册田水库清淤方案设计与研究

冯亚辉，李书友

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300202；2.南水北调中线实业发展有限公司，北京 100176)

1 水库概况

册田水库位于山西省大同县境内，属海河流域永定河水系，是桑干河干流上山西省出境处的控制工程。册田水库是一座以城市供水、灌溉和防洪为任务的大(Ⅱ) 型水库，防洪标准为 100 a设计，2000 a一遇校核，下游防洪标准为 20 a一遇，允许安全泄量 1 500 m3/s。册田水库下游为官厅水库，坝址以上控制流域面积 1.67万 km2，占官厅水库以上总流域面积的 38.5%。水库设计总库容 5.8亿 m3。水库枢纽工程由大坝、正常溢洪道、非常溢洪道、浆砌石重力坝等组成。水库位于官厅水库和北京市上游，位置十分重要，水库的安危直接关系到北京市和下游人民群众生命财产的安危。水库最初建设就是作为官厅水库的拦沙水库。册田水库1960年建成，1970年进行二期扩建，至1976年完成了土坝和溢洪道施工，扩建后坝顶高程961.5 m。

2 水库调度

水库调度运用原则为：水库汛限水位956.00 m；水库洪水位低于956.31 m时，水库只开启正常溢洪道，并控制下泄量不超过1 500 m3/s，保障下游村庄、农田安全；当水库洪水位达到956.31 m，开启正常溢洪道、非常溢洪道(两孔闸门)进行泄洪；当水库洪水位达到957.57 m时，开启全部泄洪设施，保证大坝安全。

水库水位-库容关系曲线见图1所示，库容-面积关系曲线见图2所示，水位-泄量关系曲线见图3所示，调洪成果见表1所示。

图1 册田水库水位-库容关系曲线

图2 册田水库水位-面积关系曲线

图3 册田水库水位-泄量关系曲线

表1 册田水库调洪计算成果表

3 水库清淤的必要性

册田水库1960年运用，至今已建成60 a，从未进行过清淤。水库原设计总库容5.8亿 m3，淤积库容3.6亿 m3，目前水库淤积量已达到2.5亿 m3，占到总库容的40%以上，占淤积库容的70%，如未来遭遇连续大水、大沙年，会严重影响水库的防洪安全；且由于水库淤积影响，水库汛限水位一直运行于低水位，2019年汛限水位953 m，2020年降到952.8 m，以保有效库容，保证下游官厅、北京防洪安全。

水库淤积导致库区床面整体抬高，且淤积末端上延，河道纵坡变缓，抬高水库回水，河道水位也会受到影响，势必增加河道和库区的淹没、浸没影响，滩涂及两岸农田的防洪安全也会受到影响。坝前堆淤特别是锥体淤积，将增加作用于水工建筑物上的泥沙压力，影响坝体的稳定性。另外，随着泥沙淤积，上游面源的化学物质在库里沉淀， 将污染水质，水质的富营养化，并影响水生生物的生长。

实施水库清淤是水库增效扩容的重要手段，可以增加水库库容，提高水库调度的灵活性，更有效的配合下游官厅水库运用和保障北京安全。水库清淤同时可以增加行洪断面，减小对河道自然水位的影响，保障两岸群众及耕地的安全；淤积泥沙可资源化利用，部分淤积物可作为有机肥料或建筑用砂，降低清淤成本。

综上所述，册田水库清淤不仅必要而且紧迫。

4 水库来沙及淤积情况

册田水库以上的来砂量很大。汛期沙量一般可占到总输沙量的70%～90%。它的年际变化比年径流大。如1939年悬移质输沙量估计达到12 853万 t，而少沙年尚不足100万 t，可差百余倍。册田以上来沙以黄土丘陵及土石山区最多，多年平均侵蚀模数在5 000 t/km2上下。平原区较小，仅只几百吨每平方公里。按地区分，产沙量最高的是同浑铁路以西的恢河、源子河、十里河、淤泥河一带，其次是浑河。

我公司(原水利部天津水利水电勘测设计研究院)于1984-1988年期间进行了册田水库除险加固的勘测设计工作，在此过程中实测了册田水库库区地形及大断面。根据1984年实测结果显示，当时大坝坝前库底高程淤积深度24.8 m，从建库前的920 m抬升到944.8 m；坝前向上游10 km淤积深度10 m；坝前上游20 km处淤积深度7 m；坝前向上游30 km处淤积深度达2.8 m，淤积范围至固定桥，总淤积量约2.1亿 m3。2009年，我公司又实测了册田水库库区大断面，根据断面比对数据显示，2009-1985年水期间水库淤积量为0.27万 m3，淤积主要发生在距离坝址10 km以上断面至固定桥，其中淤积厚度较大的是距离坝址15 km和25 km附近，在1985年库底纵断起伏位置。至固定桥断面河床基本与85年持平，未发生明显淤积。2009年以后受气象水文因数影响，桑干河河道上游并未来过大水，且近些年上游陆续开展生态修复和水土保持建设，水土流失大幅减小，入库沙量很少。

根据实际情况分析，目前，册田水库的淤积量估计在2.5亿 m3左右。

5 水库清淤方案设计

依据《公路安全保护条例》(国务院令第593号)第二十条“禁止在公路桥梁跨越的河道上下游的下列范围内采砂：(一)特大型公路桥梁跨越的河道上游500 m，下游3 000 m；大型公路桥梁跨越的河道上游500 m，下游2 000 m。”第二十一条“在公路桥梁跨越的河道上下游各500 m范围内依法进行疏浚作业的，应当符合公路桥梁安全要求，经公路管理机构确认安全方可作业。”

水库库区末端建有固定桥，桥长460 m，为大桥规模；在距离固定桥下游12 km处有天黎高速峰峪特大桥一座，桥长1 000 m。为保证天黎高速公路桥安全，本次清淤对于峰峪特大桥上游500 m，下游3 000 m及固定桥下游2 000 m不进行清淤。

5.1 清淤方法

水库清淤目前有分流排沙、降落水位冲沙和水下疏浚三种方法。分流排沙和降落水位冲沙既浪费水资源，清除淤沙效果也不理想，本次清淤采用水下疏浚方式。水下清淤方案主要是应用在一定水深条件下的水库、湖泊及河道的淤泥清理。对水库而言，水下清淤的施工方案多，主要有抓斗式挖泥船、挖泥船及气动泵船等施工设备，其技术要求较高，需要专业人员施工，淤泥清理单价较高，但清理较彻底，清淤效率较高。

表2 水下清淤方案比较表

绞吸式挖泥船是内河、湖泊、港口等疏浚工程常用的一种船舶。它是利用装在船前的绞刀，将河床泥沙进行切割和搅动，通过船上离心泵产生的吸人真空，使泥浆沿着吸泥管进入泥泵吸入端，再经泥浆泵离心力将泥浆压入排出端，沿着排泥管送到指定的卸泥区。它的挖泥、运泥、卸泥过程可以一次连续完成。环保绞吸式挖泥船方案采用面式开挖，清理较彻底，清淤效率较高，但淤泥清理单价较高。为尽可能降低清淤对河道、周边环境的影响，本次采用环保绞吸式挖泥船方案进行清淤。

5.2 清淤范围

本次拟定两个清淤范围进行比选，一是按校核水位960 m以下淹没范围实施清淤，清淤范围从大坝至固定桥，跨河桥梁留出保护范围，清淤长度约27 km；二是按水库正常蓄水位952 m以下淹没范围实施清淤，清淤范围从大坝至峰峪桥下游，跨河桥梁留出保护范围，清淤长度约17.5 km。桑干河大同境内河道平均纵坡为1.2‰，大坝建成后，坝上游河道纵坡减缓，现状纵坡0.6‰，本次按河道平均纵坡1.2‰设计库底纵断面实施水库清淤。水库淤积断面及设计清淤纵断面见图4所示。

图4 水库淤积及设计清淤纵断面

表3 两个清淤方案工程量及投资比较表

根据清淤方量和清淤费用等因素综合比较分析，本次推荐正常蓄水位以下范围实施清淤，清淤方量1.33亿 m3。

6 结语

实施册田水库清淤工程意义重大，能够增加水库有效库容，提高水库调度的灵活性，更加有效的配合下游官厅水库运用和保障北京安全；开展册田水库清淤具备技术可行性，将为防洪减灾、改善库区生态环境、促进水资源可持续重要作用。