桃曲坡水庫(kù)淤積成因分析及治理措施的思考

秦 鵬，杜 鋒，李華衛(wèi)

（陜西省桃曲坡水庫(kù)灌溉中心，陜西 銅川 727100）

桃曲坡水庫(kù)位于馬咀山峽谷15 km 處，是渭河流域石川河支流、兼有防洪和農(nóng)業(yè)灌溉及供水功能性中型水庫(kù)。1969年建成投入使用，年設(shè)計(jì)水庫(kù)總蓄水量為5720 萬(wàn)m3，興利水庫(kù)蓄水量為4290 萬(wàn)m3，灌區(qū)包含渭南市富平縣、咸陽(yáng)市三原縣、銅川市耀州區(qū)及新區(qū)，灌溉面積40.3 萬(wàn)畝，桃曲坡水庫(kù)灌區(qū)的正常運(yùn)行對(duì)當(dāng)?shù)毓I(yè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展中均起著重要作用。

桃曲坡水庫(kù)在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于其控制流域位于渭北高原丘陵溝壑區(qū)位置，又加上上游暴雨洪水?dāng)y帶的泥沙流入，水庫(kù)的水流對(duì)庫(kù)岸邊坡的沖涮和淘蝕，水庫(kù)的侵蝕等因素的影響，水庫(kù)的泥沙淤積持續(xù)增加。從長(zhǎng)期來(lái)看，大量沉積物會(huì)形成大量有機(jī)酸，諸如氨、亞硝酸鹽、硫化氫和甲烷等有害物質(zhì)，會(huì)降低水質(zhì)并損害水源。根據(jù)桃曲坡水庫(kù)的沉積統(tǒng)計(jì)，大壩前面的淤積量高達(dá)2017 萬(wàn)m3，高程為768.0 m，淤積面比低放水隧道進(jìn)口高13.0 m，比水庫(kù)高放水洞入口高5.2 m。在距離兩個(gè)放水隧道入口100 m范圍內(nèi)，形成“漏斗”-溝槽，這嚴(yán)重影響了防洪安全。

1 水庫(kù)淤積現(xiàn)狀及歷年淤積情況分析

1974年3 月9 日，水庫(kù)開(kāi)始下閘蓄水，因?yàn)樗畮?kù)漏水比較嚴(yán)重，從1974年10 月～1982年夏季，對(duì)壩前區(qū)和原有煤窯礦洞的漏水點(diǎn)用5 個(gè)大型防滲處理項(xiàng)目進(jìn)行加固，隨后再根據(jù)庫(kù)區(qū)運(yùn)行過(guò)程及時(shí)巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)的小型漏點(diǎn)進(jìn)行防滲處理。水庫(kù)加閘后，由于水位升高，從1995年～2005年對(duì)水庫(kù)壩前區(qū)用膜袋混凝土、六棱磚、干砌石等措施對(duì)防滲區(qū)域進(jìn)行了加固處理。2004年，水庫(kù)蓄水高程以下區(qū)域增加了超過(guò)220 萬(wàn)m3的土壤和巖石，主要分布在壩前約1500 m 區(qū)域，淤積體高程低于776.0 m。

水庫(kù)控制的蓄水區(qū)域最初設(shè)計(jì)時(shí)的平均沉積量為104 萬(wàn)t。管理單位進(jìn)行了5 次水庫(kù)泥沙淤積調(diào)查，1976年的泥沙總量為670 萬(wàn)m3，1980年的泥沙總量為830 萬(wàn)m3，1984年的泥沙總量為1070 萬(wàn)m3，1997年的泥沙總量為1300 萬(wàn)m3。2017年，總沉淀量為2170 萬(wàn)m3，1990年代以后，過(guò)濾速度變慢，2170 萬(wàn)m3占總存儲(chǔ)容量的35.5%。

現(xiàn)在的總沉淀量為2017 萬(wàn)m3，在死水水位以下的蓄水量為762.80 萬(wàn)m3，在死水水位以上的蓄水量為967 萬(wàn)m3，減少了20.7%。興利庫(kù)容減少了873 萬(wàn)m3，減少了35.3%；洪水存儲(chǔ)容量減少93 萬(wàn)m3，減少15.6%。

2 水庫(kù)淤積成因分析

水庫(kù)淤積主要來(lái)源于兩個(gè)部分，其中之一是多年以來(lái)洪水產(chǎn)生的沉積物。桃曲坡水庫(kù)位于干旱的渭北高原，地處丘陵低地，地勢(shì)較為零散。蓄水區(qū)域?yàn)楸黄茐牡暮拥篮退?，水土流失模量的允許值為1940 t/（km2·a），最大侵蝕模量為3590 t/(km2·a)，是防止水土流失的主要保護(hù)區(qū)。洪水進(jìn)入庫(kù)區(qū)蓄水水段后，流速減緩，攜砂能力減弱，在水庫(kù)中形成大量泥沙淤積。其次，桃曲坡水庫(kù)位于巖溶發(fā)育的石灰?guī)r地區(qū)，滲漏嚴(yán)重。補(bǔ)漏工程中大量的黏土和砂石材料的應(yīng)用、庫(kù)岸長(zhǎng)期的掏刷和部分垮塌，導(dǎo)致了水庫(kù)的淤積。

3 水庫(kù)淤積治理的必要性

3.1 淤積治理是緩解灌區(qū)水資源供需矛盾的重要途徑

桃曲坡水庫(kù)灌區(qū)水資源匱乏，年降水量在時(shí)間和空間上分布不均，總量不足，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展又使地方對(duì)水資源的需求進(jìn)一步增加。農(nóng)業(yè)對(duì)水的需求持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)“景觀，森林，草地，湖泊和草叢”系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境的管理，用水的迅速增加以及水資源供需之間的矛盾變得越來(lái)越激烈。同時(shí)水庫(kù)淤積將減少有效儲(chǔ)水能力，降低水庫(kù)的可控性，只有通過(guò)淤積治理和部分清淤，才能增加儲(chǔ)水容量，增加水源控制和蓄水能力，大力推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)進(jìn)程。

3.2 進(jìn)行淤積治理是滿足水庫(kù)正常安全運(yùn)行的需要

水庫(kù)淤積降低了水庫(kù)的蓄水能力和防洪能力，目前沉積物的高度比排水隧道的開(kāi)口高5.2 m，比排水隧道的入口高13.0 m，當(dāng)沉積物繼續(xù)上升時(shí)，可能會(huì)收縮或阻塞隧道的入口，從而減少隧道的過(guò)水能力、影響水庫(kù)的運(yùn)行安全。為確保水庫(kù)的安全運(yùn)行以及水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，必須采取有效的工程措施以消除任何潛在的安全隱患。

3.3 進(jìn)行水庫(kù)淤積治理是保護(hù)環(huán)境、綜合治理的迫切要求

水庫(kù)的沉積使水庫(kù)回水地區(qū)的河道底部高程逐漸升高，抬高了周圍的地下水水位，這可能導(dǎo)致這些土地的鹽堿化。洪水中淤積物中的植物秸稈，引起水庫(kù)富營(yíng)養(yǎng)化，富營(yíng)養(yǎng)化離子的增加，在水中會(huì)引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，并降低重金屬水庫(kù)的水質(zhì)。

4 水庫(kù)淤積治理的可行性

4.1 技術(shù)可行性

通過(guò)以下方法使水庫(kù)能夠長(zhǎng)期使用，以達(dá)到控制泥沙的目的：①調(diào)整運(yùn)行方式，采用污泥排放工程措施調(diào)節(jié)水庫(kù)泥沙，達(dá)到內(nèi)部相對(duì)平衡。②使用工程機(jī)械挖泥渣和沙土，保證汛期隧道的過(guò)水和行洪能力。機(jī)械挖泥技術(shù)包括挖泥技術(shù)、干式挖泥技術(shù)和水力虹吸挖泥技術(shù)。而這些機(jī)械方法已經(jīng)成熟并且在技術(shù)上是可行的。

4.2 經(jīng)濟(jì)可行性

桃曲坡水庫(kù)是銅川市最大、最重要的水源。經(jīng)過(guò)40 多年的運(yùn)行，水庫(kù)已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的淤積，只有有效的水庫(kù)清淤和庫(kù)岸水土流失治理才能延長(zhǎng)水庫(kù)的使用壽命，增加保水能力，改善水質(zhì)。水庫(kù)清淤增加的庫(kù)容可以增加用水灌溉面積或工業(yè)用水，促進(jìn)灌溉地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)。

5 水庫(kù)淤積治理措施

5.1 水庫(kù)泥沙淤積的預(yù)防措施

（1）流域綜合治理。由于人類活動(dòng)的影響，特別是工程建設(shè)、森林砍伐、采礦等因素導(dǎo)致水土流失、滑坡，流域內(nèi)的暴雨形成的洪水使大量沉積物進(jìn)入水庫(kù)。近年來(lái)桃曲坡水庫(kù)通過(guò)“山水林田胡草”綜合治理，近壩區(qū)生態(tài)環(huán)境有效改善，邊坡水土流失得到有效治理，實(shí)現(xiàn)了“洪水不下山，泥砂不出溝”的治理目標(biāo)。

（2）在上游修建攔沙壩。在水庫(kù)上游建立攔砂壩可以減少粗大沉積物流入水庫(kù)。攔砂壩選址需要最佳的地形，并考慮定期清除大壩中的沉積物。

（3）在水庫(kù)周邊建設(shè)防沖刷工程或建設(shè)密集的排水設(shè)施。分析和研究現(xiàn)有水庫(kù)和渡槽的地形以及其他工程措施，并建立一個(gè)合理的排水通道，將含沙洪水繞開(kāi)水庫(kù)，排出壩外，減少淤積。

5.2 水庫(kù)清淤的工程措施

由于清淤工作涉及排淤棄淤，灌溉和供水等因素，因此水庫(kù)清淤需要制定詳細(xì)的計(jì)劃和具體的實(shí)施方案，并和水庫(kù)日常運(yùn)行相協(xié)調(diào)。目前，最常見(jiàn)的水庫(kù)清淤方法分為水力法、干疏法、虹吸法、側(cè)向侵蝕法、低碳自動(dòng)疏法等。

（1）對(duì)水庫(kù)淤積進(jìn)行測(cè)驗(yàn)

為測(cè)試桃曲坡水庫(kù)沉積物的組成、含量和分布，首先使用GPS GNSS+RTK 衛(wèi)星定位以及多波束潛水深度計(jì)的組合來(lái)收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如水庫(kù)地區(qū)的地形和地質(zhì)。利用測(cè)出的地形以及河槽的垂直和水平剖面測(cè)量計(jì)算出每個(gè)水位的庫(kù)容。一旦建成，便會(huì)分析每個(gè)水位的相應(yīng)沉降量。繪制污泥顆粒曲線的目的是收集河流常數(shù)中的污泥顆粒，并通過(guò)水力測(cè)試來(lái)分析和繪制污泥顆粒曲線，以確定每個(gè)部分的沉積情況。水庫(kù)淤積測(cè)驗(yàn)可為清淤方案、疏淤積物計(jì)劃和操作計(jì)劃以及污泥回收技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)研究和制定提供基本參數(shù)。

（2）治理方案和范圍的確定

根據(jù)1999年和2017年的實(shí)際調(diào)查曲線圖以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的比較分析，大多數(shù)沉積物都集中在前巖槽上方槽的中央和兩側(cè)。該大壩在灌溉季節(jié)使用低洞灌溉來(lái)釋放水和沙子，形成V 形通道，大部分降水都在溝渠的兩側(cè)和水庫(kù)的下游。

由于桃曲坡水庫(kù)負(fù)責(zé)城市供水，水質(zhì)要求較高，具體可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。

①壩前區(qū)：擬采用低碳自動(dòng)清淤裝置在壩前區(qū)河槽段及左右?guī)斓走吰碌扔绊懰|(zhì)的淤積體予以處理，該裝置是由武漢大學(xué)“疏浚技術(shù)教育部工程研究中心”研制的新型技術(shù)，利用水庫(kù)上下游水頭差或太陽(yáng)能加入智能化控制技術(shù)使水力自絞式吸泥頭自動(dòng)進(jìn)行雜物淤積清理；能夠根據(jù)水頭高低和含沙量大小自動(dòng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，控制排沙濃度在10%～60%變化，實(shí)現(xiàn)非灌溉期最高濃度排泥沙，擾動(dòng)小，不影響上部水體水質(zhì)，也能起到長(zhǎng)效治理的效果。

②庫(kù)中區(qū)：利用環(huán)保絞吸船傳輸管道泵送至周側(cè)溝道內(nèi)或岸邊進(jìn)行干化和固化，并在灌漿口處設(shè)置灌漿谷以覆蓋埋藏的沉積物。污泥以堆肥的形式沉積并固化為有機(jī)建筑材料，以進(jìn)行綜合利用。

③庫(kù)尾區(qū)：旱季可采用干挖法，并選擇挖掘機(jī)和卡車清洗方案，施工方便，成本低廉，價(jià)格低廉。可以先清理庫(kù)岸，然后根據(jù)地質(zhì)和地形條件清理庫(kù)盆，以最大程度地減少疏淤對(duì)灌溉和供水的影響。

（3）水庫(kù)淤積的非工程措施

水庫(kù)淤積的非工程性措施，主要是科學(xué)調(diào)度及大數(shù)據(jù)智能化控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，利用洪水的異重流現(xiàn)象進(jìn)行水庫(kù)排沙，減少水庫(kù)的泥沙淤積量。結(jié)合桃曲坡水庫(kù)現(xiàn)有的工程設(shè)施，結(jié)合旺季的灌溉和防洪措施，從低洞放水塔隧道排沙，并及時(shí)收集相關(guān)數(shù)據(jù)并建立對(duì)應(yīng)排沙模型。

在短期內(nèi)，桃曲坡水庫(kù)促進(jìn)了灌區(qū)人民的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活水平的提高以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。隨著灌溉地區(qū)人民的生活水平不斷提高，水庫(kù)泥沙淤積總量持續(xù)增加，水庫(kù)的有效庫(kù)容逐漸縮減，灌區(qū)用水供需矛盾不斷加劇；水庫(kù)清淤可以有效緩解當(dāng)前的用水供需矛盾。在“節(jié)水優(yōu)先，空間平衡，系統(tǒng)治理、空間均衡”用水方針的指導(dǎo)下，減少流域泥沙進(jìn)入水庫(kù)、適時(shí)實(shí)施水庫(kù)清淤、結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉大流量及時(shí)進(jìn)行水庫(kù)拉沙，利用洪水異重流結(jié)合大數(shù)據(jù)減少水庫(kù)泥沙沉積，是管理桃曲坡水庫(kù)今后一段時(shí)間的重要任務(wù)，同時(shí)也能增加水庫(kù)的有效庫(kù)容，延長(zhǎng)水庫(kù)的使用年限，使桃曲坡水庫(kù)能更好地服務(wù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)。