谈谈汾河水库泥沙清理问题

（山西水投汾河水务有限公司)

1 汾河水库概况及功能

汾河水库位于汾河上游娄烦县境内，距汾河源头122 km，距省城太原市83 km，控制流域面积5 268 km2，总库容7.33亿m3，是一座以防洪、灌溉、供水为主，兼顾发电、旅游等综合应用的大（2）型水利枢纽工程。1958年动工兴建，1961年正式投入运行。库区回水最大长度18 km，最大宽度2.5 km，最大回水面积32 km2。水库标准为100 a一遇洪水设计，2 000 a一遇洪水校核。

水库枢纽主要由大坝、溢洪道、泄洪洞、输水洞及水电站等建筑物组成。大坝为水中填土均质坝，坝顶高程1 131.40 m；溢洪道由7 m×12 m的两扇弧形门控制，堰顶高程1 122 m，最大泄量1 111.5 m3/s；1995年4月建成的泄洪排沙洞位于大坝右岸，洞径8 m，洞身总长1 213.25 m，进口高程1 086.20 m，最大泄量782 m3/s；输水洞亦位于大坝右岸，洞径4 m，洞长598 m，进口高程1 089.40 m，最大流量142 m3/s；坝下水电站，装机容量2×6 500 kW，目前正在新建的生态用水发电机1组，装机容量1 600 kW，建成后可充分利用生态放水小流量发电；2003年建成的引黄输水洞也位于大坝右岸，洞径3 m，洞长433 m，最大引水流量20.5 m3/s。

汾河水库担负着省城太原市的铁路枢纽、航空运输、太钢等大型工矿企业以及下游3市18个县（市、区）千百万居民生命财产安全的防洪任务。建库近60 a来，拦蓄超过1 000 m3/s以上的致灾洪水12次，实现防洪减灾效益达40多亿元。

汾河水库还担负着太原、晋中、吕梁3市10万hm2农田灌溉供水及太原一电厂、太钢尖山铁矿、西山煤电集团等大型工矿企业的工业供水任务。同时，承担着引黄工程水调蓄与省城太原市居民生活供水安全任务。

2 水库淤积状况与综合治理

2.1 历年来水量与淤积量

1960-2018年，汾河水库累计来水量195.49亿m3（其中不包括从2002年开始的引黄工程补水量），最小年来水量1.06亿m3（2001年），最大年来水量12.76亿m3（1967年）。近60 a来，为下游工农业生产及城市生活供水量165亿m3，累计弃水14亿m3，蒸发渗漏损失约16亿m3。

自建库以来，由于坝控范围内水土流失严重，造成大量泥沙淤积，有效库容迅速减少。据统计，至2016年底，总淤积库容达3.87亿m3，占总库容52.8%；年最小淤积量0.003 3亿m3（2004年），年最大淤积量0.602亿m3（1962年）；坝前淤积高程已达1 104.42 m（相应坝高34.42 m），高出4 m径输水洞进口底部15.02 m；库区淤积三角洲已侵占有效库容8 694万m3。历年来水量及淤积量详见表1，来水量与淤积量动态变化见图1。

续表1 汾河水库历年来水量及淤积量统计表

图1 汾河水库来水量与淤积量动态变化

2.2 库区淤积形态

水库建成经过近60 a来蓄水运用，形成了大量泥沙淤积后，库区地形基本呈盆地形状，库底左侧至右侧淤积面基本呈水平状态。坝前原始河床高程1 070 m，现坝前淤积高程达1 104.42 m；库区末端河床基本变化不大，高程1 129.60 m，至坝前绝对高差25.18 m；回水长度18 km，纵断面坡度1.40‰，基本呈平缓状态。

2.3 水库淤积防治成效

汾河水库是省城太原最为主要的供水水源，针对泥沙淤积严重的实际，为保证供水安全，1988年省委、省政府决定对库区上游的宁武、静乐、岚县、娄烦4县进行水土流失治理，具体采用工程措施与生态措施相结合的办法。经过一二期治理，至2008年底已治理水土流失面积1 900 km2。在工程措施上：共修筑淤地坝123座，控制流域面积787 km2，可拦蓄泥沙6 104×104t，可发展坝地10.76 km2；整治滩地237处，有效面积68.61 km2；坡地修梯田303.41 km2；库区上游河道整治81 km，保护耕地18 km2。在生态恢复措施上：营造水土保持植被面积1 319.33 km2，其中防护林1 091.22 km2，经济林89.4 km2，护坡草地60.92 km2，封闭管理生态自然修复77.79 km2。

通过实施上述综合治理措施，有效地减少了进入水库的泥沙量[1]。从图1可以看出，淤积量随时间推移呈现下降趋势，这其中虽有天然来水量（不含引黄补水）减少因素的影响，但主要是汾河水库上游各项水土保持措施起到了显著的拦沙效果。事实证明，水土流失防治对于保护水土资源、改善生态环境和水库水质、减少水库泥沙淤积发挥了重要作用。

3 水库历年排沙情况

随着时间推移，水库的总淤积量仍呈不断增加态势，直接影响着水库的正常运行和预期效益发挥。同时，由于淤积量增大，蓄水位抬高，影响库区周边农民群众生产生活。因此，需要研究合理的淤泥清理技术。

3.1 运用过程自然排沙

汾河水厍于1959年7月开始拦洪蓄水，1961年6月正式竣工投入运行。1995年8 m径泄洪排沙洞建成前，只能利用4 m径隧洞排沙。由于汾河洪水暴涨暴落，挟大量泥沙流到水库回水末端，然后以潜流异重流型式向坝前流动。1966年以前，因输水洞口比原河床高出19.4米（河床高程1 070 m，4 m径输水洞底高程1 089.4 m），异重流运行至坝前时，一般情况下泥沙排不出库外，入库泥沙基本上全淤积在厍内。只有在大洪水时，泥沙在水库底部形成混浊水体，在混水面高出洞口时，有少部分泥沙排出库外，如1964年排出库外泥沙0.054万t。自1967年坝前淤积高程与输水洞口齐平之后，每年均有少部分泥沙从4 m径洞口排出。

3.2 异重流排沙情况

汾河水库运用初期，由于对泥沙问题认识不足，没有很好考虑水库淤积与泥沙利用问题。随着水库泥沙淤积与用水量的矛盾发展，从1967年开始利用洪水进库实施异重流排沙。至1977年，共进行了19次试验，异重流总排沙量达412.27万t，最大排沙比20.75%，最小排沙比0.33%，平均排沙比3.72%（详见表2）。

从表2可以看出每次的排沙情况。实践证明，当异重流发生时，有意识地结合灌溉用水进行排沙，是可以提高排沙效果的，但排沙效果不够显著，平均排沙比仅为3.72%。分析其主要原因：库区回水较长，纵坡平缓，泄流规模小，库区淤积面上不可能出现深槽，在没有其他辅助机械作用下，只靠异重流排沙，虽可以解决一些问题，但所占比例很小。

表2 汾河水库19次典型洪水排沙情况表

4 水库淤积清理技术

随着经济社会的快速发展以及水污染的加剧，加上河道的一些自然属性，水库泥沙淤积已成为一个急需解决的问题。多年来，在全球范围内都对水库淤积泥沙处理进行研究探讨。水库清淤，按能源一般分为：水力排沙、水力冲刷和机械清淤三类；按泥沙去向可分为：向下游河道排沙和机械运输泥沙至预定位置。

向下游河道排沙是利用水库水头差作为排沙能源或利用外加能源，利用水库上下游水位差，将泥沙排至水库下游河道，适用于水资源丰富的水库；机械运输是用挖泥船或泥浆泵等机械将泥沙挖出，脱水固化后运至预定位置，适合于水资源特别宝贵的水库。

5 结论与分析

山西作为一个缺水大省，向下游河道排沙需大量的水资源。从表2可以看出，异重流向下游平均排沙比只有3.72%，不仅排沙效果差，而且排出的泥沙会对下游河道造成淤堵和污染，不利于山西人民母亲河—汾河的生态环境保护，与汾河的治理目标“水量丰起来、水质好起来、风光美起来”相去甚远，同时对黄河流域生态保护和高质量发展也会形成负面影响。因此，汾河水库宜选择机械运输清淤，虽然这种方式挖淤和运输费用较高，但若能导入多元化处理，针对水库淤泥现场取样，并进行物化检测，根据其物化性质确定合适用途，不仅可有效清除淤泥，且可使泥沙资源有效再利用。