淺析白石水庫泥沙特點與清淤的方法

劉福林，張 磊，孟繁星，劉揚揚

（1.白石水庫管理局，遼寧 朝陽 122000；2.朝陽市水務局，遼寧 朝陽 122000）

白石水庫位于遼寧省西部地區大凌河干流，壩址控制流域面積17 649km2，占大凌河總流域面積的76％，最大壩高50.3m，壩頂長513m，水庫總庫容16.45億m3。多年平均徑流量13.45億m3，多年平均輸沙量2 143.43萬t，平均含沙量18.08kg/m3，侵蝕模數1 214.48t/（km2·a）。大凌河流域共有泥沙觀測站12處，其中壩址以上10處，主要泥沙資料系列為1955～1985年，共31年。對于新建水利工程，來沙分析、泥沙淤積研究極為重要，是水利調度運用的基礎。

1 泥沙基本資料

大凌河泥沙資料系列為1955～1985年，將資料延展至1992年，即主要泥沙系列為38年。由于實測系列中包括了近100年一遇的1962年大洪水及1963，1969兩年超過10 000m3/s流量的大水年，又包括1970年以后出現的連續枯水年組，所以此泥沙系列代表性較好。

1.1 產沙區分布及泥沙主要來源

大凌河泥沙主要來自中游地區，特別是左側發源于內蒙奈曼庫侖旗半移動沙丘、黃土丘陵區的多泥沙支流，如牛亡牛河、老虎山河、第二牛亡牛河等，侵蝕模數分別為2 688.65，2 328.58，2 214.58 t/（km2·a），牛亡牛河迷力營子站含沙量高達 40kg/m3左右，其年輸沙量為1 160萬t，占大凌河站輸沙量的54.2％。輸沙量、含沙量的沿程變化見圖1。

由圖1可以看出，大凌河站為輸沙量最大的斷面，大凌河站以上沿程輸沙量成倍遞增，大凌河站以下沿程輸沙量遞減。說明泥沙來自中游地區，牛亡牛河等幾條支流來沙占很大比重；大凌河站以下部分泥沙在河道內落淤。

圖1 大凌河干流輸沙量、含沙量、中值粒徑沿程變化圖

1.2 輸沙量年際、年內變化

大凌河輸沙量的年際變化很大。干、支流各站輸沙量最大、最小值之比可達50～392倍，且大凌河年輸沙量變幅是上游比下游大，支流比干流大。由于流域局部暴雨產沙，使得各年沙量及分布的差異極大。

由于輸沙量與水量變化是相關的，且大凌河流域暴雨多發生在汛期，故沙量年內分配也極不均勻，大部分集中在汛期的幾場洪水中。據統計6～9月沙量占全年95.4％～98.8％，其中7，8兩月沙量占年沙量75％～85％，且一次洪水的沙量又往往占很大比重。

1.3 泥沙的顆粒組成

大凌河流域懸移質泥沙顆粒組成比較單一，多以粉沙為主。多年平均中值粒徑d50在0.0157～0.1219mm之間，平均粒徑dpj變化在0.0242～0.0318mm之間。汛期泥沙由暴雨侵蝕流域面挾帶而來，故顆粒較細；非汛期泥沙則是來自上游河道的沖刷，故顆粒相對較粗。

1.4 入庫泥沙量的估算

由長期泥沙系列資料統計得，在38年入庫泥沙量中懸移質70233.8萬t，年平均1848.26萬t。推移質按經驗公式，用推懸比K值（K=推移質輸沙率Gb/懸移質輸沙率Gs），采用沙莫夫法計算得K沙=2.63％，用梅葉—彼得法算得K梅=2.68％，故據沙、梅兩法的成果，采用推懸比K=3％，38年入庫推移質為2107.1萬t，年平均量55.45萬t。故38年推移質和懸移質合計入庫沙量為72341萬t，平均每年入庫沙量為1903.7萬t。

2 產沙原因分析

（1）地質地貌、植被等流域下墊層因素的影響。大凌河流域地質情況復雜，巖性多樣，抗風化、侵蝕能力差，粉沙質土、砂礫石分布于河道兩岸淺灘，抗沖刷能力差。地貌多低山丘陵，地屬干旱地區，植被條件差，多荒山禿嶺。因此，降雨后無滯流，滯沙能力差，很少產生基流，幾乎全部形成地表徑流。

（2）河道比降的影響。大凌河屬山區河流，上游河道比降為0.2％～0.4％，中游為0.1％～0.2％，下游小于0.1％，隨著河道比降減小泥沙落淤，含沙量呈逐漸減小趨勢。

（3）降雨、徑流的影響。當墊面的條件一定時，輸沙量的變化主要受降雨時空分布變化的影響，通常大水大沙、小水小沙，但在不同降雨量和不同暴雨區、暴雨強度，其產沙結果是不同的。因此，降雨產流與產沙有一定的相關性，也有一定離散性和偶然性。

3 清淤排沙的方法

水庫的運用方式直接關系到多沙河流水庫有效庫容變化和水庫的正常使用壽命。為此，對白石水庫樞紐布置、以及水庫正常運用時的調度運用方式的研究將有更深遠、重大的意義。

3.1 水庫樞紐布置

白石水庫水工樞紐布置上采用大底孔集中布置。泥沙沖淤模型試驗對比結果表明，集中布置對水庫排沙有利，同樣的入庫水沙條件，同樣的排沙運用方式，集中布置方案排沙比可達32.8％，是分散布置的近30倍，而且水庫形成120m以下的槽庫容和沖刷漏斗，有利于長期保持有效庫容。

3.2 水庫的運用方式

水庫在蓄水興利的同時，必須兼顧排沙。經過各種排沙運用方式的比較，采用大水大沙年汛期集中排沙，其他年份蓄洪運用的排沙方案。考慮同上游閻王鼻子水庫的梯級開發運用，還應避開閻王鼻子水庫排沙期蓄水，以使水庫達到蓄清排渾的運用方針。

3.3 充分運用異重流排沙

當具有足夠濃度和流速的渾水進入庫區，此水流潛入清水面下沿庫底向前推進，形成異重流。若及時開啟底孔泄洪，可使水庫在存蓄清水的同時排泄渾水，既能保證水庫的效益，又能利用異重流排沙，減少水庫淤積。根據一些水庫實測資料的分析，對于河道較陡、洪水陡漲陡落、歷時較短、含沙量濃度較高的水庫，利用異重流排沙效果都比較好，一次洪水排沙比可達90％以上，多次平均排沙比可達40％～50％。

異重流排沙產生的條件：L＜QS·J0，其中L為水庫的回水長度，km；QS為洪峰的平均輸沙率，kg/s，可近似地根據洪峰流量來推求；J0為庫底比降。

白石水庫水文、庫區地理條件正適合于異重流排沙的產生。在實際運用時加強觀測，盡量利用異重流排沙，有利于白石水庫保持有效庫容。

3.4 加強洪水、泥沙預報，庫區泥沙淤積定期觀測

白石水庫干流入庫站為朝陽站，支流站為迷力營子站、涼水河子站。借助于現代化水情自動測報系統的建立，為水庫調度運用提供水情和沙情預報。同時布置測淤斷面，必要時可以局部加密，保證準確測量并動態掌握庫區泥沙淤積形態和庫容變化，為水庫運用方式的確定提供依據，從而更有效地排沙減淤，從而達到了延長水庫使用壽命，更好地發揮其應有的綜合利用效益。