石頭河水庫含沙量模擬及分層取水方案研究

王 潔，劉 羽，任 劼

（1.陜西省石頭河水庫灌溉中心,陜西 西安 712000；2.西安理工大學(xué),陜西 西安 710048）

1 工程概況

石頭河水庫位于陜西省寶雞市眉縣縣城正南15 km的秦嶺北麓斜峪關(guān),水庫控制流域面積673 km2,多年平均徑流量3.54億m3。水庫壩高114 m,壩頂高程808 m,總庫容1.47億m3,防洪庫容0.31億m3,防洪限制水位798 m,正常高水位801 m,多年平均調(diào)節(jié)水量2.7億m3,輸水洞設(shè)計(jì)流量70 m3/s,灌溉面積37萬畝。水庫樞紐工程是20世紀(jì)70年代開工建設(shè)的一座以灌溉為主,結(jié)合發(fā)電、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的大（2）型水利工程。20世紀(jì)90年代以來,隨著我國改革開放和城市化進(jìn)程的加快發(fā)展,石頭河水庫的功能發(fā)生重大變化,其主要任務(wù)從農(nóng)業(yè)灌溉轉(zhuǎn)為向西安、咸陽、楊凌、寶雞等關(guān)中城市重要城鎮(zhèn)供水。目前,石頭河水庫已成為以城市供水為主,兼具農(nóng)業(yè)灌溉、發(fā)電、防洪、水產(chǎn)養(yǎng)殖等多種功能的重要水利樞紐,成為陜西省關(guān)中西部地區(qū)重要的城市供水水源地。由于水庫地勢(shì)較高,具備自流供水條件,是我省關(guān)中地區(qū)逐步實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)解決渭北旱塬缺水問題的工程措施之一,“關(guān)中水塔”戰(zhàn)略地位凸顯,為受水城市的高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐[1]。

2 分層取水必要性分析

石頭河水庫最初設(shè)計(jì)功能是以農(nóng)業(yè)灌溉為主,采取深層取水方式,取水口高程為722.00 m,取水的水質(zhì)、水溫比較穩(wěn)定。1996年石頭河西安供水工程建成后,石頭河水庫開始向西安供水,年設(shè)計(jì)供水量1.0億m3,水庫功能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿鞘泄┧疄橹?對(duì)供水水質(zhì)提出了更高的要求。為提高水庫供水的興利水頭,取水口位于高程較低、水深較大的底部。多年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,在供水過程中石頭河水庫基本能保證供水水質(zhì)符合地表水I類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。但是由于水庫是底孔出流,導(dǎo)致在個(gè)別年份的汛期水庫所在流域發(fā)生特大洪水時(shí),洪水?dāng)y帶泥沙進(jìn)入水庫,盡管水庫表層的水是清的,但是水庫底部取水的濁度較高,對(duì)供水產(chǎn)生影響,使受水城市社會(huì)效益受損,同時(shí)加大了受水城市水廠的處理成本和效率,嚴(yán)重影響水庫綜合效益。

水庫持續(xù)供水對(duì)城市高質(zhì)量發(fā)展具有不可忽視的重要作用,供水水質(zhì)和供水率是保障城市用水的關(guān)鍵[2]。石頭河水庫汛期一般濁度較為穩(wěn)定,基本符合供水要求,但是在特殊情況下會(huì)面臨濁度較高的問題,例如1998年汛期深層水濁度受到洪水影響,導(dǎo)致向西安供水停供一月有余,西安市啟用了備用水源石砭峪水庫進(jìn)行應(yīng)急供水。但水庫供水的其他城市,特別是咸陽、楊凌當(dāng)時(shí)并無地表水備用水源,汛期供水一旦中斷,將會(huì)因城市缺水引起恐慌,影響區(qū)域社會(huì)的和諧穩(wěn)定,也影響供水單位的經(jīng)濟(jì)效益和受水城市的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,同時(shí)會(huì)加大受水城市水廠的凈水處理費(fèi)用。2021年汛期洪水對(duì)受水城市影響50多天。在近二十多年里由于汛期洪水導(dǎo)致濁度增大,各受水城市供水企業(yè)多次與石頭河水庫管理單位交涉,期望采取措施改善。加之,受水城市發(fā)展較快,人口、企業(yè)增加迅速,用水量逐年顯著增長(zhǎng)。分層取水作為水庫管理的新思路、新方法,可以在汛期選取不同的取水高度,保障將優(yōu)質(zhì)的水資源供應(yīng)給人民生活和城市發(fā)展,是解決石頭河水庫汛期供水問題的有效路徑,可以提高石頭河水庫的汛期供水保證率。因此,開展石頭河水庫分層取水研究非常必要。

3 分層取水口設(shè)計(jì)研究

3.1 石頭河水庫洪水過程模擬

為確定分層取水的高度,首先對(duì)石頭河水庫某次洪水過程中的進(jìn)行模擬,以初步判斷不同深度、不同位置水體的含沙量變化過程。通過ARCGIS軟件將石頭河水庫的CAD圖制成xyz地形文件,將制成的地形文件導(dǎo)入到MIKE3中生成水庫地形,通過MIKE3中的網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格,并進(jìn)行加密和修改見圖1（a）,將文件導(dǎo)入MIKE3中生成離散數(shù)據(jù),結(jié)果見圖1（b）。

圖1 石頭河水庫網(wǎng)格圖

本次模擬選用的是MIKE3中的HD水動(dòng)力模塊與MT泥模塊,選取2021年9月25日～9月28日八年一遇洪水工況的作為模擬對(duì)象,將該日期的水庫數(shù)據(jù)分別制成時(shí)間序列文件,導(dǎo)入到MIKE3軟件當(dāng)中,部分模擬結(jié)果見圖2。

隨著入庫水量的增加以及洪水過程的演進(jìn),庫區(qū)泥沙整體呈現(xiàn)從庫尾向壩前移動(dòng)的趨勢(shì)。圖2（a）為2021年9月25日上午6時(shí)泥沙含量云圖,該階段屬于洪水過程早期,入庫流量為152 m3/s,此時(shí)泥沙主要位于庫尾,庫區(qū)內(nèi)及壩前含沙量極低。隨著洪水過程的推移,在9月26日上午6時(shí),庫區(qū)含沙量出現(xiàn)較大變化,如圖2（b）所示,庫尾處略有下降,但是泥沙侵入距離已達(dá)近3000 m,此時(shí)壩前含沙量略有提升,但是含沙量依然較低。在洪水過程末期,石頭河水庫整體含沙量較高,尤其在距離壩前600 m～2000 m處,含沙量超過8.4 kg/m3,而隨著壩前泥沙聚集與推移,含沙量再次增加,達(dá)到1.2 kg/m3～1.8 kg/m3,這也是導(dǎo)致濁度較高的主要因素。

3.2 壩前不同深度含沙量模擬

分層取水中最為關(guān)鍵的即為確定取水口數(shù)量和高度。通過分析石頭河水庫在某次洪水過程中的變化,對(duì)掌握庫區(qū)濁度變化規(guī)律具有重要意義[3]。為探索取水口處不同高度含沙量的變化,對(duì)2021年9月25日～9月28日洪水工況泥沙沉積兩天后和五天后的含沙量分布進(jìn)行模擬,以期為石頭河水庫分層取水高度的確定提供理論依據(jù),仿真結(jié)果見圖3。

圖3 取水口斷面的仿真圖

圖4 石頭河水庫疊梁門式建設(shè)示意圖

圖6 石頭河水庫分層取水塔建設(shè)示意圖

由圖3可知,壩前含沙量的變化呈現(xiàn)出中間低兩邊高、頂部低底部高的特點(diǎn),隨著洪水過程的結(jié)束,泥沙持續(xù)在壩前進(jìn)行堆積,且隨著時(shí)間的推移,含沙量逐漸變大。在泥沙沉積兩天后,780 m～800 m高程部分區(qū)域內(nèi)的含沙量相對(duì)較低；泥沙沉積五天后,775 m～800 m高程部分區(qū)域內(nèi)含沙量相對(duì)較低,可以滿足取水要求。

4 分層取水方案分析

分層取水的改造型式眾多,常見的型式有斜臥式、塔式、套筒式、浮式、活動(dòng)式等,不同分層取水型式的效果、適用條件、投入成本均不同。斜臥式一般適用于水深較小的水庫；塔式可適用于大型水庫的取水,且取水充足,但對(duì)地形施工技術(shù)要求較高；套筒式結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,操作困難；浮式對(duì)于地形的適應(yīng)能力強(qiáng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但易受風(fēng)浪影響；活動(dòng)式同樣對(duì)地形要求小,成本低且能夠抵抗一定風(fēng)浪,但取水量偏少。在分析石頭河水庫庫區(qū)特點(diǎn)、建設(shè)需求、地形條件的基礎(chǔ)上,本文初步提出了疊梁門式、活動(dòng)式及新建放水塔三種取水方案。

4.1 疊梁門式分層取水方案

疊梁門取水結(jié)構(gòu)是在取水塔內(nèi)設(shè)置多節(jié)可豎向升降的疊梁門,每節(jié)疊梁門均可通過機(jī)械提升或液壓的方式升降,根據(jù)水庫水位變化,升降相應(yīng)疊梁門節(jié)數(shù),可實(shí)現(xiàn)水庫分層取水的目標(biāo)[4]。疊梁門等閘門式分層取水工程方案在國內(nèi)外水利工程中均有大量成熟的應(yīng)用實(shí)例和經(jīng)驗(yàn),因此采用疊梁門式分層取水方案可有效提高石頭河水庫分層取水工程實(shí)施的可靠性。石頭河水庫死水位高程為728 m,校核洪水位為802.52 m,正常使用時(shí)通過現(xiàn)有取水孔進(jìn)行取水能夠滿足取水需求。根據(jù)模擬結(jié)果,洪水侵襲時(shí),底層水體濁度大,高程780 m以上水體滿足供水要求,疊梁門位置設(shè)置在壩體前140 m現(xiàn)有取水口處,單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)疊梁門尺寸3000 m×3000 mm,分層取水控制段長(zhǎng)為2.65 m,疊門梁底板位置應(yīng)設(shè)置在高程780 m處,且與現(xiàn)有塔體相連,開啟不同高度的疊梁閘門可在汛期獲取優(yōu)質(zhì)原水,共需設(shè)置11節(jié)疊梁門,工程量較為巨大。

4.2 活動(dòng)式分層取水方案

活動(dòng)式分層取水利用可活動(dòng)的壓水管管道,通過適應(yīng)水位變化的取水構(gòu)筑物,允許對(duì)水體分層取水,但易受到風(fēng)浪、飄木、浮筏等因素影響,取水可靠性較低[5]。常用的活動(dòng)式分層取水方式主要有浮船式和纜車式,浮船式分層取水方式又可分為自航式和停泊式兩種,自航式一般為船艙內(nèi)裝有內(nèi)燃機(jī)的船只,可根據(jù)取水需要進(jìn)行游蕩取水；停泊式不具有動(dòng)力設(shè)備,造價(jià)更低,應(yīng)用相較于自航式也更為廣泛。纜車式主要通過建造于岸坡上的纜車吸取水體表層水。對(duì)于石頭河水庫而言,纜車式與潛水泵式均難以滿足取水要求,因此可采用浮船式進(jìn)行分層取水,由于石頭河水庫校核洪水位和死水位間相差約32 m,為保證浮船活動(dòng)范圍,錨固船體所用連接鋼繩長(zhǎng)度設(shè)置為40 m,最小破力不得小于30 kN,根據(jù)取水流量需要,浮船上安置4個(gè)DN900管徑的活動(dòng)式取水軟管,并設(shè)置2個(gè)DN1500管徑鋼管將原水輸送至壩后消能池。經(jīng)計(jì)算浮船長(zhǎng)約22.8 m,寬約13.8 m,高約4.23 m,內(nèi)設(shè)泵房、配電室、檢修室等,采用活動(dòng)板房形式,主體材料采用8#C型鋼,設(shè)計(jì)供水量為6.6 m3/s。

4.3 新建放水塔

為滿足分層取水要求,石頭河水庫也可采用新建放水塔的形式實(shí)現(xiàn)分層取水,為滿足地基承載力的要求,將新建放水塔設(shè)置在石頭河水庫右岸壩坡基巖處。

分層塔式進(jìn)水口采用鋼筋混凝土建造,塔身根據(jù)水庫水體分層情況設(shè)置多層進(jìn)水口,采用工作閘門取水。根據(jù)MIKE3軟件模擬初步在780 m、788 m、795 m三處設(shè)置取水孔,每個(gè)進(jìn)水口尺寸為4 m×5.5 m,設(shè)計(jì)引水流量21 m3/s,塔身采用內(nèi)徑9.0 m、外徑10.6 m的井筒型式,塔體高度84 m,其中高程750 m以下為基巖豎井,750 m以上為四周臨空的塔筒,塔內(nèi)依次布置攔污柵段、閘門室段、通氣孔等,并設(shè)置內(nèi)徑為2 m的輸水隧洞連接新建放水塔與原有輸水隧洞。

4.4 分層取水設(shè)計(jì)方案比選

分析石頭河水庫分層取水改造方案在不同指標(biāo)下的表現(xiàn)能夠有效反映各方案優(yōu)劣,有助于選擇最佳方案。根據(jù)常見的方案比選形式,從技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)成本、社會(huì)環(huán)境等多方面對(duì)各方案進(jìn)行探討,結(jié)果見表1,從結(jié)果可知,活動(dòng)式分層取水方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,施工難度低,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)小,社會(huì)環(huán)境影響程度低,經(jīng)濟(jì)成本小,適合作為石頭河水庫分層取水改造方案。

表1 分層取水設(shè)計(jì)方案對(duì)比表

5 結(jié)語

本文針對(duì)石頭河水庫工程,采用MIKE3軟件對(duì)某次洪水過程中庫區(qū)的含沙量變化進(jìn)行了模擬,并將含沙量作為濁度變化的主要影響因素,確定了三個(gè)較為合適的分層取水口,設(shè)計(jì)了三種分層取水方案,并對(duì)三種方案進(jìn)行了比選,確定了最優(yōu)分層取水方案為活動(dòng)式分層取水。研究成果可為石頭河水庫及類似工程的分層取水方案設(shè)計(jì)提供參考。