紫坪鋪水庫現(xiàn)狀水沙情勢變化與減淤措施研究

李 洪，由麗華，王宏偉，王 強(qiáng)，王遠(yuǎn)見

（1.四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091；2.黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.河南省湖庫功能恢復(fù)與維持工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

紫坪鋪水庫是一座集灌溉、供水、發(fā)電、旅游等綜合效益于一體的大型水利樞紐，對岷江上游的水沙調(diào)控以及下游成都平原的供水安全意義重大。壩址以上流域面積2.26萬km2，多年平均徑流量148億m3，占岷江上游徑流總量的97%。水庫正常蓄水位877.0 m，校核洪水位883.1 m，死水位817.0 m。水庫具有不完全年調(diào)節(jié)功能，擔(dān)負(fù)著灌溉以及城市供水的重任［1］。

汶川地震發(fā)生后，岷江上游地區(qū)森林植被遭到損毀，地形地貌極不穩(wěn)定，紫坪鋪水庫平均每年入庫淤積物約1 500萬m3，同設(shè)計值相比增加了1倍［2］。汶川地震深刻地改變了岷江上游的水文地質(zhì)條件，也對紫坪鋪水庫的來水來沙條件產(chǎn)生了重大影響。丁海容等［3］通過紫坪鋪水文站1980—2007年的水沙數(shù)據(jù)，分析了徑流量與輸沙量的變化趨勢，并建立了降水量與輸沙量之間的相關(guān)關(guān)系。葛永剛等［4］通過分析岷江上游都江堰—汶川河段的地質(zhì)發(fā)育情況，揭示了地震次生災(zāi)害以及修建工程對河道的影響。由麗華等［5］分析了汶川地震對紫坪鋪水庫調(diào)度運(yùn)用的影響，指出后續(xù)的水庫調(diào)度要充分考慮壩區(qū)小環(huán)境改變與產(chǎn)匯流條件的變化，以應(yīng)對險情的發(fā)生。田雨等［6］基于震前、震后的遙感影像數(shù)據(jù)，對岷江上游植被的受損與恢復(fù)情況進(jìn)行研究，結(jié)果表明2008年植被（森林、灌木、草地和荒漠植被）覆蓋面積下降了1.04%～4.12%，而到了2010年，除森林覆蓋面積恢復(fù)到52%外，其他植被類型均已恢復(fù)到震前水平。由此可見，地震對岷江上游的局部地形、氣候以及植被產(chǎn)生了不同程度的影響，同時對岷江上游的產(chǎn)水產(chǎn)沙產(chǎn)生極大的影響。

地震不僅改變了岷江上游的水沙條件，還造成庫區(qū)局部地形變化以及產(chǎn)生嚴(yán)重淤積。地震導(dǎo)致距壩7 km處左岸山體滑坡，形成一處高約30 m的潛壩（堰塞體）。宋以興等［7］利用Mike3建立了紫坪鋪水庫異重流在地形突變條件下運(yùn)動失穩(wěn)模型，得到了庫底地形突變以及斷面突擴(kuò)條件下異重流失穩(wěn)的判別條件。徐亞亞等［8］通過三維水動力學(xué)與泥沙耦合模型研究了紫坪鋪水庫地形突變對異重流運(yùn)動過程的影響，結(jié)果表明堰塞體以上庫段淤積嚴(yán)重。紫坪鋪水庫的淤積不僅減小了水庫有效庫容，而且對水庫的調(diào)度過程產(chǎn)生較大的影響。由麗華等［9］對紫坪鋪水庫運(yùn)用以來的調(diào)度運(yùn)用方式、泥沙淤積形態(tài)、泥沙淤積分布以及淤積物顆粒組成等進(jìn)行了分析，分析表明現(xiàn)階段水庫淤積嚴(yán)重，建議盡快實(shí)施人工清淤疏浚，以恢復(fù)水庫攔沙庫容。李洪等［2］分析汶川地震對紫坪鋪庫區(qū)淤積的影響，并提出一系列長效的減淤控淤措施。郭秀吉等［1］基于紫坪鋪水庫多次庫區(qū)地形實(shí)測資料，分析了地震以來紫坪鋪水庫庫容變化及淤積演化過程，并從橫縱斷面淤積物分布以及粒徑組成方面分析了水庫淤積情況。盡管這些學(xué)者提出了一些減淤的措施與建議，但是并未從具體的技術(shù)方面進(jìn)行論證，離生產(chǎn)實(shí)踐還有一定的距離。

筆者采用紫坪鋪水文站1937年以來的水沙數(shù)據(jù)，對紫坪鋪水庫未來的水沙情勢進(jìn)行預(yù)測，并基于現(xiàn)狀淤積態(tài)勢，從具體的技術(shù)層面提出工程措施、非工程措施以及二者相結(jié)合的紫坪鋪水庫綜合減淤措施，以期為紫坪鋪水庫的水沙調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 紫坪鋪水庫徑流量變化分析

紫坪鋪水文站是岷江上游與中游的分界點(diǎn)，控制著岷江上游97%的徑流和98%的泥沙。圖1為岷江上游紫坪鋪水文站年徑流量變化過程，該站多年平均徑流量為141.62億m3。在汶川地震前（1937—2007年），徑流量呈明顯的下降趨勢，在1968年以前絕大部分年份的徑流量在平均值以上，其中1959年出現(xiàn)明顯枯水現(xiàn)象，年徑流量為115.42億m3，僅為多年平均徑流量的82%。1968年后大部分年份的年徑流量小于多年平均徑流量，尤其是2002年，年徑流量為97.23億m3，僅為多年平均徑流量的69%。汶川地震后（2008—2018年），岷江上游的年徑流量出現(xiàn)一定程度的上升，但是仍在多年平均徑流量附近波動，總體上還是呈現(xiàn)偏枯的狀態(tài)。圖1中藍(lán)色實(shí)線和紅色實(shí)線分別為5 a滑動平均徑流量以及10 a滑動平均徑流量，可以看出，在汶川地震之前，盡管徑流量總體呈下降趨勢，但是依然有比較清晰的周期性。紫坪鋪水文站的徑流量呈先減小后增大趨勢的原因主要包括兩方面，一是自然條件的變化，二是人為因素的影響。岷江流域的年均氣溫和潛在蒸散量呈上升趨勢，年降水量下降速率為20 mm／10 a，這可能是岷江上游來水量逐漸減小的主要原因。而2008年以后徑流量逐漸增加的原因可能是災(zāi)后重建工作的開展，植被的覆蓋度進(jìn)一步恢復(fù)，致使流域涵養(yǎng)水源的能力增強(qiáng)。

圖1 岷江上游紫坪鋪水文站年徑流量變化過程

本研究選取紫坪鋪水文站長系列資料對豐、平、枯水年進(jìn)行分析。實(shí)測徑流系列經(jīng)過審核與分析后，按照年份排列一個新的年徑流系列，然后從這個長系列中選出代表段。代表段中應(yīng)包括豐、平、枯水年，并且有一個或幾個完整的調(diào)節(jié)周期。圖2為岷江上游紫坪鋪水文站1937—2018年水文頻率曲線，其中多年平均徑流量為141.62億m3，CV＝0.15，CS＝2CV＝0.3（CV為離差系數(shù)，CS為偏態(tài)系數(shù)，二者均為一般頻率曲線的參數(shù)）。從圖2可以看出，經(jīng)驗(yàn)頻率與理論頻率適線結(jié)果良好。頻率曲線確定后，通過不同的保證率，確定豐、平、枯水年劃分標(biāo)準(zhǔn)。河川徑流按照豐、平、枯可劃分為5大類（見表 1），根據(jù)豐、平、枯水年的頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)以及紫坪鋪水庫實(shí)際年徑流量分布規(guī)律，初步確定新的豐、平、枯對應(yīng)的頻率為15%、50%、85%，對應(yīng)的徑流量為170.23億、146.23億、124.59億m3。結(jié)合圖1可知，現(xiàn)階段的岷江上游屬于偏枯年份，這也反映出紫坪鋪水庫今后的天然徑流不容樂觀，很可能會較長時間處于較為缺水狀態(tài)。

表1 豐平枯水年的頻率劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖2 岷江上游紫坪鋪水文站1937—2018年水文頻率曲線

2 紫坪鋪水庫淤積變化分析

紫坪鋪水庫于2004年12月1日蓄水，2005年5月第一臺機(jī)組發(fā)電，2006年12月竣工。紫坪鋪水文站多年平均懸移質(zhì)輸沙量為792萬t，多年平均含沙量為0.572 kg／m3，實(shí)測最大含沙量為74.2 kg／m3（出現(xiàn)在1964年7月22日），多年平均推移質(zhì)輸沙量為70萬t。推移質(zhì)與懸移質(zhì)的年輸沙量比值為1∶11.3。2008年汶川地震發(fā)生，紫坪鋪水庫距離震中汶川大約17 km，距離中央斷裂帶8 km，距離前山斷裂帶5 km。地震不僅給水庫大壩安全造成一定的影響，而且對水庫的入庫沙量造成巨大的影響。圖3為汶川地震后紫坪鋪水庫的入庫懸移質(zhì)變化過程，由圖3可知，地震后紫坪鋪水庫的入庫沙量明顯增加，部分年份遠(yuǎn)大于多年平均入庫沙量792萬t，其中2010年、2012年以及2018年的入庫懸移質(zhì)均超過2 000萬t，為多年平均入庫沙量的3.68、3.53和3.43倍，只有2016年的入庫沙量較少，為454萬t，低于多年平均值，主要原因是該年的徑流量為129.5億m3，遠(yuǎn)小于多年平均徑流量。

紫坪鋪水庫自運(yùn)行以來共開展過6次地形測量工作，分別為2011年、2013年、2014年、2015年、2019年和2020年（2008年地形為水庫修建前初始地形）。圖4為紫坪鋪水庫多年開展地形測量后深泓線的變化圖，由圖4可知，建庫初期至汶川地震前，紫坪鋪水庫的縱向坡度較為均勻，比降約為0.66%，而汶川地震后，在庫區(qū)中部位置（M13斷面）出現(xiàn)一處較為顯著的滑坡體，且落入庫中的泥沙在水下形成了沙壩并保留至今，堰塞體實(shí)景見圖5。通過2011年的庫區(qū)深泓線可以看出堰塞體顯著地改變了庫區(qū)的形態(tài)，將水庫分為上下兩部分。到2015年，堰塞體以上的庫區(qū)基本淤平，比降只有0.07%。到2019年，堰塞體以上部分持續(xù)淤積，2019年有兩場來沙量大的洪水，分別發(fā)生于當(dāng)年的8月20日和9月1日，兩次洪水的含沙量峰值分別為63.4 kg／m3和9.58 kg／m3，尤其是第一場洪水，出庫（紫坪鋪水文站）日均含沙量甚至達(dá)到7.73 kg／m3。泥沙不僅淤積在堰塞體上游，甚至翻過堰塞體淤積在下游區(qū)域。

圖4 不同年份紫坪鋪水庫深泓線對比

圖5 紫坪鋪水庫堰塞體實(shí)景

圖6和圖7分別為紫坪鋪水庫2008—2020年以及2019—2020年不同位置的淤積量分布。截至2020年，水庫總淤積量為1.952億m3，占總庫容的17.55%，淤積主要集中在庫區(qū)中部，壩前淤積相對較少。2019年3月—2020年11月，庫區(qū)新增淤積量2 477萬m3，其中死水位以下淤積1 331萬m3，占總淤積量 的53.7%；死水位至汛限水位之間淤積1 066萬m3，占總淤積量的43.0%；汛限水位至正常蓄水位之間淤積5萬m3，占總淤積量的0.2%；正常蓄水位至校核洪水位之間淤積75萬m3，占總淤積量的3.1%。庫區(qū)淤積表現(xiàn)為堰塞體以上淤積較少，堰塞體至壩前段淤積較為嚴(yán)重，主要原因是堰塞體上游已經(jīng)淤平，大量的泥沙翻過堰塞體淤積在堰塞體以下，甚至不斷向壩前推進(jìn)，若不采取對策，可能會威脅到庫區(qū)引水以及發(fā)電。

圖6 紫坪鋪水庫2008—2020年淤積分布

圖7 紫坪鋪水庫2019—2020年淤積分布

3 紫坪鋪水庫泥沙管理策略

普遍的水庫泥沙處理方式為在水庫規(guī)劃設(shè)計時，預(yù)留一個死庫容堆沙，然后通過庫區(qū)內(nèi)泥沙淤積的速度來確定水庫的使用年限。然而，這種處理水庫泥沙的方式不僅不經(jīng)濟(jì)，而且有可能在水庫死庫容遠(yuǎn)未淤滿之前，有效庫容已經(jīng)被侵占了一部分。因此，預(yù)留庫容堆積泥沙的處理方式是不能長期有效解決水庫淤積問題的。截至2020年，紫坪鋪水庫淤積量達(dá)到1.952億m3，且水庫呈加快淤積態(tài)勢，如何科學(xué)合理地制定水庫清淤與排沙策略是紫坪鋪水庫管理部門目前亟待解決的問題。

3.1 減少水庫淤積的措施

針對紫坪鋪水庫來水減少、來沙增加的情勢，開展水庫上游水土流失治理工作是解決該問題的源頭。從目前的初步調(diào)查來看，汶川地震直接引發(fā)了大量的崩塌、滑坡，在震區(qū)每條溝道內(nèi)都有大量的崩塌、滑坡，已經(jīng)不能從數(shù)量上來統(tǒng)計，幾乎都是成片、成群分布。干流、支流兩側(cè)的支溝具備泥石流形成的條件，有充分促成能量轉(zhuǎn)化的地形條件，震后在溝道內(nèi)積累了豐富的松散固體物質(zhì)，岷江上游泥石流今后的發(fā)展趨勢主要取決于是否產(chǎn)生暴雨和大暴雨以及暴雨籠罩范圍，溝道內(nèi)是否會產(chǎn)生堵塞與泥石流發(fā)生、發(fā)展也有密切關(guān)系。因此，治理岷江上游泥石流，減少紫坪鋪水庫入庫泥沙應(yīng)主要從以下幾個方面入手：①政策方面。統(tǒng)一規(guī)劃，突出重點(diǎn)，分期分批進(jìn)行防治，因地制宜、因害設(shè)防，以防為主、防治結(jié)合，積極預(yù)防人為泥石流災(zāi)害。②非工程措施。植樹種草，提高水土流失區(qū)域的植被覆蓋率，對地表水土流失區(qū)域進(jìn)行保護(hù)。③工程措施。在庫尾建設(shè)攔沙壩，攔截入庫泥沙；配合修建山坡防護(hù)工程、山溝治理工程、山洪排導(dǎo)工程以及小型蓄水用水工程。上述措施單獨(dú)或有機(jī)結(jié)合運(yùn)用，可對紫坪鋪來沙進(jìn)行攔截削減，減少入庫泥沙，同時配合科學(xué)的水力措施或清淤措施，對于延長紫坪鋪水庫的使用壽命，可以起到非常重要的作用。

3.2 多措并舉的水庫排沙策略

上述措施是從源頭上減少泥沙的入庫，但是上游的泥沙不可能通過上述措施完全被攔截，大洪水挾帶的大量泥沙還是會進(jìn)入庫區(qū)。此時，需要水庫管理部門加強(qiáng)水庫調(diào)度，在調(diào)節(jié)徑流的同時調(diào)節(jié)泥沙，這樣既可以減緩水庫的淤積，也有利于下游泄洪排沙，提高水庫設(shè)計效益。

3.2.1 非工程措施

當(dāng)高含沙水流具備異重流發(fā)生的條件時，入庫后將以異重流的形式潛入庫底向壩前運(yùn)動，這時如果及時打開相應(yīng)的閘門下泄異重流，便可將這部分泥沙排走，從而減少水庫淤積。異重流排沙效果與洪水的來流量、來沙量、來沙級配、下泄流量、開閘時間、庫區(qū)地形以及底孔高程等因素有關(guān)。異重流排沙不需要泄空水庫，排沙前后均可以蓄水，這對于缺水地區(qū)是一種有效的排沙方式。紫坪鋪水庫在大水大沙年容易在庫區(qū)形成異重流并向壩前演進(jìn)，庫中部的堰塞體導(dǎo)致上段庫中的低洼河床已被淤平，現(xiàn)已在堰塞體下部形成明顯的三角洲頂點(diǎn)，如圖8所示，與建庫初期的地形相比，堰塞體以上部分坡度幾乎接近于零，堰塞體以下部分坡度較陡，形成的三角洲頂點(diǎn)異常明顯，在上游來水來沙條件滿足異重流潛入條件時，極易發(fā)生異重流，并向壩前演進(jìn)。當(dāng)上游出現(xiàn)大水大沙時，上段的明渠渾水在三角洲頂點(diǎn)附近會潛入到庫區(qū)底層前進(jìn)，形成“上清下渾”的特殊現(xiàn)象，如果能夠根據(jù)異重流的演進(jìn)特點(diǎn)及時打開排沙設(shè)施，那么大量的泥沙就會被排出水庫，減少水庫淤積。

圖8 紫坪鋪水庫初始地形與2020年汛末地形

3.2.2 工程措施

機(jī)械疏浚技術(shù)是指利用機(jī)械設(shè)備將已經(jīng)淤積或進(jìn)入水庫的泥沙清除出庫，主要分為常規(guī)機(jī)械疏浚技術(shù)（空庫干挖疏浚和挖泥船疏浚）和特殊機(jī)械疏浚技術(shù)（水力虹吸疏浚、氣力泵疏浚、射流船疏浚、射流泵疏浚和氣動沖沙疏浚）兩類［10］。常規(guī)機(jī)械疏浚優(yōu)點(diǎn)是耗水量小、疏浚量可控性強(qiáng)、疏浚徹底、對環(huán)境影響相對較小，缺點(diǎn)是需耗費(fèi)外部動力裝備，疏浚范圍小、成本高。紫坪鋪水庫屬于山區(qū)河道型水庫，水面寬度較小，因此可以選擇射流沖沙以及氣動沖沙的方式進(jìn)行清淤。射流沖沙疏浚原理是水泵抽吸河水泵送至高壓水倉，然后由噴嘴陣列噴出高速射流到淤積底泥，泥沙不斷懸浮，逐漸變成水沙混合層，隨后可以結(jié)合水庫或者閘門的運(yùn)行調(diào)度隨水流輸送至下游［11］。氣動沖沙疏浚原理是向水底輸送高壓氣體并作用于床面使床沙起動，通過氣體的浮力輔助泥沙懸浮，結(jié)合水庫調(diào)度等方式利用水力將淤積的泥沙輸送至下游，可兼顧排洪度汛和疏浚的需求［12］。與射流沖沙技術(shù)相比，氣動沖沙技術(shù)不僅能使底泥起動，而且還可通過氣泡上升帶動泥沙懸浮并向表層運(yùn)動，輸沙效率顯著提高［13］。2020年南京水利科學(xué)研究院在小浪底水庫畛水河口采用固定式氣動沖沙裝備首次進(jìn)行了減淤技術(shù)現(xiàn)場示范，減淤效果顯著［14］，紫坪鋪水庫可借鑒該類型的清淤方式，達(dá)到減淤的目的。

3.2.3 工程與非工程措施結(jié)合

汶川地震改變了庫區(qū)地形，在距壩7 km處左岸山體滑坡，形成一處高約30 m的潛壩（堰塞體）。該堰塞體將水庫分為兩部分，稱之為“上庫”與“下庫”。如圖9所示，2020年上庫河床相對2008年上升了45 m，現(xiàn)階段該庫區(qū)已被泥沙填滿，失去調(diào)節(jié)功能。如遇大沙年，大量的泥沙會翻過堰塞體進(jìn)入下庫，并導(dǎo)致下庫的渾水逐漸演進(jìn)到壩前，影響下游的供水安全。由于堰塞體目前的形態(tài)較為穩(wěn)定，并沒有垮塌的風(fēng)險，因此圍繞該堰塞體進(jìn)行方案設(shè)計，提出“上庫調(diào)沙，下庫調(diào)水”的方案，圖9中淺藍(lán)色的區(qū)域?yàn)檎{(diào)沙庫容，淺黃色的區(qū)域?yàn)檎{(diào)水庫容。每年在上庫進(jìn)行一定的人工清淤，騰出上庫的調(diào)節(jié)庫容，以便下一年的來沙可以被上庫攔截。下庫承擔(dān)調(diào)節(jié)水流的作用，根據(jù)下游的用水與防洪安全開展相關(guān)的調(diào)度措施。

圖9 紫坪鋪水庫“上庫調(diào)沙，下庫調(diào)水”方案設(shè)計

4 結(jié) 論

（1）在汶川地震前，岷江上游徑流量呈明顯的下降趨勢，汶川地震后岷江上游的年徑流量出現(xiàn)一定程度的上升，但仍在多年平均徑流量附近波動，總體還是呈現(xiàn)偏枯的狀態(tài)。

（2）汶川地震后紫坪鋪水庫的入庫沙量明顯增加，部分年份遠(yuǎn)大于多年平均入庫沙量。截至2020年，水庫總淤積量為1.952億m3，占總庫容的17.55%，泥沙主要淤積在庫區(qū)中部，壩前淤積相對較少，水庫總體淤積嚴(yán)重。

（3）紫坪鋪水庫現(xiàn)階段呈現(xiàn)加快淤積態(tài)勢，為應(yīng)對紫坪鋪水庫淤積問題，提出減少水庫淤積的措施、異重流排沙、人工清淤以及工程措施與非工程措施結(jié)合的“上庫調(diào)沙，下庫調(diào)水”的綜合減淤方式。