“沉沙与蓄水两用水库”模式的研究(张燕菁, 胡春宏, 戴清)

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“沉沙与蓄水两用水库模式的研究

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张燕菁胡春宏, 戴 清水利论文@_h? tC3y`b

(中国水利水电科学研究院泥沙研究所)

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摘要:本文介绍了引黄取水新模式中沉沙与蓄水两用水库的基本思路与基本原理,并通过对该模式在山东省东营市广南1#沉沙与蓄水两用水库沉沙条渠的应用所进行的现场观测,初步分析和研究了其工程效果。水利论文JfX u:JN

关键词:沉沙与蓄水两用水库; 转圈沉沙; 水沙利用新模式水利论文*~!k9E)U%a:H

项目得到了胜利石油管理局何富荣、徐金波、邓国利、毕立泉等同志的指导。水利论文2^| T7q?/s)F eX8N

基金项目:国家自然科学基金和水利部联合资助项目(59890200)水利论文9_2Zj'~0m `si

作者简介:张燕菁(1963-),女,中国水科院高工。

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1 前言水利论文/s`Bl*n5osd

  黄河水是下游河口地区主要的水源,引黄取水必然要引进泥沙,黄河水中的泥沙历来是引黄取水工作中的心腹之患,传统的取水方法一是采用控制取水含沙量,尽量在黄河低含沙量时取水;二是在渠道中实行以挖待沉来解决泥沙问题;三是在浑水进库之前建设专用的沉沙池使浑水澄清后入库。但是,随着黄河下游断流的加剧,一年之中黄河来水时间主要是集中在汛期,而汛期历来是黄河水高含沙期,显然,传统的取水方法已不能适应高含沙引水的需要。为此,提出了充分利用浑水资源,又合理地安排泥沙的引黄取水新模式。本文将对这一引黄取水模式中的泥沙处理部分“沉沙与蓄水两用水库”进行研究,并通过在广南1#沉沙条渠的实际观测研究,初步评价了其效果,为进一步推广应用打下了基础。水利论文 Hfl,r&cHUL

2 “沉沙蓄水两用水库”模式的基本思路与原理

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  众所周知,传统的引水模式中用来沉沙和蓄水的工程是分开建造的,不仅投资大,且占用大量的土地,同时淤积的泥沙直接影响沉沙池的使用和寿命,清淤费用巨大,使得工程难以充分发挥作用,尤其难以适应引用高含沙水流的需要。“沉沙蓄水两用水库”模式,是将沉沙池与蓄水水库相结合,运用黄河水流泥沙运动的规律,把沉沙池建成一条人造周边“小黄河”,其河堤、河床、河滩、河槽一应俱全,含沙量较高的浑水从中流过,沉积的泥沙将河床不断抬高形成一条宽大的堤坝,该堤坝中间自然形成水库。这样既合理地处理了泥沙,又自然得到了蓄水水库,一举二得,克服了传统引水模式的不足。目前在黄河三角洲地区已建成了多座“沉沙与蓄水两用水库”,较为典型的是广南1#“沉沙与蓄水两用水库”。水利论文| R_2c'GuPz

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图1 广南1#沉沙与蓄水两用水库平面示意图

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Sketch of Guangnan Reservoir for desilting
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  “沉沙与蓄水两用水库”的沉沙池是由泥沙构筑的内堤和外堤及在两者之间以复式断面的“人造小黄河”组成,内堤以内为蓄水水库,如图1所示,这种由内堤、外堤和“人造小黄河”淤积抬高的沙堤形成了十分坚固安全的蓄水水库的围堤。“两用水库”的沉沙池的沉沙条渠以“人造小黄河”的模式进行转圈沉沙,均匀淤积抬高,使水库可向立体发展,不断增大库容。水利论文X|}&h4Eu6u

3 广南“沉沙与蓄水两用水库”运行情况及初步效果分析

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  广南1#沉沙与蓄水两用水库是在原广南水库1#沉沙池的基础上改建而成,实施长度约6.3km,工程于1997年8月通水沉沙经历了一年的运行后,于1998年10月进行了现场观测。

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3.1 “沉沙与蓄水两用水库”的周边沉沙条渠具有黄河的特征水利论文g&HGQ-|G

  广南1#“沉沙与蓄水两用水库”的周边沉沙条渠经过一年的运行,形成了较为完备的主槽、滩地、滩唇、纵横比降、口门拦门沙等,具有黄河河道的基本特征,形成了真正的“人造小黄河”。水利论文R(C-]"g.N"Q})q

  两用水库“人造小黄河”有如图2所示的纵剖面。上段主槽和滩地纵比降分别为1/7042、1/7143,滩唇至滩地形成大约1/40的横比降。通常情况下,来水来沙对纵比降起主导作用。当来流量小、含沙量高、来沙级配较粗时,要求较大比降与其相适应。就实际工程情况来看,引黄渠道比降多在1/5000~1/8000。将实测床沙结果代入黄河中下游干支流的比降J的经验关系式[2]

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式中D50为河床中值粒径,单位为mm,J单位为1/10000,得主槽和滩地比降分别为1/7737、1/12000,其与实测“人造小黄河”上段主槽比降较为接近。通过以上的分析,可以认为其上游段已基本达到与来水来沙相适应的平衡比降。

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3.2 随着淤积体的不断向下推进“人造小黄河”滚动升高

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3.2.1 纵剖面变化

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  纵剖面主槽和滩地均有淤积,且淤积沿程增加,纵剖面坡降淤积变缓,淤积末端随着淤积体的不断向下推进而向下游延伸。主槽滩地平均淤积厚度:滩地为0.2~0.7m,主槽为0.4~1.0m。上游段(桩号0+000~4+500)的4.5km范围淤积量为22.95万m3,桩号4+500以下淤积量为47.59万m3,约占总淤积量的67.47%,桩号6+000以下沉沙池底高程抬高了1.0~1.3m。这相当于黄河河口的淤积抬升,淤积后比降调平,说明在一年多运行期,“人造小黄河”溯源淤积起着主要控制作用。水利论文\hrB-i*R[UT

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图2 广南1#沉沙与蓄水两用水库“人造小黄河”实测纵剖面

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图3 广南1#沉沙与蓄水两用水库“人造小黄河”水利论文N1N7XIc5_-j
实测横断面
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Measured longitudinal profile of grit channel水利论文~_I(`xr)O(c`

Measured transversal profile of grit channel水利论文#y*nHk+Q9o

3.2.2 横断面变化水利论文a{y&Npu"ge$F1l)?

  “人造小黄河”运行一年来,沿程各断面主槽和滩地均有所淤积抬高,滩唇及主槽淤积厚度相当,横断面形态变化不大,仍保持较为规则的复式断面。图3为运行前后横断面变化图。

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  滩槽变化特性从滩槽水沙交换来讲,尽管滩槽高差在一段时间内会有所变化,但从长期来看,却有保持相对稳定的差值的特点,在“人造小黄河”淤积情况下,意味着滩槽的同步上升;从河相关系来讲,冲积河流的塑造中滩槽高差的变化受制于一定的河相关系,实测河相关系为3.1~7.7,平均值为4.9。

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3.2.3 “人造小黄河”沿程各段特性分析水利论文 abZZce.Z

  分析“人造小黄河”沿程各段纵、横剖面变化及泥沙输送淤积的差异,沿程划分为三段(表1):第一段为输沙淤积段,主要以输送泥沙为主,伴随着一定程度的淤积,比降大小与输沙渠相当,横断面相对窄深;第二段为壅水淤积段,受下游口门拦门沙的壅水影响,泥沙大量落淤在主槽,河槽比降调平,相反滩唇上泥沙较少落淤,横断面相对宽浅;第三段为口门淤积段,是“人造小黄河”向前推进的最前端,由于该段主槽尚未开挖,紧邻其上的壅水淤积段主槽的淤积抬高,使该段主槽比降加大,冲刷形成尚未与来水来沙相适应的窄深槽,此外,由于口门滩坎的阻水作用,形成口门拦门沙淤积,泥沙在此横向扩散落淤形成宽阔的泥沙堆积体。口门淤积段滩地的不断淤积和主槽的不断冲刷,使得口门向下游淤积延伸,而口门向下游淤积延伸,又将引起上游段的淤积抬高。水利论文'`3c*\ Rjj

表1 “人造小黄河”淤积形成的主要特征值水利论文8m$CNp j*kT![5rh:YE

Characteristics of ‘man made small Yellow River'水利论文Y/?W1CF9S"s~4G


各项指标输沙淤积段壅水淤积段口门淤积段
(桩号0+000~4+500)(桩号4+000~6+000)(桩号6+000~7+800)

纵比降1/7042-1/161291/2155
1/71431/44840
横比降滩唇1/401/401/160

河相关系/h4.56.03.0

中值粒径0.0700.0400.055
D50(mm)0.0500.0400.055

淤积分布淤积量(万m3)22.9512.0935.50
占总量百分比(%)32.5317.1450.33

  两用水库的“人造小黄河”淤积造床过程与天然冲积河道有着某种本质的差别,不论纵剖面淤积是否接近平衡,尾端水位对其仍有一定的控制作用,而下游淤积末端的淤积延伸又引起由下至上的溯源淤积,使得下游段坡降趋缓。这种作用甚至影响到上游段。影响纵剖面调整的主要因素为:上游来水来沙条件、口门侵蚀基准面变化、河床边界条件(是否修堤等)。然而,溯源淤积调整初始条件是沿程淤积所已塑造的接近平衡的纵剖面。由于口门延伸引起侵蚀基面抬升,使河床比降变缓,而发生溯源淤积,溯源淤积具有使河床回复原比降的效果,因而使得整个河段随着口门的抬升而整体抬升。在目前的特定条件下,由于河宽、粒径的调整非常有限,没有趋势性变化,河床纵剖面的调整将主要是比降的调整,溯源淤积的结果使得河流纵剖面平行抬升。按现有的来水来沙条件,“人造小黄河”将按大约1/7000的纵比降,随着口门向下游的淤积延伸而平行抬高。水利论文r-CY6_c

3.3 “人造小黄河”式沉沙条渠的转圈推进速度

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  在一定的来水来沙条件下,“人造小黄河”转圈沉沙推进速度,取决于口门段堆积体的纵向发展速度。而内外堤间距是影响堆积体的纵向发展速度的一个重要因素。由广南1#沉沙蓄水两用水库的实测断面分析认为以主槽22m、滩地44×2m、内外堤间距110m为宜。运行一年,淤积体向下游推进至7+800桩号,淤积体纵向长度1.8km,平均宽度200m,平均淤积厚度1.1m。由此可以估算出“人造小黄河”转一圈的时间约为6年。若泥沙量增大,所需转圈的时间将缩短。水利论文5`u \[.D pO6q

3.4 “两用水库”具有沉沙和蓄水双重效益

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  实测两用水库“人造小黄河”总淤积量为70.53万m3,占进沙量91.8万m3的76.83%,这部分泥沙同时又被用作筑堤,使两用水库的外堤普遍升高0.4~1.2m。广南水库原1#沉沙池在运行十年后,可利用的水域面积为3.24km2。如按蓄水2m水深计,沉沙池剩余的蓄水容积仅为1380万m3。假设过去十年其按照沿周边转圈沉沙运行方式运用,将比现状可利用的水域面积增大2倍,当蓄水水位为4.0m时,比现状蓄水容积增加42%。水利论文*Y*Wb,b9[ f

4 结语

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  通过对沉沙与蓄水相结合“两用水库”工程实际运行的现场观测结果的分析研究,可以得出以下几点认识:

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  1.沉沙蓄水两用水库的周边沉沙条渠具有黄河的特征;水利论文:X+I2_Y;C|)q

  2.随着淤积体的不断向下推进,“人造小黄河”形成蓄水水库的外堤;

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  3.“人造小黄河”式沉沙条渠以主槽宽度为20~26m、滩地宽度84~90m、内外堤间距约100~110m为宜,河相关系约为3~6之间。如按来沙量较少的1998年的推进速度,广南1#两用水库的沉沙条渠转一圈,并抬高1.0~1.5m,约需6年。水利论文r?+Ff}5]'U4S9B/y

  4.“两用水库”具有沉沙和蓄水双重效益,即可淤沙造堤,又可以增加蓄水容积。

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  由此可见,沉沙与蓄水两用水库与传统引黄模式相比具有较大的优点,尤其在将自流泥沙用作淤沙造堤、增加水库库容、节省清淤费用等方面。但是,沉沙与蓄水相结合两用水库是建立在一定理论基础上的,虽得到了实际运行资料的初步检验,但由于实际工程运行时间都较短,积累的实测资料较少,尚需要在实践中不断改进并完善。

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参 考 文 献水利论文:qF7wfN v

[1] 曾庆华,张世奇,胡春宏等。黄河口演变规律及整治。黄河水利出版社,1997.12.水利论文 [ NVPwFH

[2] 钱宁,张仁,周志德。河床演变学。科学出版社,1989.

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