小浪底水库的泥沙问题

    黄河是一条举世瞩目的多沙河流，小浪底水库承接来自黄河三门峡及小浪底库区的全部来沙量，泥沙淤积将是水库运用面临的突出问题之一。加强对水库水文泥沙测验及泥沙调度运用，控制库区泥沙冲淤变化，关系到小浪底水库的使用寿命及社会与经济效益发挥，因此，小浪底水库的泥沙问题备受国内外水利专家的关注。

 

    小浪底库区泥沙淤积测验常设断面174个，其中干流布设56个，左岸21条支流布设65个，右岸19条支流布设53个。根据设计要求，干流上的断面在高程275m以上左、右岸埋设端点桩、控制桩各1个，在高程250m以下各埋设地形桩1个；支流上部分较窄断面，左、右岸埋设端点桩、控制桩各1个，而地形桩则视具体情况酌情埋设，同时，为找桩定线的方便，在端点桩附近加埋了指示桩。

 

    小浪底水库蓄水至275m时，形成东西长130km，南北宽300～3000m的狭长水域，断面法实测总库容为126.5亿m3，其中，支流库容占总库容的41.1%。通过近几年的泥沙淤积观测，结合枢纽近几年来的调度运用情况，这里对小浪底水库的泥沙问题进行了初步的分析与探讨。

 

    按小浪底水库泥沙运用的设计思想，小浪底水库泥沙运用应遵循的主要原则是：

 

    （1）拦粗排细，且初期以拦沙运用为主。

 

    （2）采用蓄清排浑运用方式，利用水库75.5亿m3的拦沙库容和10.5亿m3的调水调沙库容，在50年运用期内相当于约25年内下游河床不再抬升。

 

    通过对下闸蓄水4年来水库泥沙淤积观测资料的整编，我们得到：

 

    （1）蓄水后第一年即2000年，水库入库沙量3.61亿t，出库沙量0.042亿t，排沙比仅为1.2%。

    （2）蓄水后第二年即2001年，水库入库沙量2.94亿t，出库沙量0.29亿t，排沙比为9.9%。

    （3）蓄水后第三年即2002年，水库入库沙量2.71亿t，出库沙量0.634亿t，排沙比为23.4%。

    （4）蓄水后第四年即2003年，水库入库沙量7.10亿t，出库沙量1.07亿t，排沙比为15.1%。

 

    在泥沙淤积形态方面，从2003年12月的观测结果看，回水末端的淤积三角洲其顶点位置大约在距坝74.5km处，较汛前的顶点上延了26.8 km，其顶点高程为244.9m。洲面段在距坝74.5km ~113.1km之间，前坡段延伸到距坝49.6km，形成了一个长达63.5km的淤积三角洲。洲面段和前坡段的比降分别为0.28‰和1.43‰。通过计算，该三角洲泥沙淤积量为3.23亿m3，占2003年水库干流淤积量的93.3%。

 

    在淤积泥沙的颗粒组成上，测验范围内淤积泥沙的粒径普遍较细，d50一般在0.004~0.016m之间，属于粉沙类。2003年汛后观测结果显示，在距坝40.9km以下，淤积泥沙其d50在0.004~0.008mm之间，属极细的粉沙类。

 

    4.1 观测手段的变革

    传统的水库泥沙淤积观测，特别是大型水库泥沙淤积观测一般均采用断面法进行，其根本原因在于观测仪器一个周期只能采集一个水深数据。如采用地形法观测，费时费力，且观测成本较高。2003年小浪底建管局引进了具有世界先进水平的条带测深仪，使库区淤积观测从传统的断面法观测转变为地形法观测，在提高测验精度、降低劳动强度的同时，又使库区水下地形实现了可视化演示，为实现水库数字化管理奠定了基础。该成果受到水利部有关领导的重视，并在长江提防工程水下部分复测中引进应用，效果良好。

 

    条带测深仪的引进，一方面降低了库区泥沙淤积观测的成本，经对比测算，每年按2个测次计算，每年可节省测验费用在80万元左右。另一方面，条带测深仪的引进使大型水库水下采用地形法测量变为可能，这将带来水库泥沙淤积观测的一场变革，其意义及影响将是深远的。

 

    4.2 泥沙淤积层的确定

    在清水状态下，水库库底泥沙淤积层的观测一般容易实现，但在异重流形成浑水水库后，利用声波测深仪一般会测出两个界面即清浑水界面与泥浆层界面，而库底泥沙淤积层面却无法测出。在这种情况下，泥沙淤积层的观测是困扰水库泥沙观测人员的一道难题。在有些时候，为了准确测出泥沙淤积层的深度，观测人员不得不冒险将重达150kg的铅鱼下放到库底，以便弄清泥沙淤积层的位置。

 

    通过这几年对小浪底浑水水库的观测，笔者发现泥沙淤积层与泥浆层之间存在如下关系：

 

Hy =Hn-k

式中：Hy为库底泥沙淤积层高度；Hn为浑水层内泥浆层高度；k为经验系数。

 

    根据小浪底水库来水来沙情况以及这几年的泥沙观测实际，在利用12Khz的测深仪进行汛期浑水水库观测时，经验系数k一般在 0.65m~1.85m之间。因此，当浑水水库出现时，在利用12Khz的测深仪很容易测出泥浆层高度Hn的前提下，进行泥沙淤积层Hy的推算则变的容易的多。

 

    4.3 排沙洞运用问题

    在小浪底工程设计中，排沙洞主要用于汛期排沙，在汛期属于经常开启的洞室。通过对这几年水库调度运用情况的分析，笔者发现排沙洞的运用受到一定的限制。2002年汛期异重流形成达到坝前后，为了使排沙洞投入拉沙运用，小浪底建管局经请示主管部门后才得以解决。从这几年排沙洞运用情况看，存在如下值得商榷的问题。

 

    （1）从设计思路看，汛期特别是异重流到达坝前形成浑水水库后，排沙洞关闭，很容易使发电机组的过机含沙量增大，造成水轮机叶片磨蚀，于机组的使用寿命不利。有时，为了停机避沙还影响到发电效益的发挥。

 

    （2）调度部门决策排沙洞是否启用主要是控制出库含沙量，以免下游河道淤积抬升。从浑水水库泥沙颗粒组成看，其d50一般在0.004~0.008mm之间，此类泥沙在一定水流强度的作用下很容易挟沙入海，一般不会造成下游河道的淤积，2003年后汛期的防洪运用就说明了这一点，同时，细纱拦在库内，这与设计“拦粗排细”的指导思想也存在一定的矛盾。

 

    （3）长期的排沙洞关闭，容易使排沙洞进口段被泥沙淤堵封死。另外，当塔前泥沙淤积高程较高时，也不利于塔前泥沙冲刷漏斗的形成，同时将威胁进水塔闸门的启闭安全。

 

    4.4 淤积量比较

    截止2003年12月，小浪底水库累计淤积泥沙13.91亿m3，平均每年淤积泥沙3.48亿m3。而设计当初预测，小浪底水库平均每年的泥沙淤积量为3.02亿m3。两者相比，小浪底水库这几年所拦泥沙特别是细纱明显偏多。何况这几年黄河来水来沙属偏枯年份，特别是2002年入库沙量仅2.71亿t，较多年小浪底实测平均输沙量少9.40亿t。

 

    因此，从维护水库正常使用寿命出发，建议汛期多利用异重流进行排沙，将水库淤沙库容的使用寿命与下游河道的不抬高有机地结合起来，以便探索出一条水库调度运用方式双赢之路。

 

    4.5 淤积形态塑造

    根据2003年汛后测验结果，小浪底水库纵向淤积形态在距坝49.6km以上呈三角洲淤积形态，这种形态属不利的三角洲淤积形态。如若处理不当，可能形成库中二级坝泥沙淤积型式，这将给未来的水库调度运用带来被动，因此，在小浪底水库以后的调度运用中进行改善或调整已迫在眉睫。

今年汛期，黄河水利委员会组织了第3次调水调沙试验，其最大的不同之处就在于在小浪底水库的回水末端进行人工泥沙扰动，此举也正是为了改善水库上游不利的三角洲淤积形态。

 

    （1）条带测深仪的引进使大型水库采用地形法进行水下泥沙淤积观测变为可能，这无疑给水库泥沙淤积测验的手段注入了新的活力。小浪底的实践表明：由条带测深系统给出的水下淤积形态直观逼真，且可动态演示，其在提高观测精度、降低观测成本的同时也为水库的数字化管理奠定了基础。

 

    （2）由泥浆层推算泥沙淤积层只是一种尝试，但它可有效地解决浑水水库条件下泥沙淤积层观测难的问题。建议感兴趣的专家学者就此问题做进一步的探讨和分析。

 

    （3）小浪底水库这几年的调度运用表明，排沙洞的调度一直是个敏感的话题。建议枢纽调度、管理及运用各方友好协商，在尊重科学的基础上，使排沙洞发挥其应有的作用。

 

    （4）泥沙淤积量是衡量水库有效使用寿命的关键指标。结合小浪底水库实测泥沙淤积量和设计预测泥沙淤积量分析，未来小浪底水库应在汛期多利用异重流进行排沙，以便缓解目前水库泥沙淤积偏快的被动局面。

 

    （5）水库泥沙的淤积形态直接关系到水库的调度运用及效益的发挥。小浪底水库2003年汛期形成的不利的三角洲淤积形态，有关人员已达成共识。今年黄河调水调沙试验的突出特征即人工泥沙扰动便是在改善或调整这种不利的淤积形态方面迈出了第一步。