“沉沙與蓄水兩用水庫”模式的研究

1、    “沉沙與蓄水兩用水庫”模式的研究            作者：張燕菁， 胡春宏， 時間：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的基本思路與基

2、本原理，并通過對該模式在山東省東營市廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫沉沙條渠的應(yīng)用所進行的現(xiàn)場觀測，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 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泥沙，黃河水中的泥沙歷來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取水；二是在渠道中實行以挖待沉來解決泥沙問題；三是在渾水進庫之前建設(shè)專用的沉沙池使渾水澄清后入庫。但是，隨著黃河下游斷流的加劇，一年之中黃河來水時間主要是集中在汛期，而汛期歷來是黃河水高含沙期，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”進行研究，并通過在廣南1#沉沙條渠的實際觀測研究，初步評價了其效果，為進一步推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。2 “沉沙蓄水兩用水庫”模式的基本思路與原理眾所周知，傳統(tǒng)的引水模式中用來沉沙和蓄水的工程是分開建造的，不僅投資大，且占用大量的土地，同時淤積的泥沙直接影響沉沙池的使用和壽命，清淤費用巨大，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?！俺辽承钏畠捎盟畮臁蹦Ｊ?，是將沉沙池與蓄水水庫相結(jié)合，運用黃河水流泥沙運動的規(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，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。這樣既合理地處理了泥沙，又自然得到了蓄水水庫，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”，較為典型的是廣南1#“沉沙與蓄水兩用水庫”。圖1 廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫平面示意圖Sketch of Guangnan Reservoir for desiltingand storage“沉沙與蓄水兩用水庫”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)堤以內(nèi)為蓄水水庫，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固安全的蓄水水庫的圍堤?！皟捎盟畮臁钡某辽吵氐某辽硹l渠以“人造小黃河”的模式進行轉(zhuǎn)圈沉沙，均勻淤積抬高，使水庫可向立體發(fā)展，不斷增大庫容。3 廣南“沉沙與蓄水兩用水庫”運行情況及初步效果分析廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫是在原廣南水庫1#沉沙池的基礎(chǔ)上改建而成，實施長度約6.3km，工程于1997年8月通水沉沙經(jīng)歷了一年的運行后，于1998年10月進行了現(xiàn)場觀測。3.1 “沉沙與蓄水兩用水庫”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”的周邊沉沙條渠經(jīng)過一年的運行，形成了較為完備的主槽、灘地、灘唇、縱橫比降、口門攔門沙等，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“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，來水來沙對縱比降起主導(dǎo)作用。當(dāng)來流量小、含沙量高、來沙級配較粗時，要求較大比降與其相適應(yīng)。就實際工程情況來看，引黃渠道比降多在1/50001/8000。將實測床沙結(jié)果代入黃河中下游干支流的比降J的經(jīng)驗關(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，其與實測“人造小黃河”上段主槽比降較為接近。通過以上的分析，可以認為其上游段已

7、基本達到與來水來沙相適應(yīng)的平衡比降。3.2 隨著淤積體的不斷向下推進“人造小黃河”滾動升高3，樁號4+500以下淤積量為47.59萬m3，約占總淤積量的67.47%，樁號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，說明在一年多運行期，“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“人造小黃河”實測縱剖面圖3 廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫“人造小黃河”實測橫斷面Measured longitudinal profile of grit channelMeasured transversal profile of grit c

8、hannel“人造小黃河”運行一年來，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為運行前后橫斷面變化圖。灘槽變化特性從灘槽水沙交換來講，盡管灘槽高差在一段時間內(nèi)會有所變化，但從長期來看，卻有保持相對穩(wěn)定的差值的特點，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，實測河相關(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)，橫斷面相對窄深；第二段為壅水淤積段，受下游口門攔門沙的壅水影響，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，橫斷面相對寬淺；第三段為口門淤積段，是“人造小黃河”向前推進的最前端，由于該段主槽尚未開挖，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，沖刷形成尚未與來水來沙相適應(yīng)的窄深槽，此外，由于口門灘坎的阻水作用，形成口門攔門沙淤積，泥沙在此橫向擴散落淤形成寬闊的泥沙堆積體?？陂T淤積段灘地的不斷淤積和主槽的不斷沖刷，使得口門向下游淤積延伸，而口門向下游淤積延伸，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'各項指標(biāo)輸沙淤積段壅水淤積段口門淤積段(樁號0+0004+500)(樁號4+0006+000)(樁號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m3)22.9512.0935.50占總量百分比(%)32.5317.1450.33兩用水庫的“人造小黃河”淤積造床過程與天然沖積

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：上游來水來沙條件、口門侵蝕基準面變化、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，因而使得整個河段隨著口門的抬升而整體抬升。在目前的特定條件下，由于河寬、粒徑的調(diào)整非常有限，沒有趨勢性變化，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)有的來水來沙條件，“人造小黃河”將按大約1/7000的縱比降，隨著口門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)圈推進速度在一定的來水來沙條件下，“人造小黃河”轉(zhuǎn)圈沉沙推進速度，取決于口門段堆積體的縱向發(fā)展速度。而內(nèi)外堤間距是影響堆積體的縱向發(fā)展速度的一個重要因素。由廣南1#沉沙蓄水兩用水庫的實測斷面分析認為以主槽22m、灘地44×2m、內(nèi)外堤間距110m為宜。運行一年，淤積體向下游推進至7+800樁號，淤積體縱向長度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)一圈的時間約為6年。若泥沙量增大，所需轉(zhuǎn)圈的時間將縮短。3.4 “兩用水庫”具有沉沙和蓄水雙重效益實測兩用水庫“人造小黃河”總淤積量為70.53萬m3，占進沙量91.8萬m3的76.83%，這部分泥沙同時又被用作筑堤，使兩用水庫的外堤普遍升高0.41.2m。廣南水庫原1#沉沙池在運行十年后，可利用的水域面積為3.24km2。如按蓄水2m水深計，沉沙池剩余的蓄水容積僅為1380萬m3。假設(shè)過去十年其按照沿周邊轉(zhuǎn)圈沉沙運行方式運用，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，比現(xiàn)狀蓄水容積增加42%。4 結(jié)語通過對沉沙與蓄水相結(jié)合“兩用水庫”工程實際運行的現(xiàn)場觀測結(jié)果的分析研究，可以得出以下幾點認識：1.沉沙蓄水兩用水庫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，“人造小黃河”形成蓄水水庫的外堤；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。如按來沙量較少的1998年的推進速度，廣南1#兩用水庫的沉沙條渠轉(zhuǎn)一圈，并抬高1.01.5m，約需6年。4.“兩用水庫”具有沉沙和蓄水雙重效