多沙河流水庫“蓄清調渾”設計運用研究進展

張金良

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003;2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌），河南 鄭州 450003）

1 研究背景

在天然河道上修建水庫會帶來河道邊界條件的改變和來水來沙過程的變化,從而引發一系列工程泥沙問題,這種現象在泥沙量大、含沙量高的多沙河流上尤為明顯[1］。工程泥沙問題有多種表現形式[2］,例如:庫尾泥沙淤積會造成淤積末端上延,影響河道排洪通道暢通；庫區泥沙淤積會侵占水庫有效庫容,影響水庫綜合效益發揮[3］；泄流孔洞泥沙淤堵會造成啟閉設施破壞,影響工程運用安全[4］；壩下泥沙淤積會造成尾水渠泥沙淤堵,影響水庫泄流安全[5］。多沙河流的治理主要圍繞于工程泥沙問題的處理,受到大批學者的關注與重視[6-7］。為有效解決多沙河流水庫工程泥沙問題,保障水庫長期發揮效益,我國泥沙科技工作者針對多沙河流水庫設計運用進行了長期探索與實踐,在該領域積累了豐富的實踐經驗、奠定了理論基礎。

多沙河流水庫工程泥沙設計運用需要綜合考慮工程規模、不同運用階段泥沙淤積量、工程運用對下游河道沖淤影響等多方面因素,因此需要開展大量的研究與論證工作[8］?？傮w而言,我國多沙河流水庫設計運用經歷了3個階段:第1階段是20世紀五六十年代,以三門峽水庫為代表,采用“蓄水攔沙”設計運用,由于對泥沙問題考慮不足,因此庫容淤損過快,回水末端淤積上延,渭河下游防洪問題突出[9］；第2階段是20世紀70年代至21世紀初期,針對水庫淤積過快問題,將水庫運用方式調整為“蓄清排渾”運用,部分實現了水庫既定的開發目標,同時在對三門峽等水庫運用實踐總結的基礎上,為緩解黃河下游淤積,提出小浪底水庫“攔粗排細、蓄清排渾”運用方式[10］和“調水調沙”運用方式[11-13］,使得工程泥沙設計技術顯著提升；第3階段是進入21世紀以來,以小浪底水庫為代表的運用實踐,為多沙河流水庫設計運用提供了豐富的技術支撐,此外,泥沙科技工作者針對高、超高、特高含沙量河流工程泥沙設計難和攔沙庫容再生利用難等世界性難題,以古賢、東莊、馬蓮河等水庫為基礎進行理論創新、技術攻關及實踐應用[14］,提出“蓄清調渾”設計運用理論及關鍵技術[15］,系統解決了多沙河流工程泥沙問題,形成了較為完善的理論與技術體系,極大地推動了多沙河流水庫設計運用研究發展。

經過多年理論創新與技術發展,現階段多沙河流水庫“蓄清調渾”設計運用研究已經取得了較大進展,形成較為完整的系統框架,創新性地提出包括水庫淤積形態與庫容分布耦合設計、攔沙庫容再生利用、水沙分置開發等關鍵技術[14］。本文旨在綜述多沙河流水庫設計運用發展歷程,從理論創新、關鍵技術及工程實踐3個方面總結不同發展階段研究進展,梳理“蓄水攔沙”和“蓄清排渾”階段存在的問題,以及“蓄清調渾”階段取得的成果,指明新時期多沙河流水庫設計運用研究發展的方向。

2 多沙河流水庫設計運用理論研究進展

多沙河流水庫設計運用理論的核心是研究工程修建前后庫區、壩前以及壩下游的泥沙運動特性[16］,由此推演不同工程規模及工程布置時水沙運動的特點、泥沙淤積的形態及其與水庫調度之間的響應[17-19］?？v觀多沙河流水庫設計運用理論研究進展,其基本理念主要從“蓄水攔沙”以“攔”為主到“蓄清排渾”的“攔、排”結合,再到現階段“蓄清調渾”的“攔、排、調”結合,以“調”為主。

2.1 蓄水攔沙

20世紀五六十年代,我國興建了大批水利工程,由于輕視泥沙問題的嚴重性以及對工程泥沙問題認識水平有限,因此該時期多沙河流水庫設計多參考清水河流水庫,并借鑒早期蘇聯專家對水庫設計運用的經驗,以攔蓄洪水泥沙為主[20］。該時期對水庫排沙理論的研究也主要基于世界范圍內多數水庫運用的經驗,即認為將已經淤積在水庫里的泥沙沖走是不可能的,利用底孔放水的方法沖走已經沉積的泥沙的企圖只能造成一個后果:水流作用在泥沙沉積的范圍內沖出一條狹窄的溝槽,并直接在底孔旁形成一個面積有限的漏斗狀坑穴,且只有在水流運動過程中處于懸浮狀態的細顆粒泥沙才有可能被排出庫。因此,僅僅依靠水力沖刷手段帶走的泥沙量,與水庫長時期運用累計攔蓄的泥沙量相比,幾乎是可以忽略不計的。此外,即使水庫汛期敞泄排沙,水流經過水利樞紐泄洪后也將在上游形成回水,回水的形成和水庫坡降的減小將使水流流速和挾沙能力大大降低,因此泄洪排沙期庫區內的泥沙淤積量仍然會很大?？紤]上述因素,該時期水庫往往設置較大的庫容攔蓄泥沙,且忽視水庫排沙作用的影響,因此不可避免地造成庫容淤損過快的后果。

綜上可知,“蓄水攔沙”設計運用階段,由于缺乏經驗,對工程泥沙問題認識不足,對水庫水流泥沙運動過程理解有限,因此錯誤預估了泥沙問題的潛在危害。即使有個別學者提出在水庫上游通過開展水土保持、修建攔沙壩等措施減少入庫泥沙量[21-22］,但受當時主流思想的影響,泥沙處理的思路仍局限于“攔”。這種通過水庫攔沙庫容被動換取水庫壽命的設計運用方式是不合理的,注定會大大縮短水庫的使用壽命,導致水庫原有開發功能在短時間內全部或部分喪失。

2.2 蓄清排渾

針對“蓄水攔沙”階段水庫淤積嚴重的問題,我國水利工作者認識到以“攔”為主的設計運用思路不可行,為了適應水利工程的開發需求,解決水庫有效庫容長期保持這一迫切問題,需要探索新的道路。早在20世紀70年代,林一山[23］根據遼寧柳河上游的鬧得海水庫和埃及尼羅河上的小阿斯旺水庫運用經驗,提出要使水庫長期保持部分有效庫容,就必須使庫區既能在必要時達到排沙的流速,又能充分發揮蓄水興利的目的,即采用汛期排沙、汛后蓄水的運用方式,由此拉開了“蓄清排渾”設計運用的序幕。隨后,韓其為[3］進一步從理論上闡述了水庫長期使用的原理和根據,并給出了保留庫容的確定方法,同時從理論上詳細論證了水庫長期使用的根據,以及在技術上的可行性和經濟上的合理性。三門峽等水庫改建后泥沙淤積的有效控制也從工程實踐上驗證了“蓄清排渾”設計運用的可行性[24-26］。從基本原理上講,水庫蓄清排渾設計運用是指水庫在汛限水位附近具有一定的泄流規模,因此在汛期含沙量較高、洪量較大時能夠維持汛限水位或進一步降低水位泄洪排沙運用,將全年尤其是非汛期淤積的泥沙排泄出庫,從而實現水庫全年的沖淤平衡,維持有效庫容的長期保持；而在非汛期含沙量較低時,水庫能夠蓄水興利運用,綜合實現開發目標。“蓄清排渾”設計運用方式自提出以來,在實踐中不斷優化和完善。張金良等[15］結合江河水沙變化的實際情況,提出了長江三峽水庫、黃河三門峽水庫和小浪底水庫基于“蓄清排渾”運用方式進一步優化的建議,即三峽水庫汛期實施“中小洪水”調度,三門峽水庫由汛期全部敞泄發展為汛期大于一定流量時敞泄,小浪底水庫結合調水調沙運用。

總體而言,經過我國水利工作者長期探索,不斷研究水庫“蓄清排渾”設計運用方式,在理論和解決實際問題上已頗為成熟,以“攔、排”結合能夠保證水庫調節庫容和防洪庫容的長期保持和使用,有效解決我國多沙河流水庫有效庫容難以保持的問題。但采用上述運用方式后,仍然存在一些問題需要解決,例如:水庫汛期不能蓄水,在干旱地區難以保障供水任務,從而帶來排沙和供水之間難以協調的矛盾；水庫進入正常運用期后仍需強迫排沙,調沙能力減弱,進而影響水庫防洪減淤效益；超高含沙河流水庫即使采用“蓄清排渾”仍難以保持有效庫容等。由此可見,“蓄清排渾”設計運用方式仍然有很大的發展空間,因此需探索新時期多沙河流水庫設計運用方式。

2.3 蓄清調渾

21世紀初期,張金良等[27］結合三門峽水庫和小浪底水庫運用實踐,提出多沙河流水庫通過調水調沙長期保持有效庫容的同時,還要盡可能調節出庫水沙搭配關系,從而有利于下游河道減淤,由此形成了“蓄清調渾”的初步概念。發展至今,以小浪底水庫為代表的運用實踐[28-29］和以東莊、馬蓮河、古賢水庫為代表的規劃設計[30-33］,為多沙河流水庫設計運用提供了支撐。泥沙科技工作者創新發展了工程泥沙設計理論[14］,提出了高、超高、特高含沙量河流分級標準,探明了“水庫-河道”聯動機制、輸沙能量轉換機制,創建了水庫攔沙能力計算新方法,構建了庫區泥沙沖淤能耗最小臨界形態計算公式,從理論上揭示了泄水建筑物布設與水庫排沙及有效庫容保持的互饋機制,為多沙河流水利樞紐工程攔沙庫容設置、淤積形態設計、泄水排沙建筑物規劃設計等提供了理論基礎,由此逐步形成了以全面發揮水庫綜合效益和長期提高下游水沙關系協調度為核心的“蓄清調渾”設計運用方式?！靶钋逭{渾”的核心思想是指:根據水庫開發任務要求,充分考慮多沙河流來水來沙過程中場次洪水和年際間豐、平、枯變化,統籌調節泥沙對水庫淤積形態和有效庫容的影響,以盡可能提高下游河道水沙關系協調度為核心,以水庫徑流泥沙調控度為控制,設置合適的攔沙和調水調沙庫容,通過“攔、調、排”全方位協同調控,實現有效庫容長期保持和部分攔沙庫容的再生利用、攔沙庫容與調水調沙庫容一體化使用,更好地發揮水庫綜合利用效益[15］。采用“蓄清調渾”設計運用方式的水庫,在適當攔沙和汛期排沙的基礎上,根據來水來沙條件動態優化水庫調度運用,能夠長期發揮有效協調水沙關系的作用,實現水庫攔沙庫容的恢復利用及下游河道的高效輸沙。與“蓄清排渾”相比,“蓄清調渾”更加注重“調”的運用,指導思想更為主動、靈活。同時為更好滿足“調”的需求,“蓄清調渾”在水庫設計上也有一定的要求,水庫需要增設足夠深度的排沙底孔和足夠的調沙庫容,在此基礎上根據水沙系列的豐、平、枯變化動態調整其運用方式,以此來解決水沙關系不協調帶來的庫容淤損過快或河道淤積嚴重等問題,從而實現以水庫河道為整體的泥沙年際、年內調節的目的。

總的來說,新時期泥沙科技工作者對工程泥沙問題進行了全鏈條研究,使該領域得到了全方位發展。尤其是創新形成的多沙河流水庫“蓄清調渾”設計運用新理念,突破了以往“蓄清排渾”運用傳統,對于工程泥沙問題有了更全面的認識和更系統的理解,將泥沙處理思路由被動防御轉變為主動調控,使得水庫設計運用理論得到提升。同時在理論基礎層面,高含沙水流能耗機理、互饋機制、輸沙能量轉換機理、泥沙淤積機制等均得到發展,有力支撐了水利工程的規劃設計和調度運用。

3 多沙河流水庫設計運用關鍵技術研究進展

多沙河流水庫設計運用中面臨著有效庫容保持難、淤積形態設計難、供水排沙兼顧難等諸多問題,采用一定技術手段解決上述問題一直是研究的熱點。下面分別敘述攔沙庫容再生利用、淤積形態與庫容分布耦合設計、水沙分置開發3項關鍵技術在不同階段的研究進展。

3.1 攔沙庫容再生利用技術

在河流上修建水庫后,水位抬高,流速降低,勢必造成庫區泥沙淤積。對此,韓其為[3］的《水庫淤積》、錢寧[34］的《泥沙運動力學》、張瑞瑾[35］的《河流動力學》等都對水庫淤積的機制和庫區水流泥沙運動的機理進行了闡述。早期“蓄水攔沙”階段,鑒于理論基礎的缺乏,尚未對水庫排沙效應形成清晰的認知,普遍忽視水庫的排沙作用,認為即使水庫低水位運用或敞泄運用,也只能排出部分泥沙,將水庫局限地看作攔沙工程[36］。到了“蓄清排渾”階段,雖然水庫庫容保持領域已經有了較為成熟的理論和技術,包括溯源沖刷、異重流排沙等措施,但仍未對水庫攔沙庫容再生利用進行研究,也沒有相應的技術,且水庫攔沙庫容一旦淤滿后,只能被動進入正常運用期強迫排沙運用?！靶钋逭{渾”是對多沙河流水庫攔沙庫容再生利用技術的創新,該階段首次提出了在死水位以下創造壩前臨時泥沙侵蝕基準面,從而實現攔沙庫容再生利用的設計理念,發明了低位非常規排沙孔洞的設置與設計技術,并在涇河東莊等水庫上得以應用,非常規排沙調度方式能夠實現攔沙庫容恢復20%以上,使死庫容復活并永續利用[14］。

3.2 淤積形態與庫容分布耦合設計技術

水利樞紐的開發建設一般要同時兼顧防洪、發電、供水、灌溉等多目標要求,如何結合地形、來水來沙等條件進行庫容分布設計,直接影響水庫的規模指標。“蓄水攔沙”階段,水庫淤積形態計算和庫容分布設計往往分開進行,且水庫淤積形態設計中未充分考慮河槽沖淤臨界狀態,而實際上水庫具有死灘活槽的特點,槽庫容有沖有淤?！靶钋迮艤啞彪A段,韓其為[16］研究了三角洲淤積的趨向性和特點。除三角洲淤積形態外,其他學者對錐體淤積形態、帶狀淤積形態等也有過大量研究[22,25］,形成了一些經驗性的形態判別方法[37］。具體進行水庫淤積形態設計的方法包括公式計算、數學模型計算和物理模型試驗等。但該階段關于沖淤臨界狀態的研究較少,對于河槽沖淤臨界狀態的界定尚不清晰,這給水庫庫容分布設計帶來影響,造成水庫回水計算基底邊界不明確。“蓄清調渾”階段,淤積形態與庫容分布耦合設計技術得到完善,通過識別庫區干支流水沙與泥沙淤積形態的響應關系,可統籌考慮水庫調沙需求及不利影響,完整構建水庫“高灘深槽、高灘中槽、高灘高槽”3種淤積形態設計技術。該階段提出了“深槽調沙、中槽興利、高槽調洪”三槽淤積形態和庫容分布耦合設計新技術,創建了庫區“小水攔沙,大水排沙,適時造峰,淤灘塑槽”的灘槽同步塑造調控技術,實現了攔沙庫容、調水調沙庫容、興利庫容、防洪庫容分布與淤積形態的耦合設計,確立了設計新技術和規則[14］。

3.3 水沙分置開發模式與技術

水庫大都有供水任務,而多沙河流水庫由于存在汛期排沙的要求,需要保持一定時段的低水位運用,因此存在供水與排沙之間的矛盾,該問題對于特高含沙河流水庫尤其突出?！靶钏當r沙”階段,水庫淤損過于嚴重,淤廢后將難以發揮供水等綜合效益[38］?！靶钋迮艤啞彪A段,修建的水利樞紐工程多為單庫開發模式,因此無法滿足特高含沙河流水庫供水保證率要求,水沙分置開發模式與技術處于空白。直至“蓄清調渾”階段,開始研究干流大庫調控泥沙、支流調蓄水庫調節供水的并聯水庫模式,形成并聯水庫興利庫容聯合配置設計技術,論證水沙分置效果。建立的興利庫容和調沙庫容聯合配置設計技術,突破了有效庫容保持和供水調節之間難以協調的技術難題,為特高含沙河流重大水利樞紐工程開發找到了行之有效的途徑[14］。

4 多沙河流水庫設計運用實踐

自20世紀50年代至今,我國多沙河流水庫設計運用經歷了3個發展階段,不同階段有相應的工程實踐案例。下面分別敘述不同水庫設計運用階段的工程案例及當時存在的問題,剖析問題的成因和行之有效的解決措施,為未來水庫設計運用研究提供理論和技術支撐。

4.1 蓄水攔沙

“蓄水攔沙”設計運用方式完全不考慮排沙,以一定庫容攔蓄泥沙,若遇豐沙年份,水庫淤積速度會很快,庫容損失率大,水庫的近期效益雖高,但遠期效益隨著庫容的淤損顯著降低[39］。典型案例如三門峽水庫1960—1962年曾采用這種運用方式,導致水庫淤積嚴重。在1960年9月—1962年3月,三門峽水庫330 m高程以下淤積泥沙15.3億t,有93%的來沙淤在庫內,導致回水末端淤積上延,潼關高程從323.40 m抬升到328.07 m,渭河下游防洪問題嚴峻。黃河干流上的鹽鍋峽水庫,運用9 a損失庫容76%。黃河上游青銅峽水庫,僅運用5 a,庫容由6.06億m3減至0.79億m3,損失庫容87%。內蒙古曾調查19座庫容在100萬m3以上的水庫,總淤積量占總庫容的31%。據1983年陜西省調查資料統計,全省建成的314座水庫,總庫容40.48億m3,泥沙淤積量達7.67億m3,其中1970年以前建成的120座水庫已損失庫容53%,有43座水庫淤滿報廢；榆林、延安兩地區水庫泥沙的淤積量分別占總庫容的75%和88%[40］。山西省對1958年以后興建的大中型水庫進行調查顯示,到1974年年底泥沙淤積約7億m3,占總庫容的32%。由于這一時期對泥沙認識水平有限,采用了以“攔”為主的設計運用思路,被動地通過堆沙庫容“攔”沙,沒有很好地解決泥沙淤積問題,因此這一時期修建的水庫泥沙淤積問題嚴重,大量工程被迫改建[26］。

4.2 蓄清排渾

經歷“蓄水攔沙”階段水庫嚴重淤積的慘痛教訓后,我國多沙河流水庫開始逐漸采用“蓄清排渾”設計運用方式,最初的實踐案例借鑒于鬧得海水庫的成功運用[23］,由此形成了“蓄清排渾”的初步理念。隨后在進一步發展中,根據水庫運用對泥沙調節形式的不同,分為汛期敞泄運用、汛期控制低水位運用和汛期控制蓄洪運用3種形式。汛期敞泄運用即空庫迎洪,利用泄空過程造成的溯源沖刷和沿程沖刷,將前期淤積的泥沙排至庫外。這種運用方式排沙效果好,能大大減少水庫的淤積,如黑松林、紅領巾、洗馬林等水庫。汛期控制低水位運用即采用限制一定的低水位進行控制運用,這個水位一般為排沙水位,當洪水到來時,庫水位限制在這一水位之下,排走汛期入庫的大部分泥沙,依靠年際間水沙的豐枯變化,可基本控制水庫的淤積,青銅峽水庫和改建后的三門峽水庫即屬于這種類型。汛期控制蓄洪運用即汛期含沙量較高的洪水期采取降低水位控制運用,而含沙量較低的小洪水則適當地加以攔蓄,以提高興利效益,滿足用水需要,如山西恒山水庫?？偟膩碚f,雖然“蓄清排渾”基本解決了水庫的淤積問題,但水庫進入正常運用期后調沙庫容過小與協調水沙關系的矛盾仍難以解決,且超高、特高含沙河流即使采用“蓄清排渾”仍難以解決庫容淤損過快的難題。

4.3 蓄清調渾

新時期以小浪底水庫為代表的運用實踐,致力于解決“蓄清排渾”設計運用方式存在的難題,為多沙河流水庫設計運用提供了豐富的技術支撐。依托黃河古賢水利樞紐、涇河東莊水利樞紐、馬蓮河水利樞紐等重大工程設計,對涉及的工程泥沙問題進行了全鏈條研究,形成了系統的“蓄清調渾”設計運用理論技術體系。多沙河流水庫庫壩區輸沙流態和沖淤模式十分復雜,現有模型考慮不全面,難以適應高、超高、特高含沙量水庫沖淤模擬。針對目前多沙河流水庫回水計算基底邊界不明確,可能導致移民回水超出設計范圍,誘發社會問題,提出了基于高灘高槽推算移民水位的新方法。在深入研究古賢庫壩區泥沙沖淤規律的基礎上,識別庫區干支流水沙交互存在沿程入匯、分層倒灌、蓄泄吐納、側向驅動4種基本模式,建立了沖淤模擬方法,提出了庫壩區耦合水沙全交互模型,能夠支撐水庫泥沙設計的全方位模擬評估[14］。為持續發揮水庫攔沙減淤效益,提出在死水位以下創造壩前臨時泥沙侵蝕基準面,實現攔沙庫容再生利用的設計理念。在超高含沙量河流水庫泥沙設計中,在常規泄流排沙孔以下增設非常規排沙底孔,通過孔洞空間布置、泄流規模等設計,在死水位以下快速形成臨時泥沙侵蝕基準面,為實現攔沙庫容再生利用創造工程條件。結合東莊水庫調度設計,根據東莊水庫水沙特性,提出低位非常規排沙孔洞采用“相機泄空,適時回蓄”的調度方式,并確定了啟用的水沙條件、泄水流量、回蓄時機,使水庫攔沙庫容恢復20%以上,并永續利用[14］。針對特高含沙河流水庫有效庫容保持和供水調節之間難以協調的難題,結合馬蓮河水庫,創建了特高含沙河流干流大庫調控泥沙、調蓄水庫調節供水的并聯水庫水沙分置開發模式,為特高含沙量河流重大水工程開發開辟了新途徑。

5 結論

本文系統回顧了我國多沙河流水庫設計運用方式的發展歷程,對“蓄水攔沙”“蓄清排渾”“蓄清調渾”3個階段水庫設計運用理論研究、關鍵技術和應用實踐進行總結和分析,主要認識如下:

(1)在理論研究層面,“蓄水攔沙”缺乏水庫排沙理論支撐,單純采用“攔”的策略,忽視水庫排沙效應；“蓄清排渾”采用“攔、排”結合的策略,能夠從理論上闡述水庫長期使用的原理和根據,但仍具有一定局限性；“蓄清調渾”注重“調”,完善發展高含沙水流能耗機理、多沙水庫泥沙淤積機制,將泥沙處理思路由被動防守轉為主動調控。

(2)在關鍵技術中,“蓄清調渾”對多沙河流淤積形態與庫容耦合分布設計技術、超高含沙河流水庫攔沙庫容再生利用技術和特高含沙河流水沙分置開發技術等進行創新,實現協調水沙關系和攔沙庫容再生利用,解決了長期以來制約超高、特高含沙河流大型水利樞紐建設的關鍵難題。

(3)在工程實踐中,“蓄清調渾”運用方式與設計技術已經在小浪底等水庫進行了應用,為黃河古賢、涇河東莊以及馬蓮河等重大水利樞紐工程論證提供了技術支撐,未來結合工程建設運行可進一步驗證完善“蓄清調渾”運用理論及設計技術。