克孜爾水庫泥沙淤積分析及排沙對策探討

劉思海 侍克斌 張宏科 邢坤

摘要：為探明渭干河上游克孜爾水庫泥沙淤積原因、減少水庫淤積，對入庫泥沙年際、年內的變化特點和粒徑的沿程變化進行了分析，認為水庫泥沙淤積嚴重的原因主要為：①入庫水沙總量逐年增加：②水庫現有排沙洞不利于干流泥沙排出：③水庫運行方式不利于泥沙出庫；④攔門沙坎的形成導致沖沙水量不足。水庫排沙對策：①綜合利用機械挖泥疏浚方案、導沙入河方案解決現有攔門沙坎及近壩段泥沙淤積問題：②采取在水庫上游增建淤地壩以及開展水土保持工作等多種措施減少入庫泥沙總量：③在干流木扎提河上游新建水庫進行水沙聯合調度。

關鍵詞：水土保持；排沙對策；泥沙淤積；克孜爾水庫

中圖分類號：TV145

文獻標志碼：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018.07.005

1概述

1.1水庫基本情況

克孜爾水庫位于渭干河干流木扎提河與支流克孜爾河匯合口以下500m處，是渭干河上游已建成的最大的控制性水利工程。1959-2015年，水庫多年平均來流量為77.4 m^3/s，多年平均來水量為24.41億m^3，多年平均輸沙量為1122萬t，多年平均含沙量為4.6kg/m^3。水庫水沙集中于汛期（6-8月），汛期人庫水量占年水量的59%，汛期入庫沙量占年沙量的88%。

1.2水庫泥沙淤積危害

泥沙淤積是影響水庫大壩安全運行和充分發揮綜合效益的普遍問題。克孜爾水庫白1992年建成運行以來，考慮到下游渭干河灌區的灌溉用水需求，一直遵循設計的水庫運行方式，即水庫初期滯洪運用，后期泄空排沙。然而，由于干流庫區地形開闊不利于懸移質泥沙以異重流形式排出庫外、灌區灌溉面積逐年增大以及種植結構改變等，因此水庫實際淤積速率遠大于設計值。根據2007年庫區實測地形圖計算的淤積量為1.79億m^3，與水庫設計運行20a的泥沙淤積總量1.26億m^3相比，泥沙淤積總量超出0.53億m^3，庫區排沙減淤工作迫在眉睫。

2水庫泥沙淤積分析

2.1入庫泥沙年際、年內變化特點

泥沙變化不僅受降水、下墊面和人類活動等河道系統外因素的影響，還受到河床演變等河道系統內因素的影響 。為解決水庫泥沙問題，必須深人了解入庫泥沙的變化規律。

克孜爾水庫泥沙年際變化情況：1959-1990年，壩址處年輸沙量變化不大：水庫建成后年輸沙量變幅增大，最大為7198萬t（2002年），最小為106萬t（1974年），二者之比為67.9，輸沙量變差系數Cv為0.95，建庫前后輸沙量年際變化較大。輸沙量年際變化曲線見圖1。

年內變化特點：1959-2015年，壩址處輸沙量集中于汛期（6-8月），汛期多年平均輸沙量為952萬t，其余月份輸沙量總和僅為131萬t，約占全年輸沙量的12%。汛期多年平均含沙量為8.44 kg/m^3，其余月份含沙量均值僅為1.16kg/m^3，二者比值為7.3，輸沙量及含沙量的年內分配均極不均衡。見表1。

2.2入庫泥沙淤積沿程顆粒分布

木扎提河入庫泥沙沿程顆粒分布見圖2。由圖2可知：干流庫區泥沙淤積主要分為距壩址11.8km以內中值粒徑小于0.05mm的懸移質泥沙淤積及距壩址11.8km以外的推移質泥沙淤積：泥沙淤積三角洲頂坡中部位于距壩址11.8km處，符合淤積三角洲的泥沙淤積規律。

支流克孜爾河人庫泥沙粒徑的沿程變化見圖3。由圖3可知：中值粒徑小于0.5mm的懸移質泥沙主要淤積在距壩址2.4 km以內的庫區，推移質泥沙則淤積在距壩址2.4km以外的庫區，淤積錐體中上部位于距壩址2.4km處。

綜合分析干流、支流上游至下游懸移質淤積泥沙的中值粒徑可知，隨著距壩里程的縮短，泥沙中值粒徑變小，這符合水庫泥沙淤積沿程細化的空間分布規律 。推移質淤積泥沙的粒徑分布則呈現出不連續性與不規律性，這與韓其為等的研究成果一致，原因應與水庫沖淤交替變化有關。

2.3入庫泥沙淤積原因

水庫泥沙淤積形態及分布主要受流域泥沙特性、人庫水沙過程和水庫運行方式等因素的影響。結合克孜爾水庫入庫泥沙特性、排沙建筑物位置以及水庫運行方式等情況分析，克孜爾水庫泥沙淤積的原因主要可分為以下幾個方面。

（1）入庫徑流量、輸沙量總量逐年增大，水體含沙量較大且有增大趨勢。以1964-2001年為研究時段時，壩址處年平均水量為24.96億m^3，年均懸移質輸沙量為931萬t，年均懸移質含沙量為3.73 kg/m^3；以1992-2006年為研究時段時，壩址處年均水量已增大至26.96億m^3，年均懸移質輸沙量則激增至1510萬t，年平均懸移質含沙量為5.60 kg/m^3。可以看出入庫徑流量增幅明顯小于輸沙量的增幅，無論是含沙量增大還是輸沙量增大，都勢必加劇水庫泥沙淤積。

（2）水庫排沙洞不滿足水庫排沙要求。克孜爾水庫排沙洞由導流洞改建而成，達不到應有的排沙效果。排沙洞位于支流的凸岸，對干流、支流而言均不利于排沙。

（3）水庫運行方式。水庫設計時，壩址處水文泥沙資料序列不長且輸沙量較建庫后偏小，因此水庫運行方式設計采用“空庫迎洪，蓄清排渾”，水庫運行前20a采取滯洪運用的方式，但是實際運行過程中人庫泥沙遠遠大于設計工況，造成水庫泥沙淤積嚴重。同時，為了滿足水庫下游渭干河灌區的用水要求，導致水庫功能發生變化，且未能及時調整水庫排沙運行的方式。

（4）攔門沙坎的形成。結合2001年、2003年、2007年庫區實測地形圖可以看出攔門沙坎的形成過程。水庫運用至2001年，壩前干支流交匯處形成了一條高程為1126.5m的沙坎，但此時尚未形成攔門沙坎，干流庫區與壩前庫區在1124.0～1126.5m高程之間仍處于連通狀態：隨著時間的推移，沙坎持續向壩前推進，至2003年已演變成攔門沙坎，此時沙坎最低高程已達1127.0m，且已隔斷干流庫區與壩前庫區，并在1124. 0～1126.5m高程之間與干流庫區形成了一個蓄水量約76萬m^3的盆地；在沙坎形成的第6a（2007年），淤積的支流泥沙延長了原有攔門沙坎的長度，使得干流庫區攔門沙坎明顯化，攔門沙坎底高程已升至1127.5m，干流庫區與攔門沙坎間的盆地淤積厚度增加了1.0～1.5m，高程為1126.5～1127.5m，盆地蓄水量增加了258萬m^3，增幅為239.5%，可見泥沙淤積速度之快。

2.4水庫排沙條件

水庫排沙效果主要受人庫水沙條件、水庫邊界條件以及水庫運行方式等因素的制約。了解水庫排沙條件是提高水庫排沙比的關鍵，克孜爾水庫排沙條件如下。

（1）工程條件。現有水庫排沙工程條件不理想，排沙洞尺寸及位置均無法較好地滿足水庫排沙要求。

（2）庫區形態。水庫攔門沙坎、盆地的存在嚴重制約著水庫下泄流量及流速，水庫在低水位排沙時仍難以取得預期的排沙效果，溯源沖刷的作用不明顯。克孜爾水庫干流庫區地形復雜，河道存在較多的擴展、彎道及支流匯人等現象，削弱了干流異重流的行進能量，致使異重流無法行進至排沙建筑物處。

（3）河床比降。水庫壩前出現的盆地及攔門沙坎導致壩前淤積面持續抬高，現狀近壩段淤積比降小于原河床，不利于泥沙排出。

（4）水庫淤積物。水庫淤積物總數的88%為懸移質泥沙，利于水庫低水位排沙，且對排沙洞底板的磨損較小。

3排沙減淤方案

克孜爾水庫排沙的關鍵在于解決水庫前期淤積泥沙問題以及減少未來水庫入庫沙量。解決水庫前期淤積泥沙問題主要指解決攔門沙坎問題以及近壩段淤積泥沙問題，減少未來人庫沙量主要考慮干流以及支流泥沙入庫問題。

3.1解決前期淤積泥沙問題

研究表明 ：隨著水庫的運行，近壩段入庫河流交匯區淤積沙坎將會進一步淤高，當庫水位低于沙坎高程時，沙坎將會隔斷干流，將庫區分成上下兩部分，影響水庫的正常運行。整治攔門沙坎的主要方案 包括機械挖泥疏浚方案、防淤堤方案以及導沙人河和岸邊挖泥槽方案。本節主要分析機械挖泥疏浚方案及導沙人河方案。

機械挖泥疏浚是解決克孜爾水庫泥沙淤積的重要措施，可借助挖泥船與吸泥頭結合的方式進行，現階段使用挖泥船疏浚的實際成本為4～8元/m^3，中標單價為6～10元/m^3 。按照克孜爾水庫實際淤積泥沙總量計算，最高需0.178億元，這對于水庫管理單位是一筆十分巨大的經濟投入，因此僅采用機械挖泥疏浚方案是不太合算的。

導沙入河方案的治理目標是將支流克孜爾河的入庫泥沙盡可能導入水庫下游渭干河河道，減緩壩前淤積。克孜爾水庫現已實施導沙人河方案，在支流克孜爾河上游修筑導流堤，將來水挑向河道左岸，水流沿左岸順勢而下，再由順壩將水流導入人工排沙明渠，最后經壩前350m出口流人壩前導流兼排沙明渠至壩前。該方案實施以來，水庫年均排沙量比未采取措施時提高5倍，水庫汛期維持在1140.0m水位以下運行時，排沙效果約為未采取措施時的6倍，且在支流克孜爾河庫段形成沿淤積三角洲頂點向上游發展的溯源沖刷，形成長6.0km、寬40.0m、平均深度3.0m的沖刷槽。

機械挖泥疏浚方案和導沙人河方案相結合可有效緩解壩前泥沙嚴重淤積所造成的危險局面，對水庫進一步治理泥沙淤積問題具有先導作用，也可為水庫轉變運行方式創造條件。

3.2減少入庫泥沙

研究表明，攔沙壩的建設可有效解決河流泥沙入庫問題，具有顯著的社會及經濟效益。木扎提河上游出山口至水庫壩址處為克孜爾水庫的主要產沙區，此區間位于山前沖積帶，植被覆蓋率低，分布有大量山洪溝，暴雨期山洪溝洪水攜帶大量泥沙匯入木扎提河。在木扎提河各主要山洪溝上興建攔沙壩，可以有效減少克孜爾水庫來沙量，達到減淤目的，同時起到穩固河床及邊坡的作用。建議在克孜爾水庫上游建設大、中、小相結合的攔沙壩，以小流域為單元建設層層攔截的攔沙壩系，起到攔沙、削峰、滯洪和上攔下保的作用。

提高上游植被覆蓋率即實施水保固土措施，通過減少河道兩岸岸坡土石脫落總量，可達到減少入庫泥沙的目的。韓曉燕等 研究發現，植被覆蓋率與水土保持效益間不是簡單的線性關系，只有當植被覆蓋率達到一定程度時，才能起到防治土壤侵蝕的作用：當植被覆蓋率超過某一程度時，植被的水土保持功能幾乎不隨覆蓋率的增大而增強。韓鵬等 認為，黃河流域植被覆蓋率提高到15%以上時水保效益較顯著，植被覆蓋率超過45%時植被已不能對水土保持產生明顯的作用，綜合認定適宜的植被覆蓋率應為25%。徐婷等通過整理克孜爾水庫下游渭干河流域1989-2007年植被覆蓋率數據發現，植被覆蓋率呈微弱上升趨勢，其歸一化植被指數NDVI年均值為0.1452，年均增長率為0.21%。綜合以上研究，鑒于克孜爾水庫上游人煙稀少，屬于自然環境條件，其植被覆蓋率應低于渭干河灌區植被覆蓋率，遠遠未達到水保固土的植被覆蓋程度，故應提高水庫上游植被覆蓋率，以減少入庫泥沙總量。

3.3水庫遠期排沙運行方案

從克孜爾水庫來水來沙條件分析，汛期融雪洪水占有很大比重，但洪水量級相對較小。當發生暴雨洪水時，盡管洪水量級較大，但由于水庫承擔防洪任務，因此不僅不能利用暴雨洪水進行排沙，而且將暴雨洪水攜帶的大量泥沙淤積在庫內。所以，缺少量級較大而又不對下游防洪產生影響的洪水進行排沙，是克孜爾水庫排沙效率低的又一重要原因。

克孜爾水庫泥沙淤積問題如不解決，水庫將不能滿足下游用水要求。為滿足下游用水需求，有必要興建有一定調節能力的水庫。干流木扎提河來水來沙總量大，在其上游興建水庫，不僅能滿足下游用水要求，而且可以利用上游山區水庫產生人造洪水，用于克孜爾水庫排沙。建議在目前渭干河流域用水已發生重大變化的情況下，重新進行渭干河流域規劃，將流域多庫水沙聯合調度作為一項重要內容，徹底改變克孜爾水庫泥沙幾乎只淤不排的現狀，使渭干河流域調水調沙走向良性循環。

4結論

克孜爾水庫泥沙淤積嚴重的原因主要為：①入庫水沙總量逐年增加：②水庫現有排沙洞不利于干流泥沙排出；③水庫運行方式不利于泥沙出庫：④攔沙門坎的形成導致沖沙水量不足。水庫應遵循“上攔下排”原則，綜合利用機械挖泥疏浚方案、導沙人河方案解決現有攔沙坎及近壩段泥沙淤積問題，采取水庫上游增建淤地壩以及開展水土保持工作減少入庫泥沙總量，多種手段并用進行水庫排沙減淤。考慮到渭干河下游灌區灌溉需水量連年增加，以及水庫淤積嚴重導致現狀蓄水能力嚴重不足，有必要在干流木扎提河上游新建水庫進行水沙聯合調度。