“庫中庫”泥沙清淤技術在西北干旱缺水地區的適用性技術探討

楊順剛

(新疆克孜爾水庫管理局，新疆 拜城 842313)

1 水庫泥沙淤積概況

克孜爾水庫自1991年下閘蓄水以來，泥沙淤積問題十分嚴重。2017年實測淤積總量3.2億m3，其中：死庫容淤積1.286億m3，占死庫容的98.94%，興利庫容淤積1.91億m3，占興利庫容的40.2%；正常高蓄水位1149.6m以下淤積3.2億m3，庫容損失52.92%(見表1)。水庫運行20多年來，雖然采取了異重流排沙、低水位渾水排沙、導流堤與排沙渠聯合輔助排沙等排沙措施，但從1992年以來水庫年入庫沙量和出庫沙量分布圖(如圖1所示)看，排出的沙量與入庫沙量相比，僅占14.5%，大量泥沙仍淤積在庫內。

表1 克孜爾水庫原初設特征水位泥沙淤積統計表

2 渭干河流域水沙特性

克孜爾水庫多年平均入庫年徑流量26.2×108m3， 多年平均含沙量約4.46kg/m3，多年平均懸移質輸沙總量約1318.42×104t，入庫水、沙量在年內的分配主要集中在汛期6—9月，汛期水量占年水量的58.3%、沙量占年沙量的90.0%，輸沙量及含沙量年內分配極不均衡。

3 水庫清淤存在的主要問題

3.1 泥沙淤積體量大，機械清淤成本高

挖掘機配以拖拉機、載重汽車清淤雖然是一種直接、實效的方法，但只適合旱地小范圍作業；挖泥船清淤機動性好，取料濃度大，耗水量少，但適合水深較淺的平原水庫，不適用于深水水庫大規模清淤作業，且所需外加動力較大；目前，克孜爾水庫的泥沙淤積總量達3.2億m3，無論運輸機械或挖泥船，清淤成本都非常高。

3.2 與下游平原水庫聯調難度大，低水位清淤實施難度高

克孜爾水庫干流和庫區地形復雜，存在河道擴展、直流彎曲、匯流等現象，削弱了干流異重流的行進能量，障礙了異重流向排沙建筑物行進；低水位或空庫沖沙是指滯洪期間庫區水流保持一定流速，細顆粒泥沙來不及大量沉積就被水流帶至壩前而排出庫外，而克孜爾水庫下游雖有五一和躍進兩座平原水庫，但由于流域內3座水庫隸屬關系不同，實行聯合調度后如何實行水量再分配，如何打破傳統的分水比例涉及各方利益，協調實施難度大，所以克孜爾水庫汛期低水位清淤實施難度高。

圖1 克孜爾水庫年入庫與出庫沙量柱狀分布圖

3.3 汛期低水位運行影響灌區農業灌溉

為使水庫低水位運行，根據水庫目前的運行方式，每年5月下旬—6月中旬棉花播前水將無法調蓄，此外，6月中旬開始的棉花灌溉高峰期，若無水量補給，實施空庫運行后，上游河道來水較少時無法滿足灌溉需求，勢必影響下游灌區的農業灌溉。

4 “庫中庫”泥沙處理技術的基本原理

“庫中庫”泥沙處理技術主要原理是將庫區隔離成“內庫”區和“外庫區(如圖2所示)，兩者通過橡膠壩或者閘門進行連通，其主要原理是通過“內外庫”聯合調度的方式確保汛期“外庫”空庫運行進行水力沖淤；其主要構想是“內庫”采用自吸式管道清淤等成本低、效果好的清淤技術將淤積泥沙排出庫外，使其成為永久庫容，“內庫”水量主要用于灌溉補給，“外庫”汛期入庫洪水超過下游河道的安全泄量時才攔洪，平時不調蓄，利用汛期河道流量大、流速高的特點進行空庫沖沙；其主要運行方式是非汛期“外庫”水位高于“內庫”水位，“內庫”蓄水；汛期“外庫”實現空庫沖沙，將當年入庫沙量排出，并逐步恢復“外庫”庫容，當天然來水不足無法滿足灌溉需求時由“內庫”補水確保灌區農業灌溉；其主要目的是解決機械清淤成本大，空庫沖沙影響灌區灌溉以及如何防止清淤后再度淤積等技術難題。

圖2 克孜爾水庫“庫中庫”清淤布置示意圖

5 “庫中庫”泥沙處理技術的主要優點

5.1 “內庫”清淤后不會再產生新的淤積，保持永久庫容

根據懸沙運動的紊流擴散理論，泥沙濃度沿垂向分布不均，表層水流泥沙含量低，而底層含量則相對較高，“庫中庫”泥沙處理技術方案因“內庫”與“外庫”彼此隔離，汛期“內外庫”聯合調度時，表層水流進入“內庫”，而底層泥沙含量高的水流則從“外庫”經排沙涵洞排至庫外，因此，“內庫”不會產生新的回淤，可以保持永久庫容。

5.2 “庫中庫”模式可以減小清淤對農業灌溉的影響

根據近幾年水庫實際運行情況：每年4月5日左右水庫基本處于空庫運行狀態，一直持續到4月25日才關閘蓄水，5月10日開始進行小麥二水灌溉，5月25日開始關閘蓄水，6月10日開始棉花頭水灌溉。

從4月25日空庫開始，截至到6月10日，根據河道多年平均來水量預測，進庫水量20180萬m3，灌區需水量12116萬m3，水庫實際蓄水量8064萬m3，按照“庫中庫”設計思路，該部分水量全部存放在“內庫”中，6月中旬開始用天然河道來水進行灌溉，即“外庫”以敞泄的方式運行，灌溉不足水量可以由“內庫”補給，因此“外庫”空庫沖沙對灌區的農業灌溉影響較小。

5.3 “庫中庫”模式可以提高空庫沖沙效果

5.3.1“內庫”壩體可以改變“外庫”水流流向，起到導流排沙作用

克孜爾水庫泄洪排沙洞由施工期的導流洞改建而成，初設時為了盡可能考慮到泄流排沙建筑物良好的抗震條件，排沙洞底孔在平面上布置于河道左岸，從庫區原河道流勢看，排沙涵洞不處于主河床上，與排沙流路不吻合，從而影響排沙效果。

庫中庫模式的“內庫”壩體不僅僅是擋水，而且同時可以起到導流排沙的作用，“內庫”壩體布局的優劣直接影響水庫蓄水和排沙效果。為增加排沙效果，充分利用“內庫”壩體將干支流主流導向排沙洞前，可以通過模型試驗研究“內庫”壩體的最優布置方式，從而徹底改變初設排沙涵洞設計布置缺陷。

5.3.2“內庫”壩體可以束窄“外庫”河床寬度，提高水流流速

通過修建“內庫”壩體，將“外庫”河床沿寬度方向進行人工壓縮，可以增大水流速度，從而使沖沙效果更加顯著。

5.3.3汛期天然來水流量大、流速高、沖沙時間長，“外庫”空庫沖沙效果明顯

2017年從4月10開始將閘門提空，水庫初次進行空庫沖沙，一直持續到4月22日，空庫運行14天，出庫流量維持在36.86m3/s左右，根據水文監測資料表明：水庫敞泄期間上游進庫沙量2.19萬噸，出庫沙量248.78萬t，水庫實際清淤246.59萬t，平均排沙比在44386%左右，空庫排沙量占全年排沙量660萬t的37.69%。平均懸移質輸沙率達2057kg/s，最大達到6440kg/s。

2018年的空庫運行時間從4月5日開始，一直持續到4月25日，出庫流量在30.43m3/s左右，根據監測資料表明，空庫沖沙時間21d，進庫泥沙總沙量0.36萬t，出庫泥沙總量91.59萬t，水庫清淤約91.23萬t，平均排沙比為22316%左右，空庫排沙總量占全年總排沙量173.08萬t的52.92%，出庫平均輸沙率825.76kg/s，最大僅為1470kg/s。

2019年空庫沖沙時間從4月6日至4月24日，總共持續時間19d，平均出庫流量45.9m3/s，進庫泥沙總量0.547萬t，出庫泥沙總量407.239萬t，實際清淤406.692萬t，排沙比在74450%左右，空庫運行排沙量占全年總排沙量460萬t的88.5%，平均懸移質輸沙率達2480kg/s，最大達到8990kg/s。

從2017—2019連續3個年度的空庫運行資料表明：沖沙流量越大，排沙比越高、輸沙率越大。2019年的排沙比、輸沙率遠遠大于2018年，主要原因是2019年的沖沙平均流量45.9m3/s左右，而2018年4月的沖沙平均流量則在30.43m3/s左右。

若將沖沙時間放在汛期，河道天然來水多年平均流量均在100～180m3/s附近，遠遠大于4月份的進庫流量30～45m3/s，水流流速增大，且空庫沖沙時間將大大延長，根據有關研究資料表明：當汛期低水位排沙時間為 40d 時，其排沙量為 913.75萬t，基本可使汛期入庫泥沙全部排出庫外，維持水庫現有庫容不再變化；當低水位排沙時間在 47d 時，其排沙量為 1073萬t，同時非汛期拉排量為 9.8萬t，二者之和為 1083萬t，則可保持水庫全年進出庫泥沙總量持平；而當低水位排沙時間為 50d 時，其排沙量為 1142.19萬t，不僅解決了汛期入庫泥沙出庫問題，同時排沙量比多年平均年入庫泥沙總量1083×104t 多出 59.19×104t；水庫死水位對應庫容將在 2049年得到恢復[1]。由此可見，汛期空庫沖沙效果非常顯著。

5.4 “外庫”空庫水力沖沙減小清淤成本

經了解，挖掘機配合自卸汽車清淤費用在13元/m3左右，而最便宜的自吸式管道清淤費用也在8元/m3左右，克孜爾水庫的淤積量達3.2億m3，機械清淤費用非常高，但由于汛期河道來水量大，沖沙持續時間長，若“外庫”汛期實現空庫沖沙，可以大大減小清淤成本。

5.5 “庫中庫”模式不會影響水庫的防洪功能

克孜爾水庫防洪高水位1151.89m，汛限水位為1145.75m，設計防洪庫容為2.64億m3，汛期兩庫同時參與防洪運用，“外庫”空庫迎洪，只有在入庫洪峰流量大于下游安全泄量750m3/s時，水庫才參與攔洪，此時，因“外庫”空庫運行，防洪高水位1151.89m以下的庫容均可參與攔洪，實際防洪庫容與設計相比將增加1億m3左右(按2017年的水位庫容曲線計算)，將極大地增加水庫的調洪能力，確保下游的防洪安全。

6 “庫中庫”泥沙處理技術存在的主要技術問題

6.1 發生大洪水或特大洪水時仍有大量泥沙淤積在庫內

根據水庫調度規程，入庫流量大于安全泄量750 m3/s， 即Q天然>Q下游安全，在庫水位低于防洪高水位1151.89m時，按安全泄量750 m3/s下泄，在遭遇大洪水(如2016年40年一遇洪峰流量為3420 m3/s)且庫水位低于防洪高水位1151.89m時，如按750 m3/s下泄，仍有大量攜帶泥沙的洪水攔蓄在水庫并產生大量的淤積，由此可見，發生大洪水時汛期并不能將泥沙全部排出庫外。

6.2 “內庫”壩體施工難度大

因壩前泥沙淤積深度近20m左右，覆蓋層大，如何選擇筑壩材料、壩體形式、布局模式和施工方式，需通過實體模型試驗研究優化“庫中庫”布局形式及運行方式。

6.3 怎樣解決“內庫”的蓄供水問題

初期階段，“內庫”清淤后底部高程勢必低于“外庫”，供水階段“內庫”的水如何流出，是否需要在主壩上重新修建灌溉沖沙閘涵；蓄水階段，“外庫”的水流如何進入“內庫”，是否需要在“外庫”修建導流堤還需做進一步論證。

6.4 “內、外庫”聯合調度方式

不同庫水位與泄水排沙建筑物運用組合下，“外庫”庫區沖刷方式、影響因素和沖刷效果；不同庫水位下“外庫”外庫空庫沖砂的最佳流量及持續時間；有利于庫容恢復的內外庫聯合調度方式等還需做進一步的研究論證。

7 結語

“庫中庫”泥沙處理技術目前還只是處于初步設想階段，從以上分析可知，該方案可以解決空庫沖沙對農業灌溉的影響，提高沖沙效果，減小清淤成本，同時還能使清淤后的庫容不再產生二次淤積，對西北地區植被稀少，汛期河流含沙量高尤其是干旱缺水地區的水庫清淤有廣闊的使用前景，但國內還沒有同類型的水庫泥沙處理技術實施先例，還要根據水庫實際調度運行及泥沙淤積情況在筑壩材料、壩型、施工方案、“內、外庫”聯合調度方式等方面做大量的基礎工作并進行相關的論證。