摘要：多年來，黃河中游修建的淤地壩在設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮泥沙的級(jí)配問題，將小流域洪水中的全部泥沙攔淤在淤地壩中，其中有約3/4左右的細(xì)泥沙，降低了淤地壩對(duì)于黃河減沙的攔沙效益。根據(jù)不同粒徑泥沙的沉降特性，本文探索了淤地壩“淤粗排細(xì)”問題，提出對(duì)淤地壩設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議：在設(shè)計(jì)淤地壩時(shí)同時(shí)考慮全沙數(shù)量和粗沙數(shù)量；改進(jìn)放水工程設(shè)計(jì)，加大放水工程的放水流量，將沉積較快的粗沙攔在庫內(nèi)，將沉積速度較慢的細(xì)沙排出庫外；精細(xì)調(diào)度，控制放水流量，達(dá)到“淤粗排細(xì)”的目的，使淤地壩為“維持黃河健康生命”發(fā)揮更大作用。

   關(guān)鍵詞：淤地壩  泥沙  淤粗排細(xì)

 

   “維持黃河健康生命”的重要內(nèi)容是減少泥沙，特別是減少粗泥沙。多年來，黃河中游修建的淤地壩攔淤了大量泥沙。但由于是按 “全攔全蓄”設(shè)計(jì)，沒有考慮攔淤泥沙的級(jí)配問題，因此在計(jì)算淤地壩的對(duì)黃河的攔沙效益時(shí)，僅按總攔沙量的1/4考慮，大大降低了淤地壩對(duì)于黃河減沙的攔沙效益。

研究表明，淤積在黃河下游河床的泥沙主要是粒徑大于0.05mm的粗泥沙，小于0.05mm的細(xì)泥沙可以通過水流排入大海。本文根據(jù)已有研究成果，結(jié)合淤地壩設(shè)計(jì)實(shí)例，探索淤地壩“淤粗排細(xì)”問題，進(jìn)而提出對(duì)淤地壩設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議，提高攔沙效益，使淤地壩為“維持黃河健康生命”發(fā)揮更大作用。

 

1.1 據(jù)研究，當(dāng)含沙量達(dá)到200-250kg/m³以上時(shí)形成高含沙水流，高含沙水流中因固體顆粒大量存在，使渾水懸液粘性明顯增高。試驗(yàn)研究表明，對(duì)于含沙量為300kg/m³的懸液，其粘滯系數(shù)約為同溫度清水粘度的2.5-3.5倍，而當(dāng)含沙量達(dá)到600kg/m³，懸液粘性達(dá)到同溫度清水粘性的5倍以上。這將導(dǎo)致水流性質(zhì)的顯著變化，使水流的阻力、顆粒在其中的沉速、以及水流挾沙能力等，都與清水顯著不同（表1）[1]。

表1  高含沙水流中分級(jí)粒徑沉速及平均沉速[1]

 

1.2研究表明，由于高含沙洪水特性的影響，使水庫排出泥沙的級(jí)配發(fā)生變化。下圖是我國一些水庫一次洪峰中的排沙比與水庫及泥沙特性之間的關(guān)系^〔3〕，其中V為庫內(nèi)蓄水量，Qi及Qo分別為進(jìn)出庫流量，橫坐標(biāo)VQi/QO2具有時(shí)間的量綱，它反映了這一場洪水在水庫中停留時(shí)間的長短。除此以外，水庫排沙比還和泥沙粗細(xì)及含沙量有關(guān)。細(xì)的泥沙比粗的泥沙更容易排出庫外；當(dāng)含沙量超過50kg/m³時(shí)，泥沙的沉速減小，這時(shí)水庫的排沙比也相應(yīng)增大^〔2〕

 

1.3研究以上高含沙水流的特性，有利于了解淤地壩的泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

（1）小流域洪水，特別是多沙粗沙區(qū)的小流域洪水，基本是高含沙洪水。其在進(jìn)入淤地壩庫區(qū)前為紊流，挾帶大量泥沙；進(jìn)入庫區(qū)后緩慢向壩前放水工程流動(dòng)。

（2）在洪水沒有全部進(jìn)入庫前，庫區(qū)水位逐漸上漲，這時(shí)，放水工程排出的洪水含沙量和泥沙的級(jí)配基本為入庫前的狀態(tài)。

（3）當(dāng)洪水全部進(jìn)入庫區(qū)后，庫內(nèi)洪水流速接近零，泥沙沉積速度加快，但由于受高含沙洪水特性的影響，粗沙沉積速度較低，而細(xì)沙沉積速度更慢。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，粗泥沙約在洪水入庫后的數(shù)小時(shí)內(nèi)全部沉積，而細(xì)沙則需要10小時(shí)以上的沉積時(shí)間。

 

隨著淤地壩設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，可以更加深入、細(xì)致的對(duì)淤地壩進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)“淤粗排細(xì)”，使其不僅能夠淤地造田，而且提高為黃河減沙的效益。

2.1黃河主要支流產(chǎn)沙概況

來自黃河中游黃土丘陵溝壑區(qū)的洪水多為高含沙洪水。用洪水期總沙量除以總水量所求得的平均含沙量一般均超過400kg/m³。其中，黃河中游的主要入黃支流不僅經(jīng)常發(fā)生高含沙洪水，而且其中的粗沙含量較高（表2）。據(jù)對(duì)表中所示各支流的統(tǒng)計(jì)表明，80%的洪水的含沙量均超過500kg/m³。黃甫川和窟野河流域的黃土組成極粗，244次洪水的含沙量均超過1000kg/m³〔1〕。

表2    黃河主要支流流域產(chǎn)沙〔1〕

2.2淤地壩設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)考慮全沙輸沙模數(shù)和粗沙輸沙模數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)“淤粗排細(xì)”，淤地壩的設(shè)計(jì)思路應(yīng)是：攔淤大部分粗沙，排出大部分細(xì)沙。

進(jìn)入黃河下游的16億t泥沙中，粗沙3.64億t，占總沙量的20%〔1〕。其中多沙粗沙區(qū)每年輸入黃河的泥沙達(dá)11.82億t，占同期黃河輸沙總量的62.8%，其中粒徑大于0.05mm的粗泥沙3.19億t，占粗泥沙輸沙總量的72.5%。在黃河中游的千溝萬壑中攔淤這些泥沙，特別是粗泥沙，無疑對(duì)黃河治理具有重要意義?？紤]到黃河中游地區(qū)建壩條件的限制和國家資金投入水平，以有限的淤地壩攔淤盡可能多的粗沙，應(yīng)當(dāng)是今后淤地壩規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本原則。

據(jù)此，在計(jì)算淤地壩攔沙庫容時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮粗沙輸沙模數(shù)，并以此為依據(jù)，計(jì)算攔沙庫容。

建議，攔沙庫容計(jì)算公式為：

V=M*R*S*T/1.35

式中V—攔泥庫容

    M—土壤侵蝕摸數(shù)

    R—粗沙比例

S—壩控面積

    T—淤積年限

2.3放水工程設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)考慮常遇洪水和設(shè)計(jì)洪水

由于黃河中游的洪水特點(diǎn)是“大水大沙”，而且“大水粗沙”。往往一場大洪水所攜帶的泥沙就占全年總沙量的60％以上。因此重視對(duì)淤地壩設(shè)計(jì)洪水的排泄，對(duì)于實(shí)現(xiàn)“淤粗排細(xì)”具有重要意義。

同時(shí)，由于常遇洪水?dāng)y帶約40％的年來沙量，因此也要考慮對(duì)常遇洪水的“淤粗排細(xì)”，避免造成常遇洪水的“攔渾排清”。

2.4加大放水工程的泄洪量，減少洪水的攔滯時(shí)間，將細(xì)泥沙排出

由表1數(shù)據(jù)知，在高含沙洪水中，粗沙沉積速度每小時(shí)1m以上（粒徑0.035mm：101cm/小時(shí)，粒徑0.061mm：302cm/小時(shí)），一般可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完全沉積；而細(xì)沙沉積速度每小時(shí)遠(yuǎn)小于1m（粒徑0.016mm：21cm/小時(shí)），全部沉積需要更長的時(shí)間。根據(jù)粗沙和細(xì)沙沉積速度有較大差異的特點(diǎn)，可以通過改進(jìn)放水工程的設(shè)計(jì)，達(dá)到“淤粗排細(xì)”需要。

首先，適當(dāng)加大放水工程放水孔直徑，增大泄流量。為了實(shí)現(xiàn)“淤粗排細(xì)”，一般應(yīng)當(dāng)在10小時(shí)內(nèi)排泄完一場設(shè)計(jì)洪水總量。為此需要加大放水工程的泄洪流量。

其次，設(shè)計(jì)變孔徑的放水工程。隨著庫容的淤積，相同頻率的洪水形成的水深越來越淺。對(duì)于多孔排水的放水工程，為了保證放水工程的泄流量不變，在放水孔間距一定的條件下，放水孔徑應(yīng)由下向上逐漸增大。為簡便設(shè)計(jì)，可以在攔泥壩高高程以下為一個(gè)孔徑尺寸，攔泥壩高高程以上為加大的孔徑尺寸。

對(duì)于采用一孔排水的放水工程，可以在同一高程設(shè)計(jì)兩個(gè)（或兩個(gè)以上）不同孔徑的排水孔，以適應(yīng)排放不同頻率的洪水。

2.5精確調(diào)控放水工程。為了防止常遇洪水不經(jīng)沉沙而暢泄和大洪水細(xì)沙沉積過多，需要對(duì)放水工程進(jìn)行精細(xì)調(diào)控：小水開小孔，少開孔；大水開大孔，多開孔。

其次，為了保證將粗沙盡可能多的攔在淤地壩內(nèi)，應(yīng)當(dāng)在每次洪水過后對(duì)淤地壩和放水工程處的淤積情況進(jìn)行觀測，使最低的放水孔高于淤積面，相當(dāng)形成一定的死庫容，以利下次攔淤。最低放水孔距離淤積面以上的確切高度應(yīng)通過計(jì)算在設(shè)計(jì)洪水條件下粗泥沙的總體積獲得。由于在運(yùn)行期的淤地壩放水孔間的距離是確定的，因此實(shí)際操作中最好取上限值，以保證有足夠的庫容攔淤粗沙。

2.6改變淤地壩的控制面積或攔沙庫容。根據(jù)以上思路，可以考慮適當(dāng)加大骨干壩和中型淤地壩的壩控面積，或減小淤地壩的攔泥庫容，提高淤地壩工程的投資效益和攔沙效益。

 

3.1提高了淤地壩攔沙效益

初步估算，采用以上改進(jìn)設(shè)計(jì)，淤地壩可以攔淤90%以上的粗沙，同時(shí)排出70%以上的細(xì)沙，從而使有限的庫容攔淤更多的粗沙。以《黃土高原地區(qū)水土保持淤地壩規(guī)劃》的建設(shè)規(guī)模，到2020年在多沙粗沙區(qū)建設(shè)10.28萬座淤地壩，形成約250億t的攔沙庫容，基本控制全部多沙粗沙區(qū)。采用“淤粗排細(xì)”方式，可以顯著增加粗沙攔淤量，估算總粗沙攔淤量超過120億t。

3.2提高了淤地壩安全穩(wěn)定性

淤地壩在淤積庫容基本淤滿后，開始淤積防洪庫容，造成淤地壩的防洪能力急劇下降。實(shí)行“淤粗排細(xì)”后，顯著加大了淤地壩的泄洪能力，從而使淤地壩提高了防御洪水的能力，相對(duì)提高了淤地壩的防洪能力。

3.3減少了水資源的無效消耗

黃土高原地區(qū)氣候干旱，水面蒸發(fā)量大?，F(xiàn)行的設(shè)計(jì)，造成洪水在淤地壩內(nèi)滯留時(shí)間較長，庫區(qū)蒸發(fā)和下滲量較大。根據(jù)《黃土高原水土保持淤地壩規(guī)劃》框算的結(jié)果，到2020年，每年淤地壩由于滯洪造成的蒸發(fā)達(dá)9億多m³；由于長時(shí)間滯洪造成的下滲補(bǔ)充地下水（不進(jìn)入黃河的水量）在2020年達(dá)5億多m³，兩項(xiàng)合計(jì)，2020年損失河川徑流達(dá)15億m³，占2020年壩控面積內(nèi)83億m³徑流總量的18％。 “淤粗排細(xì)”加大了淤地壩的排洪能力，使暴雨洪水在短時(shí)間內(nèi)排出，減少了淤地壩在長時(shí)間滯洪情況下的水量蒸發(fā)、下滲等無效損耗。

 

4.1北溝骨干壩位于陜西榆林城區(qū)東南40km處的陳家溝上游，壩址所在溝道屬無定河二級(jí)支流。壩控面積6.28km²。多年平均侵蝕模數(shù)為1.5萬t/km².a。洪水計(jì)算成果見表3

表3  洪水計(jì)算成果表

防洪標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核，淤積年限取20年。攔泥庫容139.56萬m³，滯洪庫容57.27萬m³，總庫容196.83萬m³。壩高31.5m，其中攔泥壩高25.0m，滯洪壩高3.2m，安全超高2m，沉陷加高1.3m。放水工程為臥管，設(shè)計(jì)泄流量按3天泄完20年一遇一次洪水總量計(jì)算，泄流量為0.82m³/s，采用同時(shí)開啟3孔泄流，孔間水位差0.45m，計(jì)算孔徑0.37m。

4.2根據(jù)本文建議，首先要計(jì)算粗沙數(shù)量。該區(qū)域粗泥沙輸沙模數(shù)為7000t/km².a，占土壤侵蝕模數(shù)1.5萬t/km².a的47%。年來粗沙3.26萬m³。當(dāng)采用淤粗排細(xì)方式運(yùn)行時(shí)，原設(shè)計(jì)的139.56萬m³攔泥庫容的淤積年限可達(dá)43年，比原設(shè)計(jì)淤積年限增加一倍以上。

4.3為了達(dá)到對(duì)常遇洪水和設(shè)計(jì)洪水均實(shí)現(xiàn)“淤粗排細(xì)”，要進(jìn)行放水工程設(shè)計(jì)。為了簡化設(shè)計(jì)，按攔泥壩高以下為相同放水孔徑，攔泥壩高以上為加大的放水孔徑。

4.3.1選擇豎井形式的放水工程，采用相同高程設(shè)計(jì)兩個(gè)不同面積的放水孔，以排泄不同頻率的洪水。

 

4.3.2按10小時(shí)左右泄完一次設(shè)計(jì)洪水（30.9萬m³），計(jì)算1級(jí)孔放水時(shí)的豎井放水孔面積。放水流量為8.6m³/s。孔間水位差0. 5m，計(jì)算孔面積

d=0.174 =2.14m²

4.3.3每級(jí)放水孔總面積2.14m²（按2.2m²計(jì)算）時(shí)，在豎井每級(jí)的相對(duì)兩面分別設(shè)計(jì)不同孔徑的放水孔，以適應(yīng)不同頻率洪水的排泄。設(shè)相對(duì)兩孔面積分別為1.4m²和0.8m²。其中1.4m²的放水流量為5.6m³/s，0.8m²的放水流量為3.2m³/s。

表4   排泄不同重現(xiàn)期洪水試算表

從表4看出，采用以上組合孔徑能夠基本滿足十小時(shí)左右排泄完一次洪水總量的要求。該組合孔徑兼顧了設(shè)計(jì)洪水和常遇洪水的“淤粗排細(xì)”要求。

    進(jìn)一步考慮，還可以將每級(jí)放水孔設(shè)計(jì)成2個(gè)以上的組合孔徑，以更精細(xì)的對(duì)各類洪水進(jìn)行“淤粗排細(xì)”方式的排泄。

4.3.4對(duì)于放水涵洞、消力池等按照最大放水流量和規(guī)范要求設(shè)計(jì)。

4.4精細(xì)調(diào)度。由于采用一級(jí)放水孔放水，因此需要對(duì)每場洪水的放水過程進(jìn)行控制，按照洪水總量決定需要開啟多大的放水孔，并在水位下降后，及時(shí)開啟下一級(jí)放水孔。每場洪水過后，應(yīng)檢查壩前淤積情況，及時(shí)關(guān)閉位于淤積面上下20cm左右的放水孔，以利下次攔沙。

 

5.1深入分析研究黃河各支流，特別是多沙粗沙區(qū)支流的泥沙級(jí)配及其變化。

5.2設(shè)立研究課題，進(jìn)一步研究淤地壩中泥沙的運(yùn)行規(guī)律。

5.3對(duì)淤地壩放水工程的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)“淤粗排細(xì)”條件下，排泄不同重現(xiàn)期洪水的要求。

5.4研究如何建立在“淤粗排細(xì)”要求下的淤地壩運(yùn)行管理機(jī)制。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]趙文林，《黃河泥沙》，黃河水利出版社，1996年

[2]錢寧，萬兆惠，《泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)》，科學(xué)出版社，2003年

[3]夏震寰，韓其為，焦恩澤，“論長期使用庫容”，北京河流泥沙國際學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，第二卷，1980年

 

 

責(zé)任編輯：孫太旻