桃曲坡水库淤积成因分析及治理措施的思考

秦 鹏，杜 锋，李华卫

（陕西省桃曲坡水库灌溉中心，陕西 铜川 727100）

桃曲坡水库位于马咀山峡谷15 km 处，是渭河流域石川河支流、兼有防洪和农业灌溉及供水功能性中型水库。1969年建成投入使用，年设计水库总蓄水量为5720 万m3，兴利水库蓄水量为4290 万m3，灌区包含渭南市富平县、咸阳市三原县、铜川市耀州区及新区，灌溉面积40.3 万亩，桃曲坡水库灌区的正常运行对当地工业和农业发展中均起着重要作用。

桃曲坡水库在长期运行中，由于其控制流域位于渭北高原丘陵沟壑区位置，又加上上游暴雨洪水携带的泥沙流入，水库的水流对库岸边坡的冲涮和淘蚀，水库的侵蚀等因素的影响，水库的泥沙淤积持续增加。从长期来看，大量沉积物会形成大量有机酸，诸如氨、亚硝酸盐、硫化氢和甲烷等有害物质，会降低水质并损害水源。根据桃曲坡水库的沉积统计，大坝前面的淤积量高达2017 万m3，高程为768.0 m，淤积面比低放水隧道进口高13.0 m，比水库高放水洞入口高5.2 m。在距离两个放水隧道入口100 m范围内，形成“漏斗”-沟槽，这严重影响了防洪安全。

1 水库淤积现状及历年淤积情况分析

1974年3 月9 日，水库开始下闸蓄水，因为水库漏水比较严重，从1974年10 月～1982年夏季，对坝前区和原有煤窑矿洞的漏水点用5 个大型防渗处理项目进行加固，随后再根据库区运行过程及时巡查时发现的小型漏点进行防渗处理。水库加闸后，由于水位升高，从1995年～2005年对水库坝前区用膜袋混凝土、六棱砖、干砌石等措施对防渗区域进行了加固处理。2004年，水库蓄水高程以下区域增加了超过220 万m3的土壤和岩石，主要分布在坝前约1500 m 区域，淤积体高程低于776.0 m。

水库控制的蓄水区域最初设计时的平均沉积量为104 万t。管理单位进行了5 次水库泥沙淤积调查，1976年的泥沙总量为670 万m3，1980年的泥沙总量为830 万m3，1984年的泥沙总量为1070 万m3，1997年的泥沙总量为1300 万m3。2017年，总沉淀量为2170 万m3，1990年代以后，过滤速度变慢，2170 万m3占总存储容量的35.5%。

现在的总沉淀量为2017 万m3，在死水水位以下的蓄水量为762.80 万m3，在死水水位以上的蓄水量为967 万m3，减少了20.7%。兴利库容减少了873 万m3，减少了35.3%；洪水存储容量减少93 万m3，减少15.6%。

2 水库淤积成因分析

水库淤积主要来源于两个部分，其中之一是多年以来洪水产生的沉积物。桃曲坡水库位于干旱的渭北高原，地处丘陵低地，地势较为零散。蓄水区域为被破坏的河道和水道，水土流失模量的允许值为1940 t/（km2·a），最大侵蚀模量为3590 t/(km2·a)，是防止水土流失的主要保护区。洪水进入库区蓄水水段后，流速减缓，携砂能力减弱，在水库中形成大量泥沙淤积。其次，桃曲坡水库位于岩溶发育的石灰岩地区，渗漏严重。补漏工程中大量的黏土和砂石材料的应用、库岸长期的掏刷和部分垮塌，导致了水库的淤积。

3 水库淤积治理的必要性

3.1 淤积治理是缓解灌区水资源供需矛盾的重要途径

桃曲坡水库灌区水资源匮乏，年降水量在时间和空间上分布不均，总量不足，经济的快速发展又使地方对水资源的需求进一步增加。农业对水的需求持续增长，对“景观，森林，草地，湖泊和草丛”系统和生态环境的管理，用水的迅速增加以及水资源供需之间的矛盾变得越来越激烈。同时水库淤积将减少有效储水能力，降低水库的可控性，只有通过淤积治理和部分清淤，才能增加储水容量，增加水源控制和蓄水能力，大力推进节水型社会进程。

3.2 进行淤积治理是满足水库正常安全运行的需要

水库淤积降低了水库的蓄水能力和防洪能力，目前沉积物的高度比排水隧道的开口高5.2 m，比排水隧道的入口高13.0 m，当沉积物继续上升时，可能会收缩或阻塞隧道的入口，从而减少隧道的过水能力、影响水库的运行安全。为确保水库的安全运行以及水库的经济和社会效益，必须采取有效的工程措施以消除任何潜在的安全隐患。

3.3 进行水库淤积治理是保护环境、综合治理的迫切要求

水库的沉积使水库回水地区的河道底部高程逐渐升高，抬高了周围的地下水水位，这可能导致这些土地的盐碱化。洪水中淤积物中的植物秸秆，引起水库富营养化，富营养化离子的增加，在水中会引起水体富营养化，并降低重金属水库的水质。

4 水库淤积治理的可行性

4.1 技术可行性

通过以下方法使水库能够长期使用，以达到控制泥沙的目的：①调整运行方式，采用污泥排放工程措施调节水库泥沙，达到内部相对平衡。②使用工程机械挖泥渣和沙土，保证汛期隧道的过水和行洪能力。机械挖泥技术包括挖泥技术、干式挖泥技术和水力虹吸挖泥技术。而这些机械方法已经成熟并且在技术上是可行的。

4.2 经济可行性

桃曲坡水库是铜川市最大、最重要的水源。经过40 多年的运行，水库已经发生了严重的淤积，只有有效的水库清淤和库岸水土流失治理才能延长水库的使用寿命，增加保水能力，改善水质。水库清淤增加的库容可以增加用水灌溉面积或工业用水，促进灌溉地区经济快速增长。

5 水库淤积治理措施

5.1 水库泥沙淤积的预防措施

（1）流域综合治理。由于人类活动的影响，特别是工程建设、森林砍伐、采矿等因素导致水土流失、滑坡，流域内的暴雨形成的洪水使大量沉积物进入水库。近年来桃曲坡水库通过“山水林田胡草”综合治理，近坝区生态环境有效改善，边坡水土流失得到有效治理，实现了“洪水不下山，泥砂不出沟”的治理目标。

（2）在上游修建拦沙坝。在水库上游建立拦砂坝可以减少粗大沉积物流入水库。拦砂坝选址需要最佳的地形，并考虑定期清除大坝中的沉积物。

（3）在水库周边建设防冲刷工程或建设密集的排水设施。分析和研究现有水库和渡槽的地形以及其他工程措施，并建立一个合理的排水通道，将含沙洪水绕开水库，排出坝外，减少淤积。

5.2 水库清淤的工程措施

由于清淤工作涉及排淤弃淤，灌溉和供水等因素，因此水库清淤需要制定详细的计划和具体的实施方案，并和水库日常运行相协调。目前，最常见的水库清淤方法分为水力法、干疏法、虹吸法、侧向侵蚀法、低碳自动疏法等。

（1）对水库淤积进行测验

为测试桃曲坡水库沉积物的组成、含量和分布，首先使用GPS GNSS+RTK 卫星定位以及多波束潜水深度计的组合来收集基础数据，例如水库地区的地形和地质。利用测出的地形以及河槽的垂直和水平剖面测量计算出每个水位的库容。一旦建成，便会分析每个水位的相应沉降量。绘制污泥颗粒曲线的目的是收集河流常数中的污泥颗粒，并通过水力测试来分析和绘制污泥颗粒曲线，以确定每个部分的沉积情况。水库淤积测验可为清淤方案、疏淤积物计划和操作计划以及污泥回收技术、关键技术研究和制定提供基本参数。

（2）治理方案和范围的确定

根据1999年和2017年的实际调查曲线图以及现场调查的比较分析，大多数沉积物都集中在前岩槽上方槽的中央和两侧。该大坝在灌溉季节使用低洞灌溉来释放水和沙子，形成V 形通道，大部分降水都在沟渠的两侧和水库的下游。

由于桃曲坡水库负责城市供水，水质要求较高，具体可根据实际情况进行处理。

①坝前区：拟采用低碳自动清淤装置在坝前区河槽段及左右库底边坡等影响水质的淤积体予以处理，该装置是由武汉大学“疏浚技术教育部工程研究中心”研制的新型技术，利用水库上下游水头差或太阳能加入智能化控制技术使水力自绞式吸泥头自动进行杂物淤积清理；能够根据水头高低和含沙量大小自动进行流量调节，控制排沙浓度在10%～60%变化，实现非灌溉期最高浓度排泥沙，扰动小，不影响上部水体水质，也能起到长效治理的效果。

②库中区：利用环保绞吸船传输管道泵送至周侧沟道内或岸边进行干化和固化，并在灌浆口处设置灌浆谷以覆盖埋藏的沉积物。污泥以堆肥的形式沉积并固化为有机建筑材料，以进行综合利用。

③库尾区：旱季可采用干挖法，并选择挖掘机和卡车清洗方案，施工方便，成本低廉，价格低廉。可以先清理库岸，然后根据地质和地形条件清理库盆，以最大程度地减少疏淤对灌溉和供水的影响。

（3）水库淤积的非工程措施

水库淤积的非工程性措施，主要是科学调度及大数据智能化控制系统的综合应用，利用洪水的异重流现象进行水库排沙，减少水库的泥沙淤积量。结合桃曲坡水库现有的工程设施，结合旺季的灌溉和防洪措施，从低洞放水塔隧道排沙，并及时收集相关数据并建立对应排沙模型。

在短期内，桃曲坡水库促进了灌区人民的工农业生产和生活水平的提高以及区域经济的快速发展。随着灌溉地区人民的生活水平不断提高，水库泥沙淤积总量持续增加，水库的有效库容逐渐缩减，灌区用水供需矛盾不断加剧；水库清淤可以有效缓解当前的用水供需矛盾。在“节水优先，空间平衡，系统治理、空间均衡”用水方针的指导下，减少流域泥沙进入水库、适时实施水库清淤、结合农业灌溉大流量及时进行水库拉沙，利用洪水异重流结合大数据减少水库泥沙沉积，是管理桃曲坡水库今后一段时间的重要任务，同时也能增加水库的有效库容，延长水库的使用年限，使桃曲坡水库能更好地服务当地经济社会。