任务四 水库泥沙淤积的防治
※基本知识※
一、水库泥沙淤积的成因及危害
1.水库泥沙淤积的成因
河流中挟带泥沙，按其在水中的运动方式，常分为悬移质泥沙、推移质泥沙和河床质泥沙，它们随着河床水力条件的改变，或随水流运动，或沉积于河床。
河流上修建水库以后，泥沙随水流进入水库，由于水流流态变化，泥沙将在库内沉积形成水库淤积。水库淤积的速度与河水中的含沙量、水库的运用方式、水库的形态等因素有关。
2.水库泥沙淤积的危害
水库的淤积不仅会影响水库的综合效益，而且对水库上下游地区会造成严重的后果。其表现为：
（1）由于水库淤积，库容减小，水库的调节能力也随之降低，从而降低甚至丧失防洪能力。
（2）加大了水库的淹没和浸没范围。
（3）使有效库容减小，降低了水的综合效益。
（4）泥沙在库内淤积，使其下泄水流含沙量减小，从而引起河床冲刷。
（5）上游水流挟带的重金属有害成分淤积库中，会造成库中水质恶化。
二、水库泥沙淤积与冲刷
（一）淤积类型
水流进入库内，因库内水的影响不同，可表现出不同的流态形式：一种为壅水流态，即入库水流由回水端到坝前其流速将沿程减小，呈壅水状态；另一种是均匀流态，即挡水坝不起壅水作用时，库区内的水面线与天然河道相同时的流态。均匀流态下水流的输沙状态与天然河道相同，称为均匀明流输沙流态。均匀明流输沙状态下发生的沿程淤积称为沿程淤积；在壅水明流输沙状态下发生的沿程淤积称为壅水淤积。对于含沙量大、细颗粒多，进入壅水段后，潜入清水下面沿库底继续向前运动的水流称为异重流，此时发生的沿程淤积称为异重流淤积。当异重流行至坝前而不能排出库外时，则浑水将滞蓄在坝前清水下形成浑水水库。在壅水明流输沙流态中如果水库的下泄流量小于来水量，则水库将继续壅水，流速继续减小，逐渐接近静水状态，此时未排出库外的浑水在坝前滞蓄，也将形成浑水水库，在浑水水库中，泥沙的淤积称为浑水水库淤积。
（二）水库中泥沙淤积形态
泥沙在水库中淤积呈现出不同的形体（纵剖面及横剖面的形状）。纵向淤积有三种，即三角洲淤积、带状淤积和锥体淤积。
1.三角洲淤积
泥沙淤积体的纵剖面呈三角形的淤积形态，称为三角洲淤积，如图1-13所示，一般由回水末端至坝前呈三角状，多发生于水位较稳定，长期处于高水位运行的水库中。按淤积特征分为四个区段，即三角尾部段、三角顶坡段、三角前坡段、坝前淤积段。
2.带状淤积
淤积物均匀地分布在库区回水段上，如图1-14所示，多发生于水库水位呈周期性变化，变幅较大，而水库来沙不多、颗粒较细、水流流速又较高的情况下。
图1-13 三角洲淤积
图1-14 带状淤积
3.锥体淤积
在坝前形成淤积面接近水平为一条直线，形似锥体的淤积，如图1-15所示，多发生于水库水位不高、壅水段较短、底坡较大、水流流速较高的情况下。
影响淤积形态的因素有水库的运行方式、库区的地形条件和干支流入库的水沙情况等。
图1-15 锥体淤积
（三）水库的冲刷
水库库区的冲刷分溯源冲刷、沿程冲刷和壅水冲刷三种。
1.溯源冲刷
当水库水位降至三角洲顶点以下时，三角洲顶点处形成降水曲线，水面比降变陡，流速加快，水流挟沙能力增大，将由三角顶点起由下游向上游逐渐发生冲刷，这种冲刷称为溯源冲刷。溯源冲刷有辐射状冲刷、层状冲刷和跌落状冲刷三种形态，如图1-16所示。当水库水位在短时间内下降到某一高程后保持稳定或当放空水库时会形成辐射状冲刷；如果冲刷过程中水库水位不断下降，历时较长，会形成层状冲刷；如果淤积为较密实黏性涂层时，会形成跌落状冲刷。
2.沿程冲刷
在不受水库水位变化影响的情况下，由于来水来沙条件改变而引起的河床冲刷，称为沿程冲刷。当库水来水较多，而原来的河床形态及其组成与水流挟沙能力不相适应，从而发生沿程冲刷。它是从上游向下游发展的，而且冲刷强度也较低。
图1-16 水库溯源冲刷的形态
3.壅水冲刷
在水库水位较高的情况下，开启底孔闸门泄水时，底孔周围淤积的泥沙，随同水流一起被底孔排出孔外，在底孔前逐渐形成一个最终稳定的冲刷漏斗，这种冲刷称为壅水冲刷。壅水冲刷局限于底孔前，且与淤积物的状态有关。
三、水库淤积防治措施
水库淤积的根本原因是水库水域水土流失形成水流挟沙并带入库内。所以根本的措施是改善水库水域的环境，加强水土保持。关于水土保持措施已在前述内容中作了介绍。除此之外，对水库进行合理的运行调度也是减轻和消除淤积的有效方法。
（一）减淤排沙方式
减淤排沙有两种方式：一种是利用水库水流状态来实现排沙；另一种是借助辅助手段清除已产生的淤积。
1.利用水流状态作用的排沙方式
（1）异重流排沙。多沙河流上的水库在蓄水运用中，当库水位、流速、含沙量符合一定条件（一般是水深较大、流速较小、含沙量较大）时，库区内将产生含沙量集中的异重流，若及时开启底孔等泄水设备，就能达到较好的排沙效果。
（2）泄洪排沙。在汛期遭遇洪水时，库水位壅高，将造成库区泥沙落淤，在不影响防洪安全的前提下，及时加大泄流量，尽量减少洪水在库内的滞洪时间，也能达到减淤的效果。
（3）冲刷排沙。水库在敞泄或泄空过程中，使水库水流形成冲刷条件，将库内泥沙冲起排出库外。有沿程冲刷和溯源冲刷两种方法。
2.辅助清淤措施
对于淤积严重的中小型水库，还可以采用人工、机械设备或工程设施等措施作为水库清淤的辅助手段。机械设备清淤是利用安在浮船上的排沙泵吸取库底淤积物，通过浮管排出库外；也有借助安在浮船上的虹吸管，在泄洪时利用虹吸作用吸取库底淤积泥沙，排到下游，如图1-17所示。工程设施清淤是指在一些小型多沙水库中，采用一种高渠拉沙的方式，即于水库周边高地设置引水渠，在库水位降低时利用引渠水流对库周滩地造成强烈冲刷和滑塌，使泥沙沿主槽水流被排出水库，恢复原已损失的滩地库容。
（二）水沙调度方式
上述的减淤排沙措施应与水库的合理调度配合运用。在多泥沙河道的水库上将防洪兴利调度与排沙措施结合运用，这就是水沙调度。包括以下几种方式。
1.蓄水拦洪集中排沙
图1-17 虹吸清淤装置示意图
1—输泥管；2—操作船；3—连接装置；4—浮筒；5—放水设备；6—吸头；7—淤泥面
蓄水拦洪集中排沙又称水库泥沙的多年调节方式，即水库按防洪和兴利要求的常用方式拦洪和蓄水运用，待一定时期（一般为2～3年）以后，选择有利时机泄水放空水库，利用溯源冲刷和沿程冲刷相结合的方式清除多年的淤积物，达到全部或大部分恢复原来的防洪与兴利库容。在蓄水运用时期，还可以利用异重流进行排沙，这种方式适宜于河床比降大，滩地库容所占比重小、调节性能好、综合利用要求高的水库。
2.蓄清排浑
蓄清排浑又称泥沙的年调节方式，即汛期（丰沙期）降低水位运用，以利排沙，汛后（少沙期）蓄水兴利。利用每年汛初有利的水沙条件，采用溯源冲刷和沿程冲刷相结合的方式，清除蓄水期的淤积，做到当年基本恢复原来的防洪和兴利库容。
3.泄洪排沙
泄洪排沙即在汛期水库敞开泄洪，汛后按有利排沙水位确定正常蓄水位，并按天然流量供水。这种运行方式可以避免水库大量淤积，能达到短期内冲淤平衡，但综合效益发挥将受到限制。
根据我国水库的运用经验，水库的运用方式可根据水库的容积砂量比Ks=Vo/Vs（Vo为水库容积，Vs为水库的年末水量）和容积水量比Kw=Vo/W（W为年末水量）来初步确定。
当Ks＞50，Kw＞0.2时，宜采用拦洪蓄水运用方式。
当Ks＜30，Kw＜0.1时，宜采用蓄清排浑运用方式或泄洪排沙。
当Ks≥30～50，Kw=0.1～0.2时，可采用前期拦洪蓄水、后期蓄清排浑的运用方式或采用拦洪蓄水与蓄清排浑交替使用的运用方式。
一般以防洪季节灌溉为主的水库，由于水库的主要任务与水库的排沙并无矛盾，故可采用泄洪排沙或蓄清排浑运用方式；对于来沙量不大的以发电为主的水库，可采用拦洪蓄水与蓄清排浑交替使用的运用方式。
※技术应用※
四、水库的泄洪排沙
（一）泄洪排沙泄量的选择
排沙泄量的大小对滞洪排沙效果有很大影响，排沙泄量过大，泄洪时间短，对下游行洪放淤不利，排沙泄量过小，则滞洪时间过长，将会造成水库大量淤积。根据一些水库实测资料的分析，排沙、泄量与峰前水量存在下列关系：
式中 ηso——排沙效率；
Ww——入库洪水的峰前流量，万m3/s；
Qsw——第一天平均排沙泄量，m3/s。
式（1-8）适用于单峰型洪水，涨峰历时不超过12h的情况。
对于峰高量大的洪水，若滞洪历时过长，则漫滩淤积量就大，排沙率就低，根据一些中小型水库实测资料的分析，排沙效率ηso与滞洪历时t（h）之间存在下列关系：
（二）泄洪排沙期淤积量计算
滞洪排沙期间的淤积量ΔWs为
其中
式中 Ws——一次洪水的入库沙量，m3；
Wso——该次洪水的排沙量，m3；
η——排沙比，等于出库沙量与入库沙量之比；
ηw——排水比，即出库水量Wo与入库水量Ww之比。
五、水库的异重流排沙
1.异重流排沙的形成条件
当L≥QSJ0时，异重流中途消失；当L＜QSJ0时，形成异重流排沙。其中，L为水库回水长度，km；QS为洪峰的平均输沙率，kg/s；J0为库底比降，‰。
2.异重流排沙计算
异重流的淤积和排沙计算有两类方法：一类是挟沙能力计算法；另一类是经验统计法。这里介绍经验统计法。经验统计法是在水库运行管理中，应按实测资料建立的异重流传播时间、异重流排沙泄量和异重流排沙比的经验关系式，估算水库的异重流排沙情况，是比较简便而迅速的方法，在中小型水库管理中被普遍采用。
（1）异重流的传播时间。异重流的传播时间是指异重流从潜入断面运行至坝前的时间，能否准确地掌握这一时间关系，并且能否充分发挥异重流的排沙效果，是水库管理中的重要问题。如果在异重流到达坝前的时刻，能及时开闸泄水，则可将异重流挟带的大部分泥沙排出库外。若开闸过晚，则异重流到坝前受阻，泥沙将在库内落淤；若开闸过早，则使库内储存的清水泄出库外，造成浪费。
异重流传播时间与洪峰流量和水库前期蓄水量的关系如下：
式中 To——从洪峰通过入库水文站到异重流运行至坝前的历时，h；
Wo——水库前期蓄水量，万m3；
Q——洪峰流量，m3/s。
（2）异重流的排沙泄量。异重流排沙泄量的选择，直接影响水库的排沙效果。据有关工程实测资料的分析可知，异重流排沙泄量与入库洪水的峰前水量，水库的前期蓄水量和排沙比存在下列关系：
式中 qo——异重流第一日的平均排沙量，m3/s；
W 1——入库洪水的峰前水量，万m3；
η——排沙比（%），即水库排出的总沙量（m3）与入库总沙量（m3）之比的百
分率。
（3）异重流的排沙比。据有关资料分析得异重流的平均排沙比与河底比降的关系为
式中 η——平均排沙比；
J——原河底比降。
思考题
1.水库有哪些类型？水库的作用有哪些？
2.水库蓄水之后对环境有哪些影响？环境状况对水库的功能和寿命有何影响？
3.水库管理的工作包括哪些内容？
4.水库调度包括哪几个方面？对水库调度工作有何要求？
5.水库控制运用指标有哪些？这些指标在水库控制运用中有何意义和作用？
6.水库兴利控制运用的目的是什么？
7.什么是兴利调度图？
8.年调节兴利调度图包括哪些内容？各有何意义？
9.各年调节水库兴利调度图与年调节水库兴利调度图有何异同？
10.什么是防洪控制运用？年度防洪控制运用计划编制中主要应做哪些工作？
11.什么是防洪调度方式？包含哪几种调度方式？
12.在确定防洪限制水位时应考虑哪些因素？
13.防洪限制水位的确定方法有哪些？
14.防洪调度图包括哪些内容？
15.防洪调度图有几种形式？不同形式的调度图各自的作用是什么？如何应用？
16.水库泥沙淤积与冲刷有哪些不同类型？
17.什么是溯源冲刷、沿程冲刷和壅水冲刷？
18.什么是异重流？
19.水库淤积防治的措施有哪些？
20.水沙调度的方式有几种？
21.泄洪排沙泄流量如何计算？
22.异重流排沙泄流量如何计算？
技术应用能力提升
一水库工程，最大坝高135m，有效库容5000万m3，库底比降0.5%，库容在一洪水期，入库前的流量为20m3/s，洪峰流量300m3/s，滞洪时间为12h，水库前期蓄水量3000m3，洪峰平均输沙率9000kg/s，水库回水长度35km。请设计排沙方案，并确定排沙流量。