石头河水库含沙量模拟及分层取水方案研究

王 洁，刘 羽，任 劼

（1.陕西省石头河水库灌溉中心,陕西 西安 712000；2.西安理工大学,陕西 西安 710048）

1 工程概况

石头河水库位于陕西省宝鸡市眉县县城正南15 km的秦岭北麓斜峪关,水库控制流域面积673 km2,多年平均径流量3.54亿m3。水库坝高114 m,坝顶高程808 m,总库容1.47亿m3,防洪库容0.31亿m3,防洪限制水位798 m,正常高水位801 m,多年平均调节水量2.7亿m3,输水洞设计流量70 m3/s,灌溉面积37万亩。水库枢纽工程是20世纪70年代开工建设的一座以灌溉为主,结合发电、防洪、水产养殖等综合利用的大（2）型水利工程。20世纪90年代以来,随着我国改革开放和城市化进程的加快发展,石头河水库的功能发生重大变化,其主要任务从农业灌溉转为向西安、咸阳、杨凌、宝鸡等关中城市重要城镇供水。目前,石头河水库已成为以城市供水为主,兼具农业灌溉、发电、防洪、水产养殖等多种功能的重要水利枢纽,成为陕西省关中西部地区重要的城市供水水源地。由于水库地势较高,具备自流供水条件,是我省关中地区逐步实现南水北调解决渭北旱塬缺水问题的工程措施之一,“关中水塔”战略地位凸显,为受水城市的高质量发展提供有力支撑[1]。

2 分层取水必要性分析

石头河水库最初设计功能是以农业灌溉为主,采取深层取水方式,取水口高程为722.00 m,取水的水质、水温比较稳定。1996年石头河西安供水工程建成后,石头河水库开始向西安供水,年设计供水量1.0亿m3,水库功能逐渐转变为以城市供水为主,对供水水质提出了更高的要求。为提高水库供水的兴利水头,取水口位于高程较低、水深较大的底部。多年监测结果表明,在供水过程中石头河水库基本能保证供水水质符合地表水I类水质标准。但是由于水库是底孔出流,导致在个别年份的汛期水库所在流域发生特大洪水时,洪水携带泥沙进入水库,尽管水库表层的水是清的,但是水库底部取水的浊度较高,对供水产生影响,使受水城市社会效益受损,同时加大了受水城市水厂的处理成本和效率,严重影响水库综合效益。

水库持续供水对城市高质量发展具有不可忽视的重要作用,供水水质和供水率是保障城市用水的关键[2]。石头河水库汛期一般浊度较为稳定,基本符合供水要求,但是在特殊情况下会面临浊度较高的问题,例如1998年汛期深层水浊度受到洪水影响,导致向西安供水停供一月有余,西安市启用了备用水源石砭峪水库进行应急供水。但水库供水的其他城市,特别是咸阳、杨凌当时并无地表水备用水源,汛期供水一旦中断,将会因城市缺水引起恐慌,影响区域社会的和谐稳定,也影响供水单位的经济效益和受水城市的经济社会发展,同时会加大受水城市水厂的净水处理费用。2021年汛期洪水对受水城市影响50多天。在近二十多年里由于汛期洪水导致浊度增大,各受水城市供水企业多次与石头河水库管理单位交涉,期望采取措施改善。加之,受水城市发展较快,人口、企业增加迅速,用水量逐年显著增长。分层取水作为水库管理的新思路、新方法,可以在汛期选取不同的取水高度,保障将优质的水资源供应给人民生活和城市发展,是解决石头河水库汛期供水问题的有效路径,可以提高石头河水库的汛期供水保证率。因此,开展石头河水库分层取水研究非常必要。

3 分层取水口设计研究

3.1 石头河水库洪水过程模拟

为确定分层取水的高度,首先对石头河水库某次洪水过程中的进行模拟,以初步判断不同深度、不同位置水体的含沙量变化过程。通过ARCGIS软件将石头河水库的CAD图制成xyz地形文件,将制成的地形文件导入到MIKE3中生成水库地形,通过MIKE3中的网格生成器生成网格,并进行加密和修改见图1（a）,将文件导入MIKE3中生成离散数据,结果见图1（b）。

图1 石头河水库网格图

本次模拟选用的是MIKE3中的HD水动力模块与MT泥模块,选取2021年9月25日～9月28日八年一遇洪水工况的作为模拟对象,将该日期的水库数据分别制成时间序列文件,导入到MIKE3软件当中,部分模拟结果见图2。

随着入库水量的增加以及洪水过程的演进,库区泥沙整体呈现从库尾向坝前移动的趋势。图2（a）为2021年9月25日上午6时泥沙含量云图,该阶段属于洪水过程早期,入库流量为152 m3/s,此时泥沙主要位于库尾,库区内及坝前含沙量极低。随着洪水过程的推移,在9月26日上午6时,库区含沙量出现较大变化,如图2（b）所示,库尾处略有下降,但是泥沙侵入距离已达近3000 m,此时坝前含沙量略有提升,但是含沙量依然较低。在洪水过程末期,石头河水库整体含沙量较高,尤其在距离坝前600 m～2000 m处,含沙量超过8.4 kg/m3,而随着坝前泥沙聚集与推移,含沙量再次增加,达到1.2 kg/m3～1.8 kg/m3,这也是导致浊度较高的主要因素。

3.2 坝前不同深度含沙量模拟

分层取水中最为关键的即为确定取水口数量和高度。通过分析石头河水库在某次洪水过程中的变化,对掌握库区浊度变化规律具有重要意义[3]。为探索取水口处不同高度含沙量的变化,对2021年9月25日～9月28日洪水工况泥沙沉积两天后和五天后的含沙量分布进行模拟,以期为石头河水库分层取水高度的确定提供理论依据,仿真结果见图3。

图3 取水口断面的仿真图

图4 石头河水库叠梁门式建设示意图

图6 石头河水库分层取水塔建设示意图

由图3可知,坝前含沙量的变化呈现出中间低两边高、顶部低底部高的特点,随着洪水过程的结束,泥沙持续在坝前进行堆积,且随着时间的推移,含沙量逐渐变大。在泥沙沉积两天后,780 m～800 m高程部分区域内的含沙量相对较低；泥沙沉积五天后,775 m～800 m高程部分区域内含沙量相对较低,可以满足取水要求。

4 分层取水方案分析

分层取水的改造型式众多,常见的型式有斜卧式、塔式、套筒式、浮式、活动式等,不同分层取水型式的效果、适用条件、投入成本均不同。斜卧式一般适用于水深较小的水库；塔式可适用于大型水库的取水,且取水充足,但对地形施工技术要求较高；套筒式结构较为复杂,操作困难；浮式对于地形的适应能力强,结构简单,但易受风浪影响；活动式同样对地形要求小,成本低且能够抵抗一定风浪,但取水量偏少。在分析石头河水库库区特点、建设需求、地形条件的基础上,本文初步提出了叠梁门式、活动式及新建放水塔三种取水方案。

4.1 叠梁门式分层取水方案

叠梁门取水结构是在取水塔内设置多节可竖向升降的叠梁门,每节叠梁门均可通过机械提升或液压的方式升降,根据水库水位变化,升降相应叠梁门节数,可实现水库分层取水的目标[4]。叠梁门等闸门式分层取水工程方案在国内外水利工程中均有大量成熟的应用实例和经验,因此采用叠梁门式分层取水方案可有效提高石头河水库分层取水工程实施的可靠性。石头河水库死水位高程为728 m,校核洪水位为802.52 m,正常使用时通过现有取水孔进行取水能够满足取水需求。根据模拟结果,洪水侵袭时,底层水体浊度大,高程780 m以上水体满足供水要求,叠梁门位置设置在坝体前140 m现有取水口处,单个标准叠梁门尺寸3000 m×3000 mm,分层取水控制段长为2.65 m,叠门梁底板位置应设置在高程780 m处,且与现有塔体相连,开启不同高度的叠梁闸门可在汛期获取优质原水,共需设置11节叠梁门,工程量较为巨大。

4.2 活动式分层取水方案

活动式分层取水利用可活动的压水管管道,通过适应水位变化的取水构筑物,允许对水体分层取水,但易受到风浪、飘木、浮筏等因素影响,取水可靠性较低[5]。常用的活动式分层取水方式主要有浮船式和缆车式,浮船式分层取水方式又可分为自航式和停泊式两种,自航式一般为船舱内装有内燃机的船只,可根据取水需要进行游荡取水；停泊式不具有动力设备,造价更低,应用相较于自航式也更为广泛。缆车式主要通过建造于岸坡上的缆车吸取水体表层水。对于石头河水库而言,缆车式与潜水泵式均难以满足取水要求,因此可采用浮船式进行分层取水,由于石头河水库校核洪水位和死水位间相差约32 m,为保证浮船活动范围,锚固船体所用连接钢绳长度设置为40 m,最小破力不得小于30 kN,根据取水流量需要,浮船上安置4个DN900管径的活动式取水软管,并设置2个DN1500管径钢管将原水输送至坝后消能池。经计算浮船长约22.8 m,宽约13.8 m,高约4.23 m,内设泵房、配电室、检修室等,采用活动板房形式,主体材料采用8#C型钢,设计供水量为6.6 m3/s。

4.3 新建放水塔

为满足分层取水要求,石头河水库也可采用新建放水塔的形式实现分层取水,为满足地基承载力的要求,将新建放水塔设置在石头河水库右岸坝坡基岩处。

分层塔式进水口采用钢筋混凝土建造,塔身根据水库水体分层情况设置多层进水口,采用工作闸门取水。根据MIKE3软件模拟初步在780 m、788 m、795 m三处设置取水孔,每个进水口尺寸为4 m×5.5 m,设计引水流量21 m3/s,塔身采用内径9.0 m、外径10.6 m的井筒型式,塔体高度84 m,其中高程750 m以下为基岩竖井,750 m以上为四周临空的塔筒,塔内依次布置拦污栅段、闸门室段、通气孔等,并设置内径为2 m的输水隧洞连接新建放水塔与原有输水隧洞。

4.4 分层取水设计方案比选

分析石头河水库分层取水改造方案在不同指标下的表现能够有效反映各方案优劣,有助于选择最佳方案。根据常见的方案比选形式,从技术风险、经济成本、社会环境等多方面对各方案进行探讨,结果见表1,从结果可知,活动式分层取水方案结构简单,施工难度低,技术风险小,社会环境影响程度低,经济成本小,适合作为石头河水库分层取水改造方案。

表1 分层取水设计方案对比表

5 结语

本文针对石头河水库工程,采用MIKE3软件对某次洪水过程中库区的含沙量变化进行了模拟,并将含沙量作为浊度变化的主要影响因素,确定了三个较为合适的分层取水口,设计了三种分层取水方案,并对三种方案进行了比选,确定了最优分层取水方案为活动式分层取水。研究成果可为石头河水库及类似工程的分层取水方案设计提供参考。