紫坪铺水库现状水沙情势变化与减淤措施研究

2023-02-21由丽华王宏伟王远见

人民黄河 2023年2期

李洪，由丽华，王宏伟，王强，王远见

（1.四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川成都 610091；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；3.河南省湖库功能恢复与维持工程技术研究中心，河南郑州 450003）

紫坪铺水库是一座集灌溉、供水、发电、旅游等综合效益于一体的大型水利枢纽，对岷江上游的水沙调控以及下游成都平原的供水安全意义重大。坝址以上流域面积2.26万km2，多年平均径流量148亿m3，占岷江上游径流总量的97%。水库正常蓄水位877.0 m，校核洪水位883.1 m，死水位817.0 m。水库具有不完全年调节功能，担负着灌溉以及城市供水的重任［1］。

汶川地震发生后，岷江上游地区森林植被遭到损毁，地形地貌极不稳定，紫坪铺水库平均每年入库淤积物约1 500万m3，同设计值相比增加了1倍［2］。汶川地震深刻地改变了岷江上游的水文地质条件，也对紫坪铺水库的来水来沙条件产生了重大影响。丁海容等［3］通过紫坪铺水文站1980—2007年的水沙数据，分析了径流量与输沙量的变化趋势，并建立了降水量与输沙量之间的相关关系。葛永刚等［4］通过分析岷江上游都江堰—汶川河段的地质发育情况，揭示了地震次生灾害以及修建工程对河道的影响。由丽华等［5］分析了汶川地震对紫坪铺水库调度运用的影响，指出后续的水库调度要充分考虑坝区小环境改变与产汇流条件的变化，以应对险情的发生。田雨等［6］基于震前、震后的遥感影像数据，对岷江上游植被的受损与恢复情况进行研究，结果表明2008年植被（森林、灌木、草地和荒漠植被）覆盖面积下降了1.04%～4.12%，而到了2010年，除森林覆盖面积恢复到52%外，其他植被类型均已恢复到震前水平。由此可见，地震对岷江上游的局部地形、气候以及植被产生了不同程度的影响，同时对岷江上游的产水产沙产生极大的影响。

地震不仅改变了岷江上游的水沙条件，还造成库区局部地形变化以及产生严重淤积。地震导致距坝7 km处左岸山体滑坡，形成一处高约30 m的潜坝（堰塞体）。宋以兴等［7］利用Mike3建立了紫坪铺水库异重流在地形突变条件下运动失稳模型，得到了库底地形突变以及断面突扩条件下异重流失稳的判别条件。徐亚亚等［8］通过三维水动力学与泥沙耦合模型研究了紫坪铺水库地形突变对异重流运动过程的影响，结果表明堰塞体以上库段淤积严重。紫坪铺水库的淤积不仅减小了水库有效库容，而且对水库的调度过程产生较大的影响。由丽华等［9］对紫坪铺水库运用以来的调度运用方式、泥沙淤积形态、泥沙淤积分布以及淤积物颗粒组成等进行了分析，分析表明现阶段水库淤积严重，建议尽快实施人工清淤疏浚，以恢复水库拦沙库容。李洪等［2］分析汶川地震对紫坪铺库区淤积的影响，并提出一系列长效的减淤控淤措施。郭秀吉等［1］基于紫坪铺水库多次库区地形实测资料，分析了地震以来紫坪铺水库库容变化及淤积演化过程，并从横纵断面淤积物分布以及粒径组成方面分析了水库淤积情况。尽管这些学者提出了一些减淤的措施与建议，但是并未从具体的技术方面进行论证，离生产实践还有一定的距离。

笔者采用紫坪铺水文站1937年以来的水沙数据，对紫坪铺水库未来的水沙情势进行预测，并基于现状淤积态势，从具体的技术层面提出工程措施、非工程措施以及二者相结合的紫坪铺水库综合减淤措施，以期为紫坪铺水库的水沙调度提供科学依据与技术支撑。

1 紫坪铺水库径流量变化分析

紫坪铺水文站是岷江上游与中游的分界点，控制着岷江上游97%的径流和98%的泥沙。图1为岷江上游紫坪铺水文站年径流量变化过程，该站多年平均径流量为141.62亿m3。在汶川地震前（1937—2007年），径流量呈明显的下降趋势，在1968年以前绝大部分年份的径流量在平均值以上，其中1959年出现明显枯水现象，年径流量为115.42亿m3，仅为多年平均径流量的82%。1968年后大部分年份的年径流量小于多年平均径流量，尤其是2002年，年径流量为97.23亿m3，仅为多年平均径流量的69%。汶川地震后（2008—2018年），岷江上游的年径流量出现一定程度的上升，但是仍在多年平均径流量附近波动，总体上还是呈现偏枯的状态。图1中蓝色实线和红色实线分别为5 a滑动平均径流量以及10 a滑动平均径流量，可以看出，在汶川地震之前，尽管径流量总体呈下降趋势，但是依然有比较清晰的周期性。紫坪铺水文站的径流量呈先减小后增大趋势的原因主要包括两方面，一是自然条件的变化，二是人为因素的影响。岷江流域的年均气温和潜在蒸散量呈上升趋势，年降水量下降速率为20 mm／10 a，这可能是岷江上游来水量逐渐减小的主要原因。而2008年以后径流量逐渐增加的原因可能是灾后重建工作的开展，植被的覆盖度进一步恢复，致使流域涵养水源的能力增强。

图1 岷江上游紫坪铺水文站年径流量变化过程

本研究选取紫坪铺水文站长系列资料对丰、平、枯水年进行分析。实测径流系列经过审核与分析后，按照年份排列一个新的年径流系列，然后从这个长系列中选出代表段。代表段中应包括丰、平、枯水年，并且有一个或几个完整的调节周期。图2为岷江上游紫坪铺水文站1937—2018年水文频率曲线，其中多年平均径流量为141.62亿m3，CV＝0.15，CS＝2CV＝0.3（CV为离差系数，CS为偏态系数，二者均为一般频率曲线的参数）。从图2可以看出，经验频率与理论频率适线结果良好。频率曲线确定后，通过不同的保证率，确定丰、平、枯水年划分标准。河川径流按照丰、平、枯可划分为5大类（见表 1），根据丰、平、枯水年的频率划分标准以及紫坪铺水库实际年径流量分布规律，初步确定新的丰、平、枯对应的频率为15%、50%、85%，对应的径流量为170.23亿、146.23亿、124.59亿m3。结合图1可知，现阶段的岷江上游属于偏枯年份，这也反映出紫坪铺水库今后的天然径流不容乐观，很可能会较长时间处于较为缺水状态。

表1 丰平枯水年的频率划分标准

图2 岷江上游紫坪铺水文站1937—2018年水文频率曲线

2 紫坪铺水库淤积变化分析

紫坪铺水库于2004年12月1日蓄水，2005年5月第一台机组发电，2006年12月竣工。紫坪铺水文站多年平均悬移质输沙量为792万t，多年平均含沙量为0.572 kg／m3，实测最大含沙量为74.2 kg／m3（出现在1964年7月22日），多年平均推移质输沙量为70万t。推移质与悬移质的年输沙量比值为1∶11.3。2008年汶川地震发生，紫坪铺水库距离震中汶川大约17 km，距离中央断裂带8 km，距离前山断裂带5 km。地震不仅给水库大坝安全造成一定的影响，而且对水库的入库沙量造成巨大的影响。图3为汶川地震后紫坪铺水库的入库悬移质变化过程，由图3可知，地震后紫坪铺水库的入库沙量明显增加，部分年份远大于多年平均入库沙量792万t，其中2010年、2012年以及2018年的入库悬移质均超过2 000万t，为多年平均入库沙量的3.68、3.53和3.43倍，只有2016年的入库沙量较少，为454万t，低于多年平均值，主要原因是该年的径流量为129.5亿m3，远小于多年平均径流量。

紫坪铺水库自运行以来共开展过6次地形测量工作，分别为2011年、2013年、2014年、2015年、2019年和2020年（2008年地形为水库修建前初始地形）。图4为紫坪铺水库多年开展地形测量后深泓线的变化图，由图4可知，建库初期至汶川地震前，紫坪铺水库的纵向坡度较为均匀，比降约为0.66%，而汶川地震后，在库区中部位置（M13断面）出现一处较为显著的滑坡体，且落入库中的泥沙在水下形成了沙坝并保留至今，堰塞体实景见图5。通过2011年的库区深泓线可以看出堰塞体显著地改变了库区的形态，将水库分为上下两部分。到2015年，堰塞体以上的库区基本淤平，比降只有0.07%。到2019年，堰塞体以上部分持续淤积，2019年有两场来沙量大的洪水，分别发生于当年的8月20日和9月1日，两次洪水的含沙量峰值分别为63.4 kg／m3和9.58 kg／m3，尤其是第一场洪水，出库（紫坪铺水文站）日均含沙量甚至达到7.73 kg／m3。泥沙不仅淤积在堰塞体上游，甚至翻过堰塞体淤积在下游区域。

图4 不同年份紫坪铺水库深泓线对比

图5 紫坪铺水库堰塞体实景

图6和图7分别为紫坪铺水库2008—2020年以及2019—2020年不同位置的淤积量分布。截至2020年，水库总淤积量为1.952亿m3，占总库容的17.55%，淤积主要集中在库区中部，坝前淤积相对较少。2019年3月—2020年11月，库区新增淤积量2 477万m3，其中死水位以下淤积1 331万m3，占总淤积量的53.7%；死水位至汛限水位之间淤积1 066万m3，占总淤积量的43.0%；汛限水位至正常蓄水位之间淤积5万m3，占总淤积量的0.2%；正常蓄水位至校核洪水位之间淤积75万m3，占总淤积量的3.1%。库区淤积表现为堰塞体以上淤积较少，堰塞体至坝前段淤积较为严重，主要原因是堰塞体上游已经淤平，大量的泥沙翻过堰塞体淤积在堰塞体以下，甚至不断向坝前推进，若不采取对策，可能会威胁到库区引水以及发电。

图6 紫坪铺水库2008—2020年淤积分布

图7 紫坪铺水库2019—2020年淤积分布

3 紫坪铺水库泥沙管理策略

普遍的水库泥沙处理方式为在水库规划设计时，预留一个死库容堆沙，然后通过库区内泥沙淤积的速度来确定水库的使用年限。然而，这种处理水库泥沙的方式不仅不经济，而且有可能在水库死库容远未淤满之前，有效库容已经被侵占了一部分。因此，预留库容堆积泥沙的处理方式是不能长期有效解决水库淤积问题的。截至2020年，紫坪铺水库淤积量达到1.952亿m3，且水库呈加快淤积态势，如何科学合理地制定水库清淤与排沙策略是紫坪铺水库管理部门目前亟待解决的问题。

3.1 减少水库淤积的措施

针对紫坪铺水库来水减少、来沙增加的情势，开展水库上游水土流失治理工作是解决该问题的源头。从目前的初步调查来看，汶川地震直接引发了大量的崩塌、滑坡，在震区每条沟道内都有大量的崩塌、滑坡，已经不能从数量上来统计，几乎都是成片、成群分布。干流、支流两侧的支沟具备泥石流形成的条件，有充分促成能量转化的地形条件，震后在沟道内积累了丰富的松散固体物质，岷江上游泥石流今后的发展趋势主要取决于是否产生暴雨和大暴雨以及暴雨笼罩范围，沟道内是否会产生堵塞与泥石流发生、发展也有密切关系。因此，治理岷江上游泥石流，减少紫坪铺水库入库泥沙应主要从以下几个方面入手：①政策方面。统一规划，突出重点，分期分批进行防治，因地制宜、因害设防，以防为主、防治结合，积极预防人为泥石流灾害。②非工程措施。植树种草，提高水土流失区域的植被覆盖率，对地表水土流失区域进行保护。③工程措施。在库尾建设拦沙坝，拦截入库泥沙；配合修建山坡防护工程、山沟治理工程、山洪排导工程以及小型蓄水用水工程。上述措施单独或有机结合运用，可对紫坪铺来沙进行拦截削减，减少入库泥沙，同时配合科学的水力措施或清淤措施，对于延长紫坪铺水库的使用寿命，可以起到非常重要的作用。

3.2 多措并举的水库排沙策略

上述措施是从源头上减少泥沙的入库，但是上游的泥沙不可能通过上述措施完全被拦截，大洪水挟带的大量泥沙还是会进入库区。此时，需要水库管理部门加强水库调度，在调节径流的同时调节泥沙，这样既可以减缓水库的淤积，也有利于下游泄洪排沙，提高水库设计效益。

3.2.1 非工程措施

当高含沙水流具备异重流发生的条件时，入库后将以异重流的形式潜入库底向坝前运动，这时如果及时打开相应的闸门下泄异重流，便可将这部分泥沙排走，从而减少水库淤积。异重流排沙效果与洪水的来流量、来沙量、来沙级配、下泄流量、开闸时间、库区地形以及底孔高程等因素有关。异重流排沙不需要泄空水库，排沙前后均可以蓄水，这对于缺水地区是一种有效的排沙方式。紫坪铺水库在大水大沙年容易在库区形成异重流并向坝前演进，库中部的堰塞体导致上段库中的低洼河床已被淤平，现已在堰塞体下部形成明显的三角洲顶点，如图8所示，与建库初期的地形相比，堰塞体以上部分坡度几乎接近于零，堰塞体以下部分坡度较陡，形成的三角洲顶点异常明显，在上游来水来沙条件满足异重流潜入条件时，极易发生异重流，并向坝前演进。当上游出现大水大沙时，上段的明渠浑水在三角洲顶点附近会潜入到库区底层前进，形成“上清下浑”的特殊现象，如果能够根据异重流的演进特点及时打开排沙设施，那么大量的泥沙就会被排出水库，减少水库淤积。

图8 紫坪铺水库初始地形与2020年汛末地形

3.2.2 工程措施

机械疏浚技术是指利用机械设备将已经淤积或进入水库的泥沙清除出库，主要分为常规机械疏浚技术（空库干挖疏浚和挖泥船疏浚）和特殊机械疏浚技术（水力虹吸疏浚、气力泵疏浚、射流船疏浚、射流泵疏浚和气动冲沙疏浚）两类［10］。常规机械疏浚优点是耗水量小、疏浚量可控性强、疏浚彻底、对环境影响相对较小，缺点是需耗费外部动力装备，疏浚范围小、成本高。紫坪铺水库属于山区河道型水库，水面宽度较小，因此可以选择射流冲沙以及气动冲沙的方式进行清淤。射流冲沙疏浚原理是水泵抽吸河水泵送至高压水仓，然后由喷嘴阵列喷出高速射流到淤积底泥，泥沙不断悬浮，逐渐变成水沙混合层，随后可以结合水库或者闸门的运行调度随水流输送至下游［11］。气动冲沙疏浚原理是向水底输送高压气体并作用于床面使床沙起动，通过气体的浮力辅助泥沙悬浮，结合水库调度等方式利用水力将淤积的泥沙输送至下游，可兼顾排洪度汛和疏浚的需求［12］。与射流冲沙技术相比，气动冲沙技术不仅能使底泥起动，而且还可通过气泡上升带动泥沙悬浮并向表层运动，输沙效率显著提高［13］。2020年南京水利科学研究院在小浪底水库畛水河口采用固定式气动冲沙装备首次进行了减淤技术现场示范，减淤效果显著［14］，紫坪铺水库可借鉴该类型的清淤方式，达到减淤的目的。

3.2.3 工程与非工程措施结合

汶川地震改变了库区地形，在距坝7 km处左岸山体滑坡，形成一处高约30 m的潜坝（堰塞体）。该堰塞体将水库分为两部分，称之为“上库”与“下库”。如图9所示，2020年上库河床相对2008年上升了45 m，现阶段该库区已被泥沙填满，失去调节功能。如遇大沙年，大量的泥沙会翻过堰塞体进入下库，并导致下库的浑水逐渐演进到坝前，影响下游的供水安全。由于堰塞体目前的形态较为稳定，并没有垮塌的风险，因此围绕该堰塞体进行方案设计，提出“上库调沙，下库调水”的方案，图9中浅蓝色的区域为调沙库容，浅黄色的区域为调水库容。每年在上库进行一定的人工清淤，腾出上库的调节库容，以便下一年的来沙可以被上库拦截。下库承担调节水流的作用，根据下游的用水与防洪安全开展相关的调度措施。