0400.055D50(mm)灘0.0500.0400.055淤積分布淤積量(萬(wàn)m3)22.9512.0935.50占總量百分比(%)32.5317.1450.33兩用水庫(kù)的“人造小黃河”淤積造床過(guò)程與天然沖積

11、河道有著某種本質(zhì)的差別，不論縱剖面淤積是否接近平衡，尾端水位對(duì)其仍有一定的控制作用，而下游淤積末端的淤積延伸又引起由下至上的溯源淤積，使得下游段坡降趨緩。這種作用甚至影響到上游段。影響縱剖面調(diào)整的主要因素為：上游來(lái)水來(lái)沙條件、口門(mén)侵蝕基準(zhǔn)面變化、河床邊界條件(是否修堤等)。然而，溯源淤積調(diào)整初始條件是沿程淤積所已塑造的接近平衡的縱剖面。由于口門(mén)延伸引起侵蝕基面抬升，使河床比降變緩，而發(fā)生溯源淤積，溯源淤積具有使河床回復(fù)原比降的效果，因而使得整個(gè)河段隨著口門(mén)的抬升而整體抬升。在目前的特定條件下，由于河寬、粒徑的調(diào)整非常有限，沒(méi)有趨勢(shì)性變化，河床縱剖面的調(diào)整將主要是比降的調(diào)整，溯源淤積的結(jié)果使得河

12、流縱剖面平行抬升。按現(xiàn)有的來(lái)水來(lái)沙條件，“人造小黃河”將按大約1/7000的縱比降，隨著口門(mén)向下游的淤積延伸而平行抬高。     3.3 “人造小黃河”式沉沙條渠的轉(zhuǎn)圈推進(jìn)速度在一定的來(lái)水來(lái)沙條件下，“人造小黃河”轉(zhuǎn)圈沉沙推進(jìn)速度，取決于口門(mén)段堆積體的縱向發(fā)展速度。而內(nèi)外堤間距是影響堆積體的縱向發(fā)展速度的一個(gè)重要因素。由廣南1#沉沙蓄水兩用水庫(kù)的實(shí)測(cè)斷面分析認(rèn)為以主槽22m、灘地44×2m、內(nèi)外堤間距110m為宜。運(yùn)行一年，淤積體向下游推進(jìn)至7+800樁號(hào)，淤積體縱向長(zhǎng)度1.8km，平均寬度200m，平均淤積厚度1.1m。由此可以估算出“人造小

13、黃河”轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間約為6年。若泥沙量增大，所需轉(zhuǎn)圈的時(shí)間將縮短。3.4 “兩用水庫(kù)”具有沉沙和蓄水雙重效益實(shí)測(cè)兩用水庫(kù)“人造小黃河”總淤積量為70.53萬(wàn)m3，占進(jìn)沙量91.8萬(wàn)m3的76.83%，這部分泥沙同時(shí)又被用作筑堤，使兩用水庫(kù)的外堤普遍升高0.41.2m。廣南水庫(kù)原1#沉沙池在運(yùn)行十年后，可利用的水域面積為3.24km2。如按蓄水2m水深計(jì)，沉沙池剩余的蓄水容積僅為1380萬(wàn)m3。假設(shè)過(guò)去十年其按照沿周邊轉(zhuǎn)圈沉沙運(yùn)行方式運(yùn)用，將比現(xiàn)狀可利用的水域面積增大2倍，當(dāng)蓄水水位為4.0m時(shí)，比現(xiàn)狀蓄水容積增加42%。4 結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)沉沙與蓄水相結(jié)合“兩用水庫(kù)”工程實(shí)際運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果的分析研究，可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：1.沉沙蓄水兩用水庫(kù)的周邊沉沙條渠具有黃河的特征；2.隨著淤積體的不斷向下推進(jìn)，“人造小黃河”形成蓄水水庫(kù)的外堤；3.“人造小黃河”式沉沙條渠以主槽寬度為2026m、灘地寬度8490m、內(nèi)外堤間距約100110m為宜，河相關(guān)系約為36之間。如按來(lái)沙量較少的1998年的推進(jìn)速度，廣南1#兩用水庫(kù)的沉沙條渠轉(zhuǎn)一圈，并抬高1.01.5m，約需6年。4.“兩用水庫(kù)”具有沉沙和蓄水雙重效