張立武

（遼寧省鬧德海水庫管理局，遼寧 阜新 123000）

鬧德海水庫泥沙沖淤特性與排沙期分析

張立武

（遼寧省鬧德海水庫管理局，遼寧 阜新 123000）

基于鬧德海水庫建庫以來歷次大洪水前后庫區(qū)泥沙淤積分析，指出庫區(qū)具有大洪水年淤積、中小洪水年沖刷的規(guī)律，提出在現(xiàn)行調(diào)度運(yùn)用方式下排沙期的時間安排，分析設(shè)置排沙期對水庫供水的影響。結(jié)果表明：設(shè)置排沙期在有效減少庫區(qū)泥沙淤積的同時，對主要用水戶的供水量和供水保證率均無影響。為鬧德海水庫汛期敞泄排沙提供操作性依據(jù)。

沖淤規(guī)律；排沙期；供水保證率；敞泄排沙

1 總體情況

1.1 工程概況

鬧德海水庫位于遼寧省阜新市彰武縣滿堂紅鎮(zhèn)境內(nèi)，控制流域面積為4051km2，是具有防洪滯沙、城市工業(yè)與生活供水等綜合作用的大（Ⅱ）型控制性水利工程。

水庫調(diào)度運(yùn)用方式隨歷次改造和加固而不斷發(fā)生變化。從1994年第三次加固完成后開始，水庫在“冬蓄春放，汛期敞排”的基礎(chǔ)上，每年新增6月和9月兩個月為蓄水期，主汛期7月和8月來沙量較大月份敞泄排沙，并開始通過壩上和壩下兩種取水方式為阜新市提供工業(yè)和生活用水。2001年以來，水庫實現(xiàn)全年蓄水運(yùn)用，全年壩上取水量達(dá)到1200～2500萬m3，供水效益大大提高。

1.2 供水任務(wù)和供水情況

根據(jù)鬧德海水庫建設(shè)目標(biāo)和作用要求，水利部松遼水利委員向鬧德海水庫頒發(fā)了取水許可，批復(fù)其年取水量為9000萬m3，以保證阜新市工業(yè)、生活、七家子水庫的用水需求。

1994年阜新市鬧德海水源工程建成投產(chǎn)，設(shè)計取水能力為10萬m3/d，在保證供水管線安全的情況下，參考《遼西四市水資源配置規(guī)劃》，現(xiàn)狀水源工程取水能力為6.3萬m3/d，年取水能力為2300萬m3。水庫通過鬧德海水廠向阜新市提供工業(yè)和生活用水，1997年以來一直保持在1200～2500萬m3/a之間。鬧德海水庫向位于彰武縣滿堂紅鎮(zhèn)的七家子水庫年供水量為250萬m3。

鬧德海水庫每年為阜新市和七家子水庫合計供水1450～2750萬m3，多年平均供水量1895萬m3。

2 水庫排沙期分析計算

2.1 歷史沖淤情況

鬧德海水庫水沙主要來源于上游支流扣河子河和養(yǎng)畜牧河，其中扣河子河屬于季節(jié)性河流，汛期過后基本斷流，養(yǎng)畜牧河除汛期河水流量較大外，全年平均流量基本穩(wěn)定在1.0m3/s。自1942年建庫以來，水庫分別在1949、1963、1984、1994年遭遇4次較大規(guī)模洪水，其中1949年和1963年2次特大洪水發(fā)生時，溢流堰上水深均達(dá)到4m以上，嚴(yán)重的壅水造成庫區(qū)大量淤積［1］。水庫188.00m高程相應(yīng)庫容在歷次大洪水前后變化見表1。

表1 歷次大洪水前后水庫庫容變化表

由表1可以看出：建庫以來，水庫庫容從1.683m3減少為1.302億 m3，減少了0.381億 m3，淤損率達(dá)22.64%。4次大洪水過程均產(chǎn)生淤積，累計淤積0.969億m3，其中1949年大洪水后淤積量最大，占累計淤積量的73.58%，歷次大洪水淤積量逐次遞減；除2001年后水庫改為全年蓄水運(yùn)用導(dǎo)致2001～2015年間每年均產(chǎn)生少量淤積外，其它大洪水間隔年份均表現(xiàn)為沖刷，累計沖刷量0.626億 m3，其中 1964～1983年間沖刷量最大，占累計沖刷量的43.61%。

由于5個底孔泄流能力350m3/s遠(yuǎn)大于一般年份水庫入庫流量，庫區(qū)不但不能產(chǎn)生有效淤積，甚至可以實現(xiàn)前期淤積泥沙的部分沖刷；只有當(dāng)遭遇大洪水時壩前壅水，才會產(chǎn)生有效淤積，這是鬧德海水庫在大洪水年份和大洪水間隔年份分別產(chǎn)生淤積和沖刷的主要原因。

2.2 水庫排沙期分析

為減少水庫全年蓄水后產(chǎn)生的泥沙淤積，延長使用壽命，根據(jù)自身運(yùn)行實際及上游來水情況，考慮在汛期設(shè)置一定的泄空排沙期，主要由水庫泄空時間、空庫運(yùn)行時間、回蓄尾水時間和庫水積淀澄清時間四部分組成，并考慮一定的風(fēng)險預(yù)留時間。

2.2.1 泄空時間計算

泄空時間指在汛期正常運(yùn)用條件下，調(diào)度決策將原有庫水放空所需的時間?？紤]到放空調(diào)度令均在預(yù)報有大洪水來臨前下達(dá)，因此時間計算時除計算原有庫水泄空所需時間外，還應(yīng)考慮相應(yīng)時間內(nèi)一定級別的入庫洪水流量。

根據(jù)鬧德海水庫泄空排沙方案［2］，當(dāng)預(yù)報上游來水滿足泄空方案啟動條件時，水庫將原庫水全部泄空。依據(jù)現(xiàn)行洪水調(diào)度原則，即當(dāng)入庫流量大于100m3/s，水庫全開泄流設(shè)備迎洪，擬定泄空庫水的初始條件為：水庫壩前水位為174.00m，相應(yīng)庫容為920萬m3，入庫洪水平均流量為100m3/s，洪水持續(xù)時間為72h；在此條件下，水庫泄空庫水需9h，泄空時間在洪水持續(xù)時間之內(nèi)，考慮全過程洪水的含沙量，整個洪水過程需全開閘門敞泄。

2.2.2 空庫運(yùn)行時間分析與確定

為分析水庫空庫運(yùn)行時間，需分析其汛期歷史場次洪水特點(diǎn)，包括其洪峰流量、洪量、洪水持續(xù)時間、含沙量過程與流量過程的同步關(guān)系等。現(xiàn)統(tǒng)計1988～2008年歷次洪水過程的洪水特征值，分析其特征與空庫運(yùn)行必要性的關(guān)系，以確定合理的時間。

表2 不同場次入庫洪水特征值

由表2可以看出，14場洪水的平均洪量為3440萬m3，其中洪量值最大為18453萬 m3，最小為591萬m3；洪水的平均持續(xù)時間為7.12天，持續(xù)時間最長為15天，最短為2.5天。

由于所列洪水均為當(dāng)年規(guī)模最大場次洪水，實際情況為水庫每年均有2～3次洪峰和洪量達(dá)到敞泄排沙條件的洪水發(fā)生，且入庫洪水過程與入庫輸沙率過程經(jīng)常發(fā)生不同步現(xiàn)象，因此確定空庫運(yùn)行時間為15天。

2.2.3 回蓄尾水和沉淀澄清時間分析

為保證水庫有效恢復(fù)供水，必須在洪水尾水段適時回蓄。分析歷史洪水發(fā)現(xiàn)，當(dāng)洪水尾水段流量在10.0m3/s左右時含沙量達(dá)10～15kg/m3發(fā)生頻率較高，而流量在4.00m3/s以下時含沙量則迅速下降到3kg/m3以下，而水庫洪水陡漲陡落的特點(diǎn)使流量從10.0m3/s降至4.00m3/s所需時間較短，而卻產(chǎn)生較大的排沙效率。故擬定回蓄尾水日均流量為4.00m3/s，當(dāng)壩前水位達(dá)到170.00m、相應(yīng)庫容為366萬m3時可恢復(fù)供水，經(jīng)計算其所需時間為11天。

水庫在流量為4.00m3/s開始回蓄尾水時，由于含沙量較低，一般只需庫水位達(dá)到170.00m時即可立即供水，基本不需要沉淀時間；當(dāng)敞泄排沙后水庫上游發(fā)生較大含沙量的暴雨洪水，導(dǎo)致回蓄時間不足而在相對較大含沙量時回蓄洪水，必須經(jīng)沉淀澄清才可達(dá)到供水濁度要求時，則需考慮一定的沉淀澄清時間。根據(jù)自來水壩上取水的濁度要求，一般平均所需時間為4天。

水庫敞泄運(yùn)用時必然會產(chǎn)生一些事先難以預(yù)料的風(fēng)險，如氣象和水文預(yù)報誤差導(dǎo)致水庫泄空，而上游并未發(fā)生相應(yīng)規(guī)模洪水產(chǎn)生的風(fēng)險等。為應(yīng)對此類風(fēng)險，必須在加強(qiáng)與相關(guān)部門溝通協(xié)調(diào)和提高調(diào)度人員業(yè)務(wù)能力的同時，考慮一定的預(yù)留時間。

2.3 排沙期確定

根據(jù)水庫排沙期各影響因素分析和計算成果，考慮泄空時間1天、空庫運(yùn)行15天、回蓄尾水至供水水位11天、庫水沉淀澄清和風(fēng)險預(yù)留時間4天，確定排沙期時間為31天。

3 供水影響分析

水庫敞泄運(yùn)用是控制庫區(qū)泥沙淤積的有效措施，確定排沙期是敞泄運(yùn)用具有可操作性的前提。設(shè)置排沙期對阜新市工業(yè)、生活用水和七家子水庫供水的影響主要表現(xiàn)在供水量和供水保證率兩個方面?？紤]水庫排沙運(yùn)用影響其供水保證率，故在鬧德海水廠建設(shè)時設(shè)置壩下取水設(shè)施，即因水庫泄空排沙而不能在壩上取水時，可以用壩下取水設(shè)施取水以保障各用水戶用水需求。由于這種取水方式成本較高，所以作為非常時刻的備用措施。

當(dāng)發(fā)生壩下取水設(shè)施故障而不能取水的極小概率事件，根據(jù)有兩個以上水源供水的城市供水保證率確定原則［3］，當(dāng)鬧德海水庫水源不能供水時，白石水庫水源可以滿足用水戶消防和生產(chǎn)緊急生活用水及一定數(shù)量的生活用水需要［4］。

因此，排沙期的設(shè)立對水庫供水量和供水保證率沒有任何影響，只是增加了取水費(fèi)用。

4 結(jié)論

經(jīng)統(tǒng)計分析鬧德海水庫歷年庫容變化情況，水庫庫區(qū)呈現(xiàn)大洪水年淤積，中小洪水年沖刷的規(guī)律，由于2001年后入庫水沙量較小，水庫庫容淤損率保持在23%左右。

針對水庫長期保持77%有效庫容的運(yùn)行實際［5］，研究排沙期確定的關(guān)鍵-空庫運(yùn)行時間，進(jìn)而確定整個排沙期所需時間，為敞泄排沙運(yùn)用提供操作依據(jù)。

分析了新提出的敞泄排沙期對鬧德海水庫供水效益的影響，表明在水庫敞泄排沙運(yùn)用時，可以通過壩下取水保證阜新市和七家子水庫用水需求。

［1］冮行久.阜新地區(qū)河流泥沙狀況分析［J］.東北水利水電，2008（01）： 52-54.

［2］張立武.基于中小規(guī)模洪水的鬧德海水庫泄空排沙減淤方案研究［J］.吉林水利，2016（09）：4-6.

［3］周之豪，沈曾源，施熙燦，等.水利水能規(guī)劃（第二版）［M］.北京：中國水利水電出版，1997.

［4］劉素君，張璞.遼寧省白石水庫水源防治與保護(hù)對策［J］.吉林水利，2003（07）：17-19.

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TV145

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1672-2469（2017）10-0064-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.018

2017-03-22

張立武（1985年-），男，工程師。