克孜尔水库泥沙淤积分析及排沙对策探讨

刘思海 侍克斌 张宏科 邢坤

摘要：为探明渭干河上游克孜尔水库泥沙淤积原因、减少水库淤积，对入库泥沙年际、年内的变化特点和粒径的沿程变化进行了分析，认为水库泥沙淤积严重的原因主要为：①入库水沙总量逐年增加：②水库现有排沙洞不利于干流泥沙排出：③水库运行方式不利于泥沙出库；④拦门沙坎的形成导致冲沙水量不足。水库排沙对策：①综合利用机械挖泥疏浚方案、导沙入河方案解决现有拦门沙坎及近坝段泥沙淤积问题：②采取在水库上游增建淤地坝以及开展水土保持工作等多种措施减少入库泥沙总量：③在干流木扎提河上游新建水库进行水沙联合调度。

关键词：水土保持；排沙對策；泥沙淤积；克孜尔水库

中图分类号：TV145

文献标志码：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018.07.005

1概述

1.1水库基本情况

克孜尔水库位于渭干河干流木扎提河与支流克孜尔河汇合口以下500m处，是渭干河上游已建成的最大的控制性水利工程。1959-2015年，水库多年平均来流量为77.4 m^3/s，多年平均来水量为24.41亿m^3，多年平均输沙量为1122万t，多年平均含沙量为4.6kg/m^3。水库水沙集中于汛期（6-8月），汛期人库水量占年水量的59%，汛期入库沙量占年沙量的88%。

1.2水库泥沙淤积危害

泥沙淤积是影响水库大坝安全运行和充分发挥综合效益的普遍问题。克孜尔水库白1992年建成运行以来，考虑到下游渭干河灌区的灌溉用水需求，一直遵循设计的水库运行方式，即水库初期滞洪运用，后期泄空排沙。然而，由于干流库区地形开阔不利于悬移质泥沙以异重流形式排出库外、灌区灌溉面积逐年增大以及种植结构改变等，因此水库实际淤积速率远大于设计值。根据2007年库区实测地形图计算的淤积量为1.79亿m^3，与水库设计运行20a的泥沙淤积总量1.26亿m^3相比，泥沙淤积总量超出0.53亿m^3，库区排沙减淤工作迫在眉睫。

2水库泥沙淤积分析

2.1入库泥沙年际、年内变化特点

泥沙变化不仅受降水、下垫面和人类活动等河道系统外因素的影响，还受到河床演变等河道系统内因素的影响 。为解决水库泥沙问题，必须深人了解入库泥沙的变化规律。

克孜尔水库泥沙年际变化情况：1959-1990年，坝址处年输沙量变化不大：水库建成后年输沙量变幅增大，最大为7198万t（2002年），最小为106万t（1974年），二者之比为67.9，输沙量变差系数Cv为0.95，建库前后输沙量年际变化较大。输沙量年际变化曲线见图1。

年内变化特点：1959-2015年，坝址处输沙量集中于汛期（6-8月），汛期多年平均输沙量为952万t，其余月份输沙量总和仅为131万t，约占全年输沙量的12%。汛期多年平均含沙量为8.44 kg/m^3，其余月份含沙量均值仅为1.16kg/m^3，二者比值为7.3，输沙量及含沙量的年内分配均极不均衡。见表1。

2.2入库泥沙淤积沿程颗粒分布

木扎提河入库泥沙沿程颗粒分布见图2。由图2可知：干流库区泥沙淤积主要分为距坝址11.8km以内中值粒径小于0.05mm的悬移质泥沙淤积及距坝址11.8km以外的推移质泥沙淤积：泥沙淤积三角洲顶坡中部位于距坝址11.8km处，符合淤积三角洲的泥沙淤积规律。

支流克孜尔河人库泥沙粒径的沿程变化见图3。由图3可知：中值粒径小于0.5mm的悬移质泥沙主要淤积在距坝址2.4 km以内的库区，推移质泥沙则淤积在距坝址2.4km以外的库区，淤积锥体中上部位于距坝址2.4km处。

综合分析干流、支流上游至下游悬移质淤积泥沙的中值粒径可知，随着距坝里程的缩短，泥沙中值粒径变小，这符合水库泥沙淤积沿程细化的空间分布规律 。推移质淤积泥沙的粒径分布则呈现出不连续性与不规律性，这与韩其为等的研究成果一致，原因应与水库冲淤交替变化有关。

2.3入库泥沙淤积原因

水库泥沙淤积形态及分布主要受流域泥沙特性、人库水沙过程和水库运行方式等因素的影响。结合克孜尔水库入库泥沙特性、排沙建筑物位置以及水库运行方式等情况分析，克孜尔水库泥沙淤积的原因主要可分为以下几个方面。

（1）入库径流量、输沙量总量逐年增大，水体含沙量较大且有增大趋势。以1964-2001年为研究时段时，坝址处年平均水量为24.96亿m^3，年均悬移质输沙量为931万t，年均悬移质含沙量为3.73 kg/m^3；以1992-2006年为研究时段时，坝址处年均水量已增大至26.96亿m^3，年均悬移质输沙量则激增至1510万t，年平均悬移质含沙量为5.60 kg/m^3。可以看出入库径流量增幅明显小于输沙量的增幅，无论是含沙量增大还是输沙量增大，都势必加剧水库泥沙淤积。

（2）水库排沙洞不满足水库排沙要求。克孜尔水库排沙洞由导流洞改建而成，达不到应有的排沙效果。排沙洞位于支流的凸岸，对干流、支流而言均不利于排沙。

（3）水库运行方式。水库设计时，坝址处水文泥沙资料序列不长且输沙量较建库后偏小，因此水库运行方式设计采用“空库迎洪，蓄清排浑”，水库运行前20a采取滞洪运用的方式，但是实际运行过程中人库泥沙远远大于设计工况，造成水库泥沙淤积严重。同时，为了满足水库下游渭干河灌区的用水要求，导致水库功能发生变化，且未能及时调整水库排沙运行的方式。

（4）拦门沙坎的形成。结合2001年、2003年、2007年库区实测地形图可以看出拦门沙坎的形成过程。水库运用至2001年，坝前干支流交汇处形成了一条高程为1126.5m的沙坎，但此时尚未形成拦门沙坎，干流库区与坝前库区在1124.0～1126.5m高程之间仍处于连通状态：随着时间的推移，沙坎持续向坝前推进，至2003年已演变成拦门沙坎，此时沙坎最低高程已达1127.0m，且已隔断干流库区与坝前库区，并在1124. 0～1126.5m高程之间与干流库区形成了一个蓄水量约76万m^3的盆地；在沙坎形成的第6a（2007年），淤积的支流泥沙延长了原有拦门沙坎的长度，使得干流库区拦门沙坎明显化，拦门沙坎底高程已升至1127.5m，干流库区与拦门沙坎间的盆地淤积厚度增加了1.0～1.5m，高程为1126.5～1127.5m，盆地蓄水量增加了258万m^3，增幅为239.5%，可见泥沙淤积速度之快。

2.4水库排沙条件

水库排沙效果主要受人库水沙条件、水库边界条件以及水库运行方式等因素的制约。了解水库排沙条件是提高水库排沙比的关键，克孜尔水库排沙条件如下。

（1）工程条件。现有水库排沙工程条件不理想，排沙洞尺寸及位置均无法较好地满足水库排沙要求。

（2）库区形态。水库拦门沙坎、盆地的存在严重制约着水库下泄流量及流速，水库在低水位排沙时仍难以取得预期的排沙效果，溯源冲刷的作用不明显。克孜尔水库干流库区地形复杂，河道存在较多的扩展、弯道及支流匯人等现象，削弱了干流异重流的行进能量，致使异重流无法行进至排沙建筑物处。

（3）河床比降。水库坝前出现的盆地及拦门沙坎导致坝前淤积面持续抬高，现状近坝段淤积比降小于原河床，不利于泥沙排出。

（4）水库淤积物。水库淤积物总数的88%为悬移质泥沙，利于水库低水位排沙，且对排沙洞底板的磨损较小。

3排沙减淤方案

克孜尔水库排沙的关键在于解决水库前期淤积泥沙问题以及减少未来水库入库沙量。解决水库前期淤积泥沙问题主要指解决拦门沙坎问题以及近坝段淤积泥沙问题，减少未来人库沙量主要考虑干流以及支流泥沙入库问题。

3.1解决前期淤积泥沙问题

研究表明 ：随着水库的运行，近坝段入库河流交汇区淤积沙坎将会进一步淤高，当库水位低于沙坎高程时，沙坎将会隔断干流，将库区分成上下两部分，影响水库的正常运行。整治拦门沙坎的主要方案 包括机械挖泥疏浚方案、防淤堤方案以及导沙人河和岸边挖泥槽方案。本节主要分析机械挖泥疏浚方案及导沙人河方案。

机械挖泥疏浚是解决克孜尔水库泥沙淤积的重要措施，可借助挖泥船与吸泥头结合的方式进行，现阶段使用挖泥船疏浚的实际成本为4～8元/m^3，中标单价为6～10元/m^3 。按照克孜尔水库实际淤积泥沙总量计算，最高需0.178亿元，这对于水库管理单位是一笔十分巨大的经济投入，因此仅采用机械挖泥疏浚方案是不太合算的。

导沙入河方案的治理目标是将支流克孜尔河的入库泥沙尽可能导入水库下游渭干河河道，减缓坝前淤积。克孜尔水库现已实施导沙人河方案，在支流克孜尔河上游修筑导流堤，将来水挑向河道左岸，水流沿左岸顺势而下，再由顺坝将水流导入人工排沙明渠，最后经坝前350m出口流人坝前导流兼排沙明渠至坝前。该方案实施以来，水库年均排沙量比未采取措施时提高5倍，水库汛期维持在1140.0m水位以下运行时，排沙效果约为未采取措施时的6倍，且在支流克孜尔河库段形成沿淤积三角洲顶点向上游发展的溯源冲刷，形成长6.0km、宽40.0m、平均深度3.0m的冲刷槽。

机械挖泥疏浚方案和导沙人河方案相结合可有效缓解坝前泥沙严重淤积所造成的危险局面，对水库进一步治理泥沙淤积问题具有先导作用，也可为水库转变运行方式创造条件。

3.2减少入库泥沙

研究表明，拦沙坝的建设可有效解决河流泥沙入库问题，具有显著的社会及经济效益。木扎提河上游出山口至水库坝址处为克孜尔水库的主要产沙区，此区间位于山前冲积带，植被覆盖率低，分布有大量山洪沟，暴雨期山洪沟洪水携带大量泥沙汇入木扎提河。在木扎提河各主要山洪沟上兴建拦沙坝，可以有效减少克孜尔水库来沙量，达到减淤目的，同时起到稳固河床及边坡的作用。建议在克孜尔水库上游建设大、中、小相结合的拦沙坝，以小流域为单元建设层层拦截的拦沙坝系，起到拦沙、削峰、滞洪和上拦下保的作用。

提高上游植被覆盖率即实施水保固土措施，通过减少河道两岸岸坡土石脱落总量，可达到减少入库泥沙的目的。韩晓燕等 研究发现，植被覆盖率与水土保持效益间不是简单的线性关系，只有当植被覆盖率达到一定程度时，才能起到防治土壤侵蚀的作用：当植被覆盖率超过某一程度时，植被的水土保持功能几乎不随覆盖率的增大而增强。韩鹏等 认为，黄河流域植被覆盖率提高到15%以上时水保效益较显著，植被覆盖率超过45%时植被已不能对水土保持产生明显的作用，综合认定适宜的植被覆盖率应为25%。徐婷等通过整理克孜尔水库下游渭干河流域1989-2007年植被覆盖率数据发现，植被覆盖率呈微弱上升趋势，其归一化植被指数NDVI年均值为0.1452，年均增长率为0.21%。综合以上研究，鉴于克孜尔水库上游人烟稀少，属于自然环境条件，其植被覆盖率应低于渭干河灌区植被覆盖率，远远未达到水保固土的植被覆盖程度，故应提高水库上游植被覆盖率，以减少入库泥沙总量。

3.3水库远期排沙运行方案

从克孜尔水库来水来沙条件分析，汛期融雪洪水占有很大比重，但洪水量级相对较小。当发生暴雨洪水时，尽管洪水量级较大，但由于水库承担防洪任务，因此不仅不能利用暴雨洪水进行排沙，而且将暴雨洪水携带的大量泥沙淤积在库内。所以，缺少量级较大而又不对下游防洪产生影响的洪水进行排沙，是克孜尔水库排沙效率低的又一重要原因。

克孜尔水库泥沙淤积问题如不解决，水库将不能满足下游用水要求。为满足下游用水需求，有必要兴建有一定调节能力的水库。干流木扎提河来水来沙总量大，在其上游兴建水库，不仅能满足下游用水要求，而且可以利用上游山区水库产生人造洪水，用于克孜尔水库排沙。建议在目前渭干河流域用水已发生重大变化的情况下，重新进行渭干河流域规划，将流域多库水沙联合调度作为一项重要内容，彻底改变克孜尔水库泥沙几乎只淤不排的现状，使渭干河流域调水调沙走向良性循环。

4结论

克孜尔水库泥沙淤积严重的原因主要为：①入库水沙总量逐年增加：②水库现有排沙洞不利于干流泥沙排出；③水库运行方式不利于泥沙出库：④拦沙门坎的形成导致冲沙水量不足。水库应遵循“上拦下排”原则，综合利用机械挖泥疏浚方案、导沙人河方案解决现有拦沙坎及近坝段泥沙淤积问题，采取水库上游增建淤地坝以及开展水土保持工作减少入库泥沙总量，多种手段并用进行水库排沙减淤。考虑到渭干河下游灌区灌溉需水量连年增加，以及水库淤积严重导致现状蓄水能力严重不足，有必要在干流木扎提河上游新建水库进行水沙联合调度。