闹德海水库泥沙冲淤特性与排沙期分析

2017-12-01张立武

水利规划与设计 2017年10期

关键词：排沙淤积洪水

张立武

（辽宁省闹德海水库管理局，辽宁阜新 123000）

闹德海水库泥沙冲淤特性与排沙期分析

张立武

（辽宁省闹德海水库管理局，辽宁阜新 123000）

基于闹德海水库建库以来历次大洪水前后库区泥沙淤积分析，指出库区具有大洪水年淤积、中小洪水年冲刷的规律，提出在现行调度运用方式下排沙期的时间安排，分析设置排沙期对水库供水的影响。结果表明：设置排沙期在有效减少库区泥沙淤积的同时，对主要用水户的供水量和供水保证率均无影响。为闹德海水库汛期敞泄排沙提供操作性依据。

冲淤规律；排沙期；供水保证率；敞泄排沙

1 总体情况

1.1 工程概况

闹德海水库位于辽宁省阜新市彰武县满堂红镇境内，控制流域面积为4051km2，是具有防洪滞沙、城市工业与生活供水等综合作用的大（Ⅱ）型控制性水利工程。

水库调度运用方式随历次改造和加固而不断发生变化。从1994年第三次加固完成后开始，水库在“冬蓄春放，汛期敞排”的基础上，每年新增6月和9月两个月为蓄水期，主汛期7月和8月来沙量较大月份敞泄排沙，并开始通过坝上和坝下两种取水方式为阜新市提供工业和生活用水。2001年以来，水库实现全年蓄水运用，全年坝上取水量达到1200～2500万m3，供水效益大大提高。

1.2 供水任务和供水情况

根据闹德海水库建设目标和作用要求，水利部松辽水利委员向闹德海水库颁发了取水许可，批复其年取水量为9000万m3，以保证阜新市工业、生活、七家子水库的用水需求。

1994年阜新市闹德海水源工程建成投产，设计取水能力为10万m3/d，在保证供水管线安全的情况下，参考《辽西四市水资源配置规划》，现状水源工程取水能力为6.3万m3/d，年取水能力为2300万m3。水库通过闹德海水厂向阜新市提供工业和生活用水，1997年以来一直保持在1200～2500万m3/a之间。闹德海水库向位于彰武县满堂红镇的七家子水库年供水量为250万m3。

闹德海水库每年为阜新市和七家子水库合计供水1450～2750万m3，多年平均供水量1895万m3。

2 水库排沙期分析计算

2.1 历史冲淤情况

闹德海水库水沙主要来源于上游支流扣河子河和养畜牧河，其中扣河子河属于季节性河流，汛期过后基本断流，养畜牧河除汛期河水流量较大外，全年平均流量基本稳定在1.0m3/s。自1942年建库以来，水库分别在1949、1963、1984、1994年遭遇4次较大规模洪水，其中1949年和1963年2次特大洪水发生时，溢流堰上水深均达到4m以上，严重的壅水造成库区大量淤积［1］。水库188.00m高程相应库容在历次大洪水前后变化见表1。

表1 历次大洪水前后水库库容变化表

由表1可以看出：建库以来，水库库容从1.683m3减少为1.302亿 m3，减少了0.381亿 m3，淤损率达22.64%。4次大洪水过程均产生淤积，累计淤积0.969亿m3，其中1949年大洪水后淤积量最大，占累计淤积量的73.58%，历次大洪水淤积量逐次递减；除2001年后水库改为全年蓄水运用导致2001～2015年间每年均产生少量淤积外，其它大洪水间隔年份均表现为冲刷，累计冲刷量0.626亿 m3，其中 1964～1983年间冲刷量最大，占累计冲刷量的43.61%。

由于5个底孔泄流能力350m3/s远大于一般年份水库入库流量，库区不但不能产生有效淤积，甚至可以实现前期淤积泥沙的部分冲刷；只有当遭遇大洪水时坝前壅水，才会产生有效淤积，这是闹德海水库在大洪水年份和大洪水间隔年份分别产生淤积和冲刷的主要原因。

2.2 水库排沙期分析

为减少水库全年蓄水后产生的泥沙淤积，延长使用寿命，根据自身运行实际及上游来水情况，考虑在汛期设置一定的泄空排沙期，主要由水库泄空时间、空库运行时间、回蓄尾水时间和库水积淀澄清时间四部分组成，并考虑一定的风险预留时间。

2.2.1 泄空时间计算

泄空时间指在汛期正常运用条件下，调度决策将原有库水放空所需的时间。考虑到放空调度令均在预报有大洪水来临前下达，因此时间计算时除计算原有库水泄空所需时间外，还应考虑相应时间内一定级别的入库洪水流量。

根据闹德海水库泄空排沙方案［2］，当预报上游来水满足泄空方案启动条件时，水库将原库水全部泄空。依据现行洪水调度原则，即当入库流量大于100m3/s，水库全开泄流设备迎洪，拟定泄空库水的初始条件为：水库坝前水位为174.00m，相应库容为920万m3，入库洪水平均流量为100m3/s，洪水持续时间为72h；在此条件下，水库泄空库水需9h，泄空时间在洪水持续时间之内，考虑全过程洪水的含沙量，整个洪水过程需全开闸门敞泄。

2.2.2 空库运行时间分析与确定

为分析水库空库运行时间，需分析其汛期历史场次洪水特点，包括其洪峰流量、洪量、洪水持续时间、含沙量过程与流量过程的同步关系等。现统计1988～2008年历次洪水过程的洪水特征值，分析其特征与空库运行必要性的关系，以确定合理的时间。

表2 不同场次入库洪水特征值

由表2可以看出，14场洪水的平均洪量为3440万m3，其中洪量值最大为18453万 m3，最小为591万m3；洪水的平均持续时间为7.12天，持续时间最长为15天，最短为2.5天。

由于所列洪水均为当年规模最大场次洪水，实际情况为水库每年均有2～3次洪峰和洪量达到敞泄排沙条件的洪水发生，且入库洪水过程与入库输沙率过程经常发生不同步现象，因此确定空库运行时间为15天。

2.2.3 回蓄尾水和沉淀澄清时间分析

为保证水库有效恢复供水，必须在洪水尾水段适时回蓄。分析历史洪水发现，当洪水尾水段流量在10.0m3/s左右时含沙量达10～15kg/m3发生频率较高，而流量在4.00m3/s以下时含沙量则迅速下降到3kg/m3以下，而水库洪水陡涨陡落的特点使流量从10.0m3/s降至4.00m3/s所需时间较短，而却产生较大的排沙效率。故拟定回蓄尾水日均流量为4.00m3/s，当坝前水位达到170.00m、相应库容为366万m3时可恢复供水，经计算其所需时间为11天。

水库在流量为4.00m3/s开始回蓄尾水时，由于含沙量较低，一般只需库水位达到170.00m时即可立即供水，基本不需要沉淀时间；当敞泄排沙后水库上游发生较大含沙量的暴雨洪水，导致回蓄时间不足而在相对较大含沙量时回蓄洪水，必须经沉淀澄清才可达到供水浊度要求时，则需考虑一定的沉淀澄清时间。根据自来水坝上取水的浊度要求，一般平均所需时间为4天。

水库敞泄运用时必然会产生一些事先难以预料的风险，如气象和水文预报误差导致水库泄空，而上游并未发生相应规模洪水产生的风险等。为应对此类风险，必须在加强与相关部门沟通协调和提高调度人员业务能力的同时，考虑一定的预留时间。

2.3 排沙期确定

根据水库排沙期各影响因素分析和计算成果，考虑泄空时间1天、空库运行15天、回蓄尾水至供水水位11天、库水沉淀澄清和风险预留时间4天，确定排沙期时间为31天。

3 供水影响分析

水库敞泄运用是控制库区泥沙淤积的有效措施，确定排沙期是敞泄运用具有可操作性的前提。设置排沙期对阜新市工业、生活用水和七家子水库供水的影响主要表现在供水量和供水保证率两个方面。考虑水库排沙运用影响其供水保证率，故在闹德海水厂建设时设置坝下取水设施，即因水库泄空排沙而不能在坝上取水时，可以用坝下取水设施取水以保障各用水户用水需求。由于这种取水方式成本较高，所以作为非常时刻的备用措施。

当发生坝下取水设施故障而不能取水的极小概率事件，根据有两个以上水源供水的城市供水保证率确定原则［3］，当闹德海水库水源不能供水时，白石水库水源可以满足用水户消防和生产紧急生活用水及一定数量的生活用水需要［4］。

因此，排沙期的设立对水库供水量和供水保证率没有任何影响，只是增加了取水费用。