黄河泥沙对山西中部引黄工程的影响分析

黄河泥沙对山西中部引黄工程的影响分析

随着人口的增加、经济的发展以及工业化和城市化进程的加快，水资源的缺乏已成为制约经济发展的瓶颈。水资源严重短缺的山西省,为解决这一制约全省经济社会发展的主要瓶颈,实施了“十二五”规划大水网建设。山西省中部引黄工程是山西省“十二五”规划大水网建设中的重要工程之一,包括取水工程和输水工程,取水口位于黄河北干流天桥水电站库区大坝上游左岸1.4km范围内,规划年供水6.02亿m3,其中黄河干流取水3亿m3,设计取水流量23.55m3/s,设计最低取水水位830.0m(黄海高程,下同),最高取水水位834.0m［1］,供给山西省3个市14个县。笔者在系统收集取水口附近有关的水文、泥沙、河道冲淤演变等资料的基础上,深入分析引黄工程取水口中存在的泥沙问题,为保证引水工程的正常运行提供建议。1干流来水来沙量变化黄河天桥库区内有县川河、清水川、皇甫川等3条较大支流汇入［2］,黄河干流入库站为河曲水文站,出库站为府谷水文站。天桥水电站上游万家寨水库于1998年10月开始蓄水［3］,拦蓄了上游绝大部分泥沙,进入下游河曲水文站的含沙量明显降低。表1给出了不同时期天桥库区干、支流水沙条件,时段划分考虑天桥水库运用方式、万家寨水库运用及水沙条件变化等因素。由表1可以看出,万家寨水库运用前1977—1998年,天桥水库多年平均入库水量为206.3亿m3,年均入库总沙量为1.717亿t,年均含沙量为8.3kg/m3。其中来自干流的年入库水沙量分别占年入库总水沙量的99.1%和66.0%,干流河曲站年均含沙量为5.5kg/m3;来自支流的年入库水沙量分别占年入库总水沙量的0.9%和34.0%。在支流中,皇甫川又集中了3条支流水、沙量的70%和75%［4］。图1给出了支流皇甫川皇甫站特征含沙量变化情况,可以看出1974年皇甫站最大含沙量为1570kg/m3,近期2006年皇甫站最大含沙量为1130kg/m3。天桥水库上游来水来沙量年内分布不均。1977—1998年汛期入库沙量为1.392亿t,非汛期为0.325亿t;汛期入库平均含沙量为15.5kg/m3,非汛期平均含沙量为2.8kg/m3。对于支流来讲,汛期来水来沙量占全年的88.1%和99.3%。在汛期来沙量中,干支流分别占58.4%和41.6%;非汛期水沙量几乎全部来自于干流。万家寨水库运用后1999—2003年,多年平均入库水量为120.6亿m3,年入库总沙量为0.232亿t(其中非汛期输沙量为0.052亿t、汛期为0.18亿t),年均含沙量为1.9kg/m3(其中,非汛期含沙量为0.6kg/m3、汛期含沙量为4.7kg/m3)。其中,来自干流的年入库水沙量分别占年入库总水沙量的99.3%和31.5%,干流河曲站年均含沙量为0.61kg/m3;2004—2011年干流河曲站年均含沙量为0.63kg/m3。可见,万家寨水库拦沙,使近期天桥水库入库沙量及含沙量明显降低。根据以上分析可知,万家寨水库运用前后,天桥库区年均入库沙量分别为1.717亿t和0.232亿t,年均含沙量分别为8.3kg/m3和1.9kg/m3。而目前万家寨水库已基本达到冲淤平衡状态［5］,水库对泥沙的调节能力很小,虽然其下游龙口水库于2010年10月刚开始蓄水［6］,但是因该水库库容有限,正常蓄水位898m时原始总库容仅有1.80亿m3,其拦沙库容更少,随着万家寨水库的排沙运用,龙口水库很快会达到冲淤平衡,天桥库区入库泥沙量将有所增加,其入库水沙量随天然来水来沙条件的变化而变化。2泥沙沉积分析根据雷诺数计算坝前段断面流态基本可分为四个区域,即紊流区、过渡区、层流区、库表及近岸的静止区。天桥库区坝前横断面水流结构分布［7］见图2,从图2可以看出,受水库蓄水体及发电的影响,坝前段主流区主要集中在河道中心部位且靠近河床底部,库表及近岸基本为静止状态。由此可见,水库运行期间,河岸边壁泥沙淤积不可避免。由于边岸流速很小,因此泥沙落淤后如果水流结构不发生大的改变,边壁沉积的泥沙很难被水流冲刷带走。坝前段泥沙淤积受天桥水电站运用方式影响很大,只有遭遇大洪水或天桥水库降低水位排沙时,河岸边壁沉积的部分泥沙才有可能被水流带走。为了进一步分析取水口附近水流流态及含沙量分布情况,图3给出了坝前段取水口附近断面自左岸到右岸的流速分布及含沙量分布情况［7］。由图3可知,河道左岸垂线平均流速明显大于右岸,靠近左岸30~130m河道中心处垂线流速最大,右岸近岸区域有大面积的静水区,左岸近岸区域也有部分静水区。从垂线流速及垂线含沙量分布看,垂线流速最大分布区域为水深的0.6~0.8倍处,垂线含沙量以底部含沙量为最大,越靠近水面含沙量越小,含沙量垂线分布不均,梯度相对较大,0.5倍水深处含沙量仅有底部含沙量的25%,垂线平均含沙量位置约在0.65倍水深处。3研磨法上泥沙量天桥库区取水口闸底板设计高程为827.3m,最高设计引水位834.0m,最低设计引水位830.0m。取水口位于天桥库区左岸,大河主流靠左岸,流速相对较大(垂线含沙量大小与水流的紊动作用有关,一般流速越大,水流紊动越强),含沙量也相对较高［8］。左岸取水口处垂线平均含沙量大小与大河平均含沙量接近,甚至还稍高于大河全断面平均含沙量。因此,山西省中部引黄工程,引水必引沙,引沙量多少视上游来水含沙量大小决定,特别是支流来洪水时含沙量很高,建议取水时避开库区含沙量较高的时段,以免造成引水隧道淤堵。4河道断面断面排水从取水口附近河道横断面(见图4)调整可以看出,取水口附近河底高程一般在822.0~830.0m变动,且水库运用前期河道断面淤积较为严重［9］,水库降低水位冲刷时,坝前段河道调整以左岸冲刷为主,对左岸引水较为有利。同时由于取水口进水塔闸底板设计高程为827.3m［1］,从2011年库区测淤断面看,左岸局部滩唇高程为830.0m左右,因此取水口附近局部河道淤积面有时会超过闸底板设计高程,从而造成引水口淤堵。当河道淤积面在闸底板高程附近时,引水还会将下层推移质粗泥沙带进引水隧洞。5不同混交方式影响人工取水工程山西省中部引黄工程从天桥库区左岸取水之后,首先进入引水隧洞,然后经过泵站提水,再进入输水隧洞。此过程中引水泥沙进入引水隧洞之后,一旦发生淤积再处理起来就非常困难,甚至会造成无法引水。依据分析,天桥库区泥沙会给取水工程带来两方面的影响:一是取水口附近河道局部淤积,滩面抬升影响取水;二是取水隧洞及长距离输水干支线隧洞泥沙淤积。目前,天桥库区上游万家寨水库淤积已接近冲淤平衡,近期即将转入排沙运用;随着万家寨水库转入排沙运用,龙口水库的淤积会有所加快,并且随着龙口水库运用时间的延