鬧德海水庫(kù)異重流排沙方案

岳家庚，李娜偉

( 遼寧省鬧得海水庫(kù)管理局，遼寧 阜新123000)

1 水庫(kù)流域概況

鬧德海水庫(kù)是遼寧省柳河上的一座重要的控制性工程，位于彰武縣滿(mǎn)堂鄉(xiāng)，是一座防洪滯沙、農(nóng)田灌溉、工業(yè)供水等綜合利用的大(2) 型水庫(kù)。柳河是遼河右側(cè)的一條較大的多泥沙河流，發(fā)源于內(nèi)蒙古奈曼旗雙山子?xùn)|坡朝陽(yáng)溝，河長(zhǎng)297 km，壩址以上河長(zhǎng)155 km，占總長(zhǎng)的52%; 全流域面積6 879 km2，其中壩址以上4 051 km2，占柳河總流域面積的59%。水庫(kù)上游有3個(gè)入庫(kù)控制站，分別為柳河干流( 扣河子) 的石門(mén)子水文站、支流養(yǎng)畜牧河的三家子水文站和烏根稿河的白廟子水文站。流域內(nèi)植被覆蓋率僅為20% ～30%，洪水暴漲暴落，水庫(kù)以上流域多年平均降水量為419 mm，其中6—9月占80%，多年平均徑流量為2.61 億m3，多年平均流量8.2 m3/s。柳河泥沙含量較大，多年平均輸沙量達(dá)到1 047 萬(wàn)t，實(shí)測(cè)最大含沙量為1 300 kg/m3。

2 異重流

2.1 概念

水庫(kù)渾水異重流是入庫(kù)挾沙水流潛入庫(kù)底形成的。挾沙水流進(jìn)入水庫(kù)回水區(qū)后，隨著水深和過(guò)水?dāng)嗝娴脑龃螅冉禍p小，水流流速和挾沙能力迅速降低，大部分粗顆粒泥沙在庫(kù)區(qū)沉積下來(lái)，形成三角洲淤積形態(tài)。挾帶細(xì)顆粒泥沙的渾水( 粒徑＜0.025 mm) 在一定條件下在三角洲前坡潛入庫(kù)底形成異重流，并沿原河槽向前運(yùn)動(dòng)［1］。如果在異重流到達(dá)壩前能及時(shí)打開(kāi)泄流底孔，就可將異重流排向下游河道，以減少水庫(kù)泥沙淤積，延長(zhǎng)其壽命。

水庫(kù)發(fā)生異重流必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件: ①水利條

件，即: ②進(jìn)庫(kù)泥沙組成較細(xì)，d ＜0.01 mm 所占百分比較大，滿(mǎn)足上述條件后才能形成異重流潛入清水以下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。形成異重流以后，異重流可以抵達(dá)壩前的條件是洪水歷時(shí)應(yīng)大于異重流持續(xù)時(shí)間。洪水水量大于異重流水量，或異重流水量及沿程損失水量之和要大于進(jìn)庫(kù)洪水水量［2］。異重流抵達(dá)壩前以后，若泄洪閘門(mén)及時(shí)開(kāi)啟，則可以排出庫(kù)外，若閘門(mén)關(guān)閉，則在壩前形成渾水水庫(kù)。

2.2 鬧德海水庫(kù)異重流概況

經(jīng)過(guò)筆者對(duì)1970—1998年實(shí)測(cè)資料分析得知，28個(gè)運(yùn)用年間共發(fā)生較典型的異重流6 次，其中:1980年6月、1995年6月，1996年6月3 次異重流期間，平均排沙比為45%。見(jiàn)表1。

表1 實(shí)測(cè)異重流排沙情況(閘門(mén)開(kāi)啟)

1971年5月、1975年6月和1975年7月3 次異重流期間，閘門(mén)基本關(guān)閉( 下泄流量日均值＜2 m3/s) ，在形成渾水水庫(kù)的條件下，排沙比僅為0.9% ～1.2%。絕大部分泥沙都淤在水庫(kù)內(nèi)，形成異重流淤積。在所統(tǒng)計(jì)的6 次異重流中，入庫(kù)最大洪峰流量54 ～532 m3/s，入庫(kù)日均最大流量31 ～80 m3/s，入庫(kù)日均最大含沙量33 ～355 m3/s，壩前日均水位172.09 ～177.98 m。由此可見(jiàn)，由于鬧德海水庫(kù)庫(kù)區(qū)河床比降大，河谷狹窄，同時(shí)來(lái)水含沙量較高，易于形成異重流并抵達(dá)壩前，可以利用異重流排沙減少庫(kù)區(qū)淤積，同時(shí)，利用異重流排沙，防止形成渾水水庫(kù)，有利于阜新城市工業(yè)和居民用水。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果還表明，鬧德海水庫(kù)異重流主要發(fā)生在石門(mén)子、白廟子洪水期，特別是白廟子洪水由于含沙量高、泥沙較細(xì)，更易于形成庫(kù)區(qū)異重流，含沙量沿程衰減也很小。如1975年7月異重流期間，白廟子最大洪峰流量532 m3/s，最大日均含沙量高達(dá)355 kg/m3，在水庫(kù)下泄流量?jī)H0.7 m3/s情況下，出庫(kù)日均最大含沙量仍高達(dá)325 kg/m3，表現(xiàn)了較強(qiáng)的異重流排沙能力。

庫(kù)區(qū)異重流沖淤狀況主要取決于來(lái)水來(lái)沙條件及水庫(kù)運(yùn)用情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，6 次異重流期間，庫(kù)區(qū)來(lái)沙583 萬(wàn)t，出庫(kù)沙量85 萬(wàn)t，累計(jì)淤積達(dá)498 萬(wàn)t。其中，3 次開(kāi)閘排沙的異重流庫(kù)區(qū)來(lái)沙109 萬(wàn)t，出庫(kù)沙量50 萬(wàn)t，累計(jì)淤積僅59 萬(wàn)t，淤積量占來(lái)沙量的55%，而3 次蓄水?dāng)r沙的異重流期間，庫(kù)區(qū)來(lái)沙量474 萬(wàn)t，出 庫(kù) 沙 量 僅35 萬(wàn)t，累 計(jì) 淤 積 量 高 達(dá)439 萬(wàn)t。特別是1975年異重流過(guò)程中，洪水主要來(lái)源于白廟子，同時(shí)石門(mén)子也有較大洪水，水庫(kù)關(guān)閘攔沙，造成壩前淤積厚度達(dá)12.8 m。

2.3 庫(kù)區(qū)異重流排沙特性

水庫(kù)庫(kù)底比降與異重流平均排沙比相關(guān)，庫(kù)底比降大排沙比也大，反之則小。水庫(kù)入庫(kù)洪峰流量與異重流排沙比相關(guān)，入庫(kù)流量大、排沙比也大，反之則小。

除上述水力與邊界條件外，排沙比大小與進(jìn)庫(kù)泥沙顆粒組成密切相關(guān)。若異重流達(dá)到壩前時(shí)，閘門(mén)全部開(kāi)啟，其排沙比與進(jìn)庫(kù)泥沙顆粒＜0.01 mm所占百分比基本一致。鬧德海水庫(kù)3 次異重流排沙僅有1980年異重流期＜0.01 mm 泥沙所占全沙的28.9%，相應(yīng)排沙比為35%，具有較好的相關(guān)關(guān)系。

2.4 異重流排沙量估算

鬧德海水庫(kù)異重流排沙與入庫(kù)洪峰流量呈明顯的正比例關(guān)系。當(dāng)入庫(kù)洪峰量小、含沙量低時(shí)，排沙效率較低。為此統(tǒng)計(jì)分析了17 a 計(jì)算系列6、9月份日均流量＞50 m3/s，同時(shí)日均瞬時(shí)流量104 ～760 m3/s。其中1986年9月3日、7日及1990年6月的3 次洪水，入庫(kù)最大流量分別為319、422 m3/s和760 m3/s，入庫(kù)沙量合計(jì)1 592 萬(wàn)t，平均排沙比高達(dá)80%以上。考慮到鬧德海水庫(kù)的具體情況，同時(shí)限于對(duì)異重流排沙規(guī)律認(rèn)識(shí)的局限性，特別是受實(shí)測(cè)資料范圍的限制，重點(diǎn)對(duì)表2 中9 次洪水進(jìn)行分析。

表2 1986—1997年異重流排沙估算

9 次洪水入庫(kù)洪峰流量104 ～350 m3/s( 與實(shí)測(cè)3 次異重流排沙范圍接近) ，入庫(kù)沙量38 萬(wàn)t ～97 萬(wàn)t，計(jì)算排沙比24% ～76%，平均排沙比50.5%，與實(shí)測(cè)平均排沙比45%較為接近。在9 次異重流排沙期，累積入庫(kù)沙量493 萬(wàn)t，累積出庫(kù)沙量249 萬(wàn)t，庫(kù)區(qū)淤積泥沙244 萬(wàn)t。

2.5 異重流排沙對(duì)庫(kù)區(qū)沖淤平衡的影響

鬧德海水庫(kù)庫(kù)區(qū)沖淤平衡依靠的是洪水期特別是洪水期的沖刷，雖然庫(kù)區(qū)異重流排沙估算效果較好，但與敞泄期沖刷相比還要淤很多。如1986年的2 次 洪 水，入 庫(kù) 沙 量 1 139 萬(wàn)t，異 重 流 排 沙884 萬(wàn)t，庫(kù)區(qū)淤積泥沙407 萬(wàn)t，與敞泄條件下庫(kù)區(qū)實(shí)測(cè)沖刷806 萬(wàn)t相比多淤了1 213 萬(wàn)t，對(duì)庫(kù)區(qū)沖淤具有重大的影響。因此對(duì)于日均流量＞100 m3/s或日均含沙量＞100 kg/m3的洪水，不能依靠異重流排沙，應(yīng)進(jìn)行敞泄排沙。對(duì)于日均流量＜100 m3/s或日均含沙量＜100 kg/m3的洪水可依靠異重流相繼排沙，減少庫(kù)區(qū)淤積。

［1］張瑞瑾. 河流泥沙動(dòng)力學(xué)［M］. 北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.

［2］劉加海. 二維水槽數(shù)值造波分析研究［J］. 黑龍江水利科技，2006，34(2) :39 －41.