水利工程論文-“沉沙與蓄水兩用水庫”模式的研究摘要：本文介紹了引黃取水新模式中沉沙與蓄水兩用水庫的基本思路與基本原理，并通過對該模式在山東省東營市廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫沉沙條渠的應用所進行的現場觀測，初步分析和研究了其工程效果。關鍵詞：沉沙蓄水兩用水庫轉圈沉沙水沙利用新模式1前言黃河水是下游及河口地區主要的水源，引黃取水必然要引進泥沙，黃河水中的泥沙歷來是引黃取水工作中的心腹之患，傳統的取水方法一是采用控制取水含沙量，盡量在黃河低含沙量時取水；二是在渠道中實行以挖待沉來解決泥沙問題；三是在渾水進庫之前建設專用的沉沙池使渾水澄清后入庫。但是，隨著黃河下游斷流的加劇，一年之中黃河來水時間主要是集中在汛期，而汛期歷來是黃河水高含沙期，顯然，傳統的取水方法已不能適應高含沙引水的需要。為此，提出了充分利用渾水資源，又合理地安排泥沙的引黃取水新模式。本文將對這一引黃取水模式中的泥沙處理部分“沉沙與蓄水兩用水庫”進行研究，并通過在廣南1#沉沙條渠的實際觀測研究，初步評價了其效果，為進一步推廣應用打下了基礎。2“沉沙蓄水兩用水庫”模式的基本思路與原理眾所周知，傳統的引水模式中用來沉沙和蓄水的工程是分開建造的，不僅投資大，且占用大量的土地，同時淤積的泥沙直接影響沉沙池的使用和壽命，清淤費用巨大，使得工程難以充分發揮作用，尤其難以適應引用高含沙水流的需要。“沉沙蓄水兩用水庫”模式，是將沉沙池與蓄水水庫相結合，運用黃河水流泥沙運動的規律，把沉沙池建成一條人造周邊“小黃河”，其河堤、河床、河灘、河槽一應俱全，含沙量較高的渾水從中流過，沉積圖1廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫平面示意圖SketchofGuangnanReservoirfordesiltingandstorage的泥沙將河床不斷抬高形成一條寬大的堤壩，該堤壩中間自然形成水庫。這樣既合理地處理了泥沙，又自然得到了蓄水水庫，一舉二得，克服了傳統引水模式的不足。目前在黃河三角洲地區已建成了多座“沉沙與蓄水兩用水庫”，較為典型的是廣南1#“沉沙與蓄水兩用水庫”?！俺辽撑c蓄水兩用水庫”的沉沙池是由泥沙構筑的內堤和外堤及在兩者之間以復式斷面的“人造小黃河”組成，內堤以內為蓄水水庫，如圖1所示，這種由內堤、外堤和“人造小黃河”淤積抬高的沙堤形成了十分堅固安全的蓄水水庫的圍堤?！皟捎盟畮臁钡某辽吵氐某辽硹l渠以“人造小黃河”的模式進行轉圈沉沙，均勻淤積抬高，使水庫可向立體發展，不斷增大庫容。3廣南“沉沙與蓄水兩用水庫”運行情況及初步效果分析廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫是在原廣南水庫1#沉沙池的基礎上改建而成，實施長度約6.3km，工程于1997年8月通水沉沙經歷了一年的運行后，于1998年10月進行了現場觀測。3.1“沉沙與蓄水兩用水庫”的周邊沉沙條渠具有黃河的特征廣南1#“沉沙與蓄水兩用水庫”的周邊沉沙條渠經過一年的運行，形成了較為完備的主槽、灘地、灘唇、縱橫比降、口門攔門沙等，具有黃河河道的基本特征，形成了真正的“人造小黃河”。兩用水庫“人造小黃河”有如圖2所示的縱剖面。上段主槽和灘地縱比降分別為1/7042、1/7143，灘唇至灘地形成大約1/40的橫比降。通常情況下，來水來沙對縱比降起主導作用。當來流量小、含沙量高、來沙級配較粗時，要求較大比降與其相適應。就實際工程情況來看，引黃渠道比降多在1/50001/8000。將實測床沙結果代入黃河中下游干支流的比降J的經驗關系式2J=41D1/501.3式中D50為河床中值粒徑，單位為mm，J單位為1/10000，得主槽和灘地比降分別為1/7737、1/12000，其與實測“人造小黃河”上段主槽比降較為接近。通過以上的分析，可以認為其上游段已基本達到與來水來沙相適應的平衡比降。3.2隨著淤積體的不斷向下推進“人造小黃河”滾動升高3.2.1縱剖面變化縱剖面主槽和灘地均有淤積，且淤積沿程增加，縱剖面坡降淤積變緩，淤積末端隨著淤積體的不斷向下推進而向下游延伸。主槽灘地平均淤積厚度：灘地為0.20.7m，主槽為0.41.0m。上游段(樁號0+0004+500)的4.5km范圍淤積量為22.95萬m3，樁號4+500以下淤積量為47.59萬m3，約占總淤積量的67.47%，樁號6+000以下沉沙池底高程抬高了1.01.3m。這相當于黃河河口的淤積抬升，淤積后比降調平，說明在一年多運行期，“人造小黃河”溯源淤積起著主要控制作用。圖2廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫“人造小黃河”實測縱剖面圖3廣南1#沉沙與蓄水兩用水庫“人造小黃河”實測橫斷面MeasuredlongitudinalprofileofgritchannelMeasuredtransversalprofileofgritchannel3.2.2橫斷面變化“人造小黃河”運行一年來，沿程各斷面主槽和灘地均有所淤積抬高，灘唇及主槽淤積厚度相當，橫斷面形態變化不大，仍保持較為規則的復式斷面。圖3為運行前后橫斷面變化圖。灘槽變化特性從灘槽水沙交換來講，盡管灘槽高差在一段時間內會有所變化，但從長期來看，卻有保持相對穩定的差值的特點，在“人造小黃河”淤積情況下，意味著灘槽的同步上升；從河相關系來講，沖積河流的塑造中灘槽高差的變化受制于一定的河相關系，實測河相關系為3.17.7，平均值為4.9。3.2.3“人造小黃河”沿程各段特性分析分析“人造小黃河”沿程各段縱、橫剖面變化及泥沙輸送淤積的差異，沿程劃分為三段(表1)：第一段為輸沙淤積段，主要以輸送泥沙為主，伴隨著一定程度的淤積，比降大小與輸沙渠相當，橫斷面相對窄深；第二段為壅水淤積段，受下游口門攔門沙的壅水影響，泥沙大量落淤在主槽，河槽比降調平，相反灘唇上泥沙較少落淤，橫斷面相對寬淺；第三段為口門淤積段，是“人造小黃河”向前推進的最前端，由于該段主槽尚未開挖，緊鄰其上的壅水淤積段主槽的淤積抬高，使該段主槽比降加大，沖刷形成尚未與來水來沙相適應的窄深槽，此外，由于口門灘坎的阻水作用，形成口門攔門沙淤積，泥沙在此橫向擴散落淤形成寬闊的泥沙堆積體。口門淤積段灘地的不斷淤積和主槽的不斷沖刷，使得口門向下游淤積延伸，而口門向下游淤積延伸，又將引起上游段的淤積抬高。表1“人造小黃河”淤積形成的主要特征值CharacteristicsofmanmadesmallYellowRiver各項指標輸沙淤積段壅水淤積段口門淤積段(樁號0+0004+500)(樁號4+0006+000)(樁號6+0007+800)縱比降槽1/7042-1/161291/2155灘1/71431/44840橫比降灘唇1/401/401/160河相關系/h4.56.03.0中值粒徑槽0.0700.0400.055D50(mm)灘0.0500.0400.055淤積分布淤積量(萬m3)22.9512.0935.50占總量百分比(%)32.5317.1450.33兩用水庫的“人造小黃河”淤積造床過程與天然沖積河道有著某種本質的差別，不論縱剖面淤積是否接近平衡，尾端水位對其仍有一定的控制作用，而下游淤積末端的淤積延伸又引起由下至上的溯源淤積，使得下游段坡降趨緩。這種作用甚至影響到上游段。影響縱剖面調整的主要因素為：上游來水來沙條件、口門侵蝕基準面變化、河床邊界條件(是否修堤等)。然而，溯源淤積調整初始條件是沿程淤積所已塑造的接近平衡的縱剖面。由于口門延伸引起侵蝕基面抬升，使河床比降變緩，而發生溯源淤積，溯源淤積具有使河床回復原比降的效果，因而使得整個河段隨著口門的抬升而整體抬升。在目前的特定條件下，由于河寬、粒徑的調整非常有限，沒有趨勢性變化，河床縱剖面的調整將主要是比降的調整，溯源淤積的結果使得河流縱剖面平行抬升。按現有的來水來沙條件，“人造小黃河”將按大約1/7000的縱比降，隨著口門向下游的淤積延伸而平行抬高。3.3“人造小黃河”式沉沙條渠的轉圈推進速度在一定的來水來沙條件下，“人造小黃河”轉圈沉沙推進速度，取決于口門段堆積體的縱向發展速度。而內外堤間距是影響堆積體的縱向發展速度的一個重要因素。由廣南1#沉沙蓄水兩用水庫的實測斷面分析認為以主槽22m、灘地442m、內外堤間距110m為宜。運行一年，淤積體向下游推進至7+800樁號，淤積體縱向長度1.8km，平均寬度200m，平均淤積厚度1.1m。由此可以估算出“人造小黃河”轉一圈的時間約為6年。若泥沙量增大，所需轉圈的時間將縮短。3.4“兩用水庫”具有沉沙和蓄水雙重效益實測兩用水庫“人造小黃河”總淤積量為70.53萬m3，占進沙量91.8萬m3的76.83%，這部分泥沙同時又被用作筑堤，使兩用水庫的外堤普遍升高0.41.2m。廣南水庫原1#沉沙池在運行十年后，可利用的水域面積為3.24km2。如按蓄水2m水深計，沉沙池剩余的蓄水容積僅為1380萬m3。假設過去十年其按照沿周邊轉圈沉沙運行方式運用，將比現狀可利用的水域面積增大2倍，當蓄水水位為4.0m時，比現狀蓄水容積增加42%。4結語通過對沉沙與蓄水相結合“兩用水庫”工程實際運行的現場觀測結果的分析研究，可以得出以下幾點認識：1.沉沙蓄水兩用水庫的周邊沉沙條渠具有黃河的特征；2.隨著淤積體的不斷向下推進，“人造小黃河”形成蓄水水庫的外堤；3.“人造小黃河”式沉沙條渠以主槽寬度為2026m、灘地寬度8490m、內外堤間距約100110m為宜，河相關系約為36之間。如按來沙量較少的1998年的推進速度，廣南1#兩用水庫的沉沙條渠轉一圈，并抬高1.01.5m，約需6年。4.“兩用水庫”具有沉沙和蓄水雙重效益，即可淤沙造堤，又可以增加蓄水容積。由此可見，沉沙與蓄水兩用