白石水库排沙方案可行性分析

(辽宁省白石水库管理局， 辽宁 朝阳 122000)

白石水库排沙方案可行性分析

齐兵

(辽宁省白石水库管理局， 辽宁 朝阳 122000)

针对白石水库泥沙淤积现状，对现有的排沙方案进行可行性分析，论证利用异重流和汛期泄空排沙方式已不再适应当前水库清淤排沙的要求，有必要采用其他方法减缓库区淤积。

排沙方案； 可行性； 分析； 异重流排沙； 沉期泄空排沙

白石水库位于辽西大凌河干流上，控制流域面积17649km2。水库所处大凌河流域气候干燥，土壤松散，暴雨集中，洪水期河流含沙量很大，水库泥沙淤积严重。

白石水库初步设计时利用异重流和底孔泄空排沙，由于受区域内降水量少等众多因素影响，该排沙方式已不适应水库排沙的要求。工程运行10多年，排沙底孔并没有起到排沙减淤的作用。针对工程运行现状，本文对利用异重流排沙和泄空排沙运行情况进行可行性分析。

1 利用异重流排沙

1.1 异重流排沙原理

水库蓄水时，泥沙大量沉积。洪水期携带大量泥沙的水流进入库区以后，粗颗粒的泥沙首先淤积在库尾，细颗粒泥沙随水流继续前进。由于入库挟沙水流与水库原有的清水之间存在较大的密度差，在一定条件下挟沙水流潜入库底，以异重流的形式向前运动。如果洪水能持续一定的时间，库底又有足够的比降，异重流则能运行到坝前。若适时开启排沙孔，异重流便可以排出库外。

1.2 异重流排沙条件

异重流能够形成，并且能够运动到坝前，构成了异重流排沙的两大必要条件。

1.2.1 异重流的形成

a.入库挟沙水流与库内清水要有密度差，即有不同的比重。这就要求入库水流需要有一定的含沙量，同时，细颗粒泥沙含量要占到一定比重。朝阳站悬移质泥沙中粒径小于0.01mm所占的百分数为30%左右，九连洞站约为10%。

b.入库水流还要具有足够的能量，或者说具有一定的单宽流量。重力作用对于异重流来说已经减弱，而惯性力、压力和阻力的作用增强，异重流能够潜入，必须有一定的单宽流量产生必需的惯性力与压力。

c.异重流潜入点的流速与水深需满足：

式中V0——异重流潜入点的流速；

Δγ——异重流在清水中的浮容重；

γ0——异重流容重；

g——重力加速度；

h0——异重流潜入点的水深。

其中，η0=Δγ/γ0。

1.2.2 异重流持续运动到坝前

异重流形成后潜入库底，仅在具备一定条件下才能持续不断地向前运动，当这些条件不满足时，异重流会很快停止，淤积消失。

使异重流持续运动的条件如下：一是需要有一定的入库流量和出库流量。异重流持续运动最基本的条件是要有一定的入库流量和出库流量以推动整个异重流前进，这是压力作用相对突出的表现。实测资料表明，当入库洪峰流量降低时，异重流运动逐渐减弱至消失。二是入库流量要有一定的含沙量及必要的泥沙组成。三是库区比降较大，库面较窄，支流较少，异重流沿程损失较少。实际资料表明，比降大有利于异重流的继续运行，而相对较窄的库面，有效地减少了异重流向主流方向以外的其他方向扩散。

1.3 白石水库异重流排沙可行性分析

1.3.1 白石水库异重流排沙可行性分析

白石水库异重流排沙初设方案为：20年一遇以下的中小洪水蓄洪运用，并利用弃水适时打开底孔进行异重流排沙。白石水库初设计算多年平均弃水量为3.20亿m3，尽量使用弃水，可大大改善坝前区泥沙淤积状况，并提高水库排沙能力。

根据白石水库初设时模型试验成果：异重流通常发生在牤牛河汇流口上游或者下游的位置(入汇口因水流紊乱而不易产生异重流)。洪峰流量为500～2000m3/s的中小洪水所形成的异重流很难运行到坝前。

根据近20年来自然气候与工农业用水情况分析，白石水库采用异重流排沙可行性降低，原因包括：ⓐ无论是从洪峰流量频率还是五日洪量频率来看，洪水频率较初设均有一定程度的减小，再加上上游阎王鼻子水库对洪水的调控和削峰作用，异重流运行到坝前的几率降低；ⓑ受大凌河年径流量降低和需水量增大等因素的影响，白石水库年弃水量受到一定限制，从而利用弃水形成异重流排沙的几率降低；ⓒ随着水库运行年限的增长和坝前淤积的发展，库区纵比降总体将呈减缓趋势，不利于异重流运动至坝前。

1.3.2 水库排沙现状情况

2012年汛期，坝前水位在116.5～118m之间，底孔开启时长累计为96h，总泄流量1.61亿m3，一直未观测到异重流排沙。这跟流量较小等因素直接相关，也间接说明不放空水库，异重流很难运动到坝前。

2 泄空排沙

2.1 泄空排沙原理

泄空排沙是汛期洪水到来之前，将坝前水位降低，洪水到来时，水库将足够的泄流设施敞开，保持坝前低水位，进行排沙。泄空排沙绝大部分是在洪水期间进行的，又称行洪排沙。泄空排沙的效果很好，能排走来沙的大部分和全部，甚至还可冲走库内的前期淤积物。

泄空排沙的特点是排沙期间需要下泄巨大水量，以保证低水位排沙取得良好效果；下泄水流含沙量由小变大，即开始泄空时，出库含沙量较小，随着冲刷的进行，出库含沙量逐渐增大，冲刷更加剧烈。

2.2 白石水库泄空排沙可行性分析

白石水库初设时确定的泄空排沙方案为：20年一遇(洪峰流量10700m3/s)以上洪水时，尽量在24h内预泄，降低库水位直至死水位，利用洪水集中排沙。

2.2.1 从水库运行角度分析

当水库上游发生洪峰流量大于10000m3/s、而水库水位处于防洪限制水位125.60m时，24h内将水位预泄至108m，对大坝下游160km河道的堤防、道路、桥梁存在一定的威胁；在泄空时机的选择上，受到水情预报系统精度的限制。白石水库水情测报系统自2006年改造以来，未经受较大暴雨和大洪水的考验，现有预报方案精度无法得到进一步验证。

2.2.2 从洪峰频率角度分析

当前，20年一遇及以上洪水出现的频率较初设时发生了一定变化。无论是洪峰或是五日洪量，同量级洪水的频率较初设均有所减小，重现期增长。

2.2.3 从兴利角度分析

白石水库的主要任务是防洪、供水及灌溉。

水库在初设阶段，仅对阜新引水工程、白石灌区工程做了初步规划，而目前白石水库的供水任务除原初设规划的阜新引水、灌区农业用水外，还要满足锦州工业用水、北票市引水等需求，同时，还要兼顾电站发电用水、汛期底孔泄流、下游河道生态需水量等用水需求。

与此相对应的，则是大凌河流域雨量减少，地下水位下降，年径流量减少，并且大凌河年径流绝大部分水量主要集中在汛期的几场大洪水期间，年径流量呈现逐年减小的趋势，因此，白石水库水资源供求矛盾日益突出。采用泄空排沙面临着水资源紧缺的矛盾，难以实施。

1949～1996系列五日洪量频率计算结果显示，20年一遇洪水的五日洪量约为8.74亿m3，而1950～1992年43年系列的多年平均径流量为13.44亿m3，2001～2010年10年系列的年均径流量仅为2.99亿m3，若遇20年一遇洪水仍采取泄空排沙，很有可能将全年径流量的绝大部分水量丢弃，如果汛后来流不足以将兴利库容蓄满，会导致全年供水紧张，甚至无水可用的严重后果。

3 结 语

综上所述，根据当前实际情况，白石水库利用常规水力法排沙，在技术上(异重流排沙)或经济上(泄空排沙)的可行性降低，异重流排沙甚至已不可行。因此，有必要采用工程措施减缓淤积，以保证水库可持续地发挥兴利作用。

Feasibility Analysis of Baishi Reservoir Sand Discharge Plan

QI Bing

(Liaoning Baishi Reservoir Authority, Chaoyang 122000, China)

Feasibility analysis is conducted on existing sand discharge plan aiming at sedimentation status quo of Baishi Reservoir. It is demonstrated that density current and flood emptying sand discharge modes do not meet the requirements of current reservoir dredging sand discharge. It is necessary to adopt other methods to slow down reservoir sedimentation.

sand discharge plan; feasibility; analysis; density current sand discharge; flood emptying sand discharge

TV697.3

B

1005-4774(2014)12-0051-02