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治河與工程泥沙

以水庫可持續(xù)利用為目標的異重流排沙

[瑞士] S.夏蒙等

水庫泥沙淤積危及水庫的可持續(xù)利用，是一個長期存在的問題。泥沙淤積不僅減少了庫容，還對水輪機進水口和泄水底孔等結構造成損害。此外，泥沙淤積也會對下游河流的生態(tài)系統(tǒng)造成影響。異重流排沙是防治水庫泥沙淤積的一種方法。介紹了異重流排沙的主要條件，并調查了其在各種場景下的應用情況和效率。

異重流排沙；泥沙淤積；水庫；可持續(xù)利用

為避免或減少水庫淤積，多項技術措施的研究正在世界范圍內展開。在水庫匯水區(qū)上游采取的措施能攔截泥沙，阻止其進入水庫。針對水庫實施的其他措施還包括設計死庫容、沖沙、疏浚和排沙等。每年汛期會形成異重流和含沙量高的水流，密度差是泥沙輸移的驅動力。含沙量高的水流一旦到達壩前，除非從取水口或泄水口排出，否則其挾帶的全部泥沙將沉積下來，導致水庫淤積并堵塞泄水設施。為避免出現(xiàn)上述情況，應及時排泄抵達壩前的異重流，防止泥沙沉積。一般來說，排沙是通過泄水底孔或電站進水口實施的。它有助于維護河流自然形態(tài)的連續(xù)性，且因需要排出的流量相對較小而造成的水頭損失小。若汛期水庫已蓄滿，泄洪時應考慮排出含沙量高的水流而不是從溢洪道下泄清水。

排沙率被定義為泥沙排出量和輸入量之比。因在產(chǎn)沙量、水庫規(guī)模、泄水排沙運行參數(shù)上有差異，各座水庫的排沙率差異很大。例如，排沙率有低于1%的，像伊朗的S.魯?shù)?Sefid Rud)水庫；有高達100%的，例如中國的巴家嘴水庫。就前者而言，首次泄水排沙時庫底高程比泄水底孔低，導致排沙率低下，但當泄水口和庫底之間充滿泥沙時，排沙率顯著增加。對于巴家嘴水庫，不僅需要排出異重流攜帶的泥沙，還有過去在壩前沉積的泥沙?，F(xiàn)場試驗也表明，同一座水庫的排沙率變化較大。然而，盡管事實上有很多研究者指出了此項措施在防治水庫淤積方面的重要性，但以往并未對排沙進行較多的研究。有文獻資料顯示，大多數(shù)的結論都基于實地觀測，很少采用試驗或數(shù)學模擬的方法。然而，在開展研究之前，回顧以往的排沙實踐并指出認識上的不足很重要。

1 泄洪排沙的條件與效率

泄水排沙是一項防治水庫淤積的技術，相對于大多數(shù)其他技術而言，它需要提前準備更多的資料。事實上，排沙期間，不僅要維護水工建筑物的良好運行，還要監(jiān)控異重流。對輸沙流態(tài)的掌握直接影響到排沙率。

決定泄水排沙前，大壩運行管理方應先核實一定的條件。首先，大壩最好應有一個容量充足的低位泄水孔或泄水底孔。再者，核查水庫異重流的發(fā)生時間，有多項指標可預測其發(fā)生時間，包括對水庫回水末端泥沙淤積的觀測，或對壩前形成泥沙淤積水平面的觀測等。例如，又窄又深的高山水庫，其具備異重流形成的有利條件。另一個關鍵條件是到達大壩的異重流流量。某些情況下， 異重流到達大壩前就已分流，導致排沙率低下。以美國米德(Mead)水庫為例，只有當壩前水流含沙量高于0.1 kg/m3時，方可形成異重流。官廳水庫相應的值約為20 kg/m3。最后，排沙會持續(xù)數(shù)小時或數(shù)日，因此下游河流應具備容納水庫泄水排沙的相應能力。

排沙率通常根據(jù)泥沙排出量和流入量的比值計算。然而，排沙時應注意到，壩內遠離泄水口的沉沙是不能被沖走或排出的。事實上，因為泄水量小，不同于沖沙調度，不會發(fā)生溯源沖沙現(xiàn)象。因此，為使排沙率值更有意義，泥沙流入量應減去遠離大壩的泥沙淤積量。因實地實時測量泥沙困難，需采用數(shù)學模擬或實驗研究的方法。為應對此困難，應在近壩處開展觀測工作，以提供排沙前壩前實際的泥沙淤積量數(shù)據(jù)。

2 世界范圍的泄水排沙

首位提出利用異重流規(guī)律來排泄泥沙出庫的研究者是貝爾。早在1919年，美國象山(Elephant Putte)水庫就利用了異重流進行泄水排沙。從此，該項技術便被應用于有異重流形成的水庫。

利用異重流進行泄水排沙在世界各地都得到了應用。在中國，三門峽水庫排沙率為18%，而馮家山水庫則為65%，后者在河流深泓線左右岸均布置有多個泄水底孔。伊朗的S.魯?shù)滤畮旌偷掀?Dez)水庫是觀測到的兩座存在異重流的水庫，前者排沙率為2.3%～35%。在中國臺灣，臺風使攜帶大量細小泥沙的徑流匯入石門水庫和曾文水庫形成異重流。石門水庫的一臺水輪機和轉輪改裝成了排沙閘。數(shù)學模擬研究表明，增加一個額外的泄水通道，水庫排沙率可從21%增至40%。有學者綜合運用實驗、理論、數(shù)學模擬方法對曾文水庫的排沙進行過研究。在兩起不同臺風事件中，經(jīng)實地測量，其通過進水口和泄水底孔的排沙率均未能超過1%，盡管溢洪道排沙率達到17%。在北非，摩洛哥的O.內卡爾(Oued Neckar)水庫和阿爾及利亞的I.艾姆達(Iril Emda)水庫也利用異重流進行排沙，且后者排沙率在45%～60%；因泄水口底板高程比庫底高7 m，首年排沙率較低。突尼斯的內貝爾(Nebeur)水庫基于壩前異重流的含沙量確定是否排沙；當含沙量高于1 020 kg/m3才需要開閘排沙。馬普拉格(Mapragg)水庫是瑞士境內泄水排沙的典型，當含沙量高于2 g/L時才會觸響“排沙警報”；針對含沙量較低的情況，未來采用疏浚沉泥的方式會比排沙更有益。在美國，米德水庫異重流的流程最長，該水庫的排沙率在18%～39%。另一個是以入庫高含沙量水流而聞名的格蘭德河上的象山水庫，其排沙率在9%～23%。最后，諸多其他有異重流形成的水庫，像法國的索泰(Sautet)水庫，羅馬尼亞、俄羅斯等國的多座水庫，都建議采用泄水排沙的方式。

3 影響排沙率的參數(shù)

排沙成功與否不僅取決于水工建筑物的高效運行，最重要還是在于對異重流動態(tài)的掌握。因此，很多參數(shù)都能影響排沙的成功與否和排沙率，如水庫位置、規(guī)模、泄水量、泄水孔開啟時間和排沙時長等運行參數(shù)。另一方面，異重流濃度、懸沙級配、流量和高度都會對排沙率產(chǎn)生重大影響。除此之外，流域形態(tài)、深泓線的坡度及水庫回水長度也在其中發(fā)揮了重要作用。影響泄水排沙決策的次要因素可能還涉及法律、經(jīng)濟和環(huán)境方面。

試驗和數(shù)學模型是評估及量化這些參數(shù)影響程度的基本方式。下面將討論文獻上已明確有重大影響力的參數(shù)(泄水量、泄水口的位置和高度)。

3.1 泄水量

排沙過程中，用Qout來表示對排沙率產(chǎn)生重大影響的泄水量。有專家基于相關資料得出，泄水量越大，排沙率就越高。不過也有專家持相反意見。然而，泄水量應根據(jù)壩前的含沙水流量QTC來確定。因此，規(guī)范化參數(shù)Qout/QTC才是至關重要的。一般情況下，Qout與QTC相比相對較小，排沙往往在泄水受限時實施。事實上，QTC較難測量，并通常與觀測的入庫流量息息相關。由于汛期徑流會形成異重流，因此可以將它們與入庫洪峰的流量進行比較分析。但根據(jù)水庫形態(tài)，QTC一般比低頻率發(fā)生的洪峰流量高出許多。對瑞士22座大型水庫的泄水能力Qoutmax、水庫匯水面積A、2 a一遇和10 a一遇的洪水及相應的排沙量最大比值Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10進行了分析。

需要注意的是，為了計算Q2和Q10，根據(jù)瑞士26座水文站提供的徑流和匯水區(qū)相關數(shù)據(jù)，確定反映匯水區(qū)面積和洪峰流量函數(shù)關系的Franscou系數(shù)k2和k10，從而得出k2=2.9，k10=3.2。在已知瑞士22座水庫匯水面積后，就能算出其Q2和Q10。

將水庫按Qoutmax/Q2從低到高進行了分類，分析結果表明，諸如瑞士的希費嫩(Schiffenen)水庫、莫伊里(Moiry)和羅森(Rossens)水庫排沙時，Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10小于100%，并且與入庫流量相比，出庫流量比較有限。對于剩下的水庫，Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10大于100%，意味著它們的泄水能力超過2 a一遇和10 a一遇的洪峰流量。然而，即便在沖沙期，泄水能力也并非得到全部發(fā)揮。泄水量受限的主要原因是下游不具備長時間容納最大泄水量的能力。高泄水量會導致河流下游遭受洪水威脅和環(huán)境災害的風險。例如盧佐內(Luzzone)水庫，即使Qoutmax為52 m3/s,沖沙流量最大為40 m3/s，但實際操作時僅約為30 m3/s，該例中的Qoutmax/Q2為110%而不是193%。

像上面提到的那樣，壩前的異重流流量QTC通常比上游觀測的洪峰流量要高。這是因為到達壩前時帶有清水。因此Q2和Q10低估了QTC。這再一次使Qoutmax/Q2和Qoutmax/Q10的值總體偏低。因此，就泄水量而言可以得出如下結論，通過底孔排出的異重流很有限，或者稍高于異重流流量。

3.2 泄水口的高度與位置

影響排沙率的其他重要參數(shù)包括泄水口的高度和位置。事實上，這些重要參數(shù)直接關系到泄水口的吸出高度。它代表異重流能到達泄水口進出口段并排出的高度。其與泄水量和排沙量相關聯(lián)。

根據(jù)壩前異重流的高度及泄水口的位置，吸出高度應考慮要排出的部分或全部異重流。異重流，因其密度大，通常會流往水庫底部，故理論上泄水口應置于底部。然而，置于底部時，泄水口早期發(fā)生堵塞的風險較高。置于較高位置時，在庫底和泄水閘底板之間的空隙未充滿泥沙之前，排沙率很低。因此，泄水口的位置應根據(jù)泄水口吸出高度來設置。根據(jù)徑流密度和泄水量，吸出高度應考慮部分或全部到達泄水口的泥沙。

4 監(jiān)測設備與挑戰(zhàn)

若要在最佳條件下泄水排沙，就需要好的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)應能定時有效地監(jiān)測異重流排出。不論條件多復雜，現(xiàn)場不定因素再多，都應持續(xù)對入庫異重流進行監(jiān)測。在合適的情況下，對上下游及近壩處均應進行觀測，并應用各種技術，實現(xiàn)特定和詳盡觀測的可視化。一些需核實的重要參數(shù)有：潛入點(可通過可視化完成)；速度和濃度變化；沖刷和淤積(成為河床的一部分)速率。

每年汛期通常會引發(fā)異重流。因此，從實際操作上來講，對異重流的監(jiān)測有時會很復雜。異重流來勢兇猛，會對測量設備造成損害。例如2001年12月20日在加利福尼亞州蒙特利(Monterey)峽谷觀測到一股強大的重力流，期間相關設備被強行移位并被掩埋在厚厚的泥沙之中。另一個例子是瑞士的盧加諾(Lugano)湖，監(jiān)測網(wǎng)絡的設備也在監(jiān)測期間遺失或損壞。即便泄水排沙從長遠考慮非常有益，但實地觀測異重流成本很高，前期投入高。此外，雖可為已建水壩建造一個新的低位泄水口，但會影響水庫的可持續(xù)利用。

5 結論與展望

泥沙淤積危害水庫的可持續(xù)利用。壩前異重流攜帶著大量細顆粒懸沙。因此，水庫泄水排沙是一項在生態(tài)、經(jīng)濟上皆有益的技術措施。

泄水排沙前，應觀測異重流并檢查大壩的自我修復能力。最好通過接近庫底的低位泄水口進行排沙。此外，排沙時間較長時，壩下游的生態(tài)環(huán)境狀況也應納入考慮范疇。

相關文獻顯示，世界各地泄水排沙條件和排沙率各不相同。影響排沙率的參數(shù)有泄水量、泄水孔開啟時間及泄水口的高度和位置等。自從認識到泄水量小和排放量大有同等危害以來，泄水量就成為了一個重要而又精細的參數(shù)。大多數(shù)水庫在泄流量有限時仍會潛在地泄水排沙。換句話說，泄水量可能會低于或稍高于要排出的異重流流量。另一方面，泄水口的高度和位置影響了排沙期間能到達的吸出高度，因而成為最關鍵的參數(shù)之一。

最后強調，為支撐泄水排沙的決策和排沙率評估，實地觀測很重要。然而，在應對異重流時會遇到很多挑戰(zhàn)。因此，對泄水排沙進行數(shù)學模擬和實驗研究也十分重要。在這種情況下，需觀測各種參數(shù)和系統(tǒng)試驗，以優(yōu)化泄水排沙率。

劉可薇柯學莎譯

(編輯：朱曉紅)

2017-03-02

1006-0081(2017)08-0009-03

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