石頭河水庫含沙量模擬及分層取水方案研究

王 潔，劉 羽，任 劼

（1.陜西省石頭河水庫灌溉中心,陜西 西安 712000；2.西安理工大學,陜西 西安 710048）

1 工程概況

石頭河水庫位于陜西省寶雞市眉縣縣城正南15 km的秦嶺北麓斜峪關,水庫控制流域面積673 km2,多年平均徑流量3.54億m3。水庫壩高114 m,壩頂高程808 m,總庫容1.47億m3,防洪庫容0.31億m3,防洪限制水位798 m,正常高水位801 m,多年平均調節水量2.7億m3,輸水洞設計流量70 m3/s,灌溉面積37萬畝。水庫樞紐工程是20世紀70年代開工建設的一座以灌溉為主,結合發電、防洪、水產養殖等綜合利用的大（2）型水利工程。20世紀90年代以來,隨著我國改革開放和城市化進程的加快發展,石頭河水庫的功能發生重大變化,其主要任務從農業灌溉轉為向西安、咸陽、楊凌、寶雞等關中城市重要城鎮供水。目前,石頭河水庫已成為以城市供水為主,兼具農業灌溉、發電、防洪、水產養殖等多種功能的重要水利樞紐,成為陜西省關中西部地區重要的城市供水水源地。由于水庫地勢較高,具備自流供水條件,是我省關中地區逐步實現南水北調解決渭北旱塬缺水問題的工程措施之一,“關中水塔”戰略地位凸顯,為受水城市的高質量發展提供有力支撐[1]。

2 分層取水必要性分析

石頭河水庫最初設計功能是以農業灌溉為主,采取深層取水方式,取水口高程為722.00 m,取水的水質、水溫比較穩定。1996年石頭河西安供水工程建成后,石頭河水庫開始向西安供水,年設計供水量1.0億m3,水庫功能逐漸轉變為以城市供水為主,對供水水質提出了更高的要求。為提高水庫供水的興利水頭,取水口位于高程較低、水深較大的底部。多年監測結果表明,在供水過程中石頭河水庫基本能保證供水水質符合地表水I類水質標準。但是由于水庫是底孔出流,導致在個別年份的汛期水庫所在流域發生特大洪水時,洪水攜帶泥沙進入水庫,盡管水庫表層的水是清的,但是水庫底部取水的濁度較高,對供水產生影響,使受水城市社會效益受損,同時加大了受水城市水廠的處理成本和效率,嚴重影響水庫綜合效益。

水庫持續供水對城市高質量發展具有不可忽視的重要作用,供水水質和供水率是保障城市用水的關鍵[2]。石頭河水庫汛期一般濁度較為穩定,基本符合供水要求,但是在特殊情況下會面臨濁度較高的問題,例如1998年汛期深層水濁度受到洪水影響,導致向西安供水停供一月有余,西安市啟用了備用水源石砭峪水庫進行應急供水。但水庫供水的其他城市,特別是咸陽、楊凌當時并無地表水備用水源,汛期供水一旦中斷,將會因城市缺水引起恐慌,影響區域社會的和諧穩定,也影響供水單位的經濟效益和受水城市的經濟社會發展,同時會加大受水城市水廠的凈水處理費用。2021年汛期洪水對受水城市影響50多天。在近二十多年里由于汛期洪水導致濁度增大,各受水城市供水企業多次與石頭河水庫管理單位交涉,期望采取措施改善。加之,受水城市發展較快,人口、企業增加迅速,用水量逐年顯著增長。分層取水作為水庫管理的新思路、新方法,可以在汛期選取不同的取水高度,保障將優質的水資源供應給人民生活和城市發展,是解決石頭河水庫汛期供水問題的有效路徑,可以提高石頭河水庫的汛期供水保證率。因此,開展石頭河水庫分層取水研究非常必要。

3 分層取水口設計研究

3.1 石頭河水庫洪水過程模擬

為確定分層取水的高度,首先對石頭河水庫某次洪水過程中的進行模擬,以初步判斷不同深度、不同位置水體的含沙量變化過程。通過ARCGIS軟件將石頭河水庫的CAD圖制成xyz地形文件,將制成的地形文件導入到MIKE3中生成水庫地形,通過MIKE3中的網格生成器生成網格,并進行加密和修改見圖1（a）,將文件導入MIKE3中生成離散數據,結果見圖1（b）。

圖1 石頭河水庫網格圖

本次模擬選用的是MIKE3中的HD水動力模塊與MT泥模塊,選取2021年9月25日～9月28日八年一遇洪水工況的作為模擬對象,將該日期的水庫數據分別制成時間序列文件,導入到MIKE3軟件當中,部分模擬結果見圖2。

隨著入庫水量的增加以及洪水過程的演進,庫區泥沙整體呈現從庫尾向壩前移動的趨勢。圖2（a）為2021年9月25日上午6時泥沙含量云圖,該階段屬于洪水過程早期,入庫流量為152 m3/s,此時泥沙主要位于庫尾,庫區內及壩前含沙量極低。隨著洪水過程的推移,在9月26日上午6時,庫區含沙量出現較大變化,如圖2（b）所示,庫尾處略有下降,但是泥沙侵入距離已達近3000 m,此時壩前含沙量略有提升,但是含沙量依然較低。在洪水過程末期,石頭河水庫整體含沙量較高,尤其在距離壩前600 m～2000 m處,含沙量超過8.4 kg/m3,而隨著壩前泥沙聚集與推移,含沙量再次增加,達到1.2 kg/m3～1.8 kg/m3,這也是導致濁度較高的主要因素。

3.2 壩前不同深度含沙量模擬

分層取水中最為關鍵的即為確定取水口數量和高度。通過分析石頭河水庫在某次洪水過程中的變化,對掌握庫區濁度變化規律具有重要意義[3]。為探索取水口處不同高度含沙量的變化,對2021年9月25日～9月28日洪水工況泥沙沉積兩天后和五天后的含沙量分布進行模擬,以期為石頭河水庫分層取水高度的確定提供理論依據,仿真結果見圖3。

圖3 取水口斷面的仿真圖

圖4 石頭河水庫疊梁門式建設示意圖

圖6 石頭河水庫分層取水塔建設示意圖

由圖3可知,壩前含沙量的變化呈現出中間低兩邊高、頂部低底部高的特點,隨著洪水過程的結束,泥沙持續在壩前進行堆積,且隨著時間的推移,含沙量逐漸變大。在泥沙沉積兩天后,780 m～800 m高程部分區域內的含沙量相對較低；泥沙沉積五天后,775 m～800 m高程部分區域內含沙量相對較低,可以滿足取水要求。

4 分層取水方案分析

分層取水的改造型式眾多,常見的型式有斜臥式、塔式、套筒式、浮式、活動式等,不同分層取水型式的效果、適用條件、投入成本均不同。斜臥式一般適用于水深較小的水庫；塔式可適用于大型水庫的取水,且取水充足,但對地形施工技術要求較高；套筒式結構較為復雜,操作困難；浮式對于地形的適應能力強,結構簡單,但易受風浪影響；活動式同樣對地形要求小,成本低且能夠抵抗一定風浪,但取水量偏少。在分析石頭河水庫庫區特點、建設需求、地形條件的基礎上,本文初步提出了疊梁門式、活動式及新建放水塔三種取水方案。

4.1 疊梁門式分層取水方案

疊梁門取水結構是在取水塔內設置多節可豎向升降的疊梁門,每節疊梁門均可通過機械提升或液壓的方式升降,根據水庫水位變化,升降相應疊梁門節數,可實現水庫分層取水的目標[4]。疊梁門等閘門式分層取水工程方案在國內外水利工程中均有大量成熟的應用實例和經驗,因此采用疊梁門式分層取水方案可有效提高石頭河水庫分層取水工程實施的可靠性。石頭河水庫死水位高程為728 m,校核洪水位為802.52 m,正常使用時通過現有取水孔進行取水能夠滿足取水需求。根據模擬結果,洪水侵襲時,底層水體濁度大,高程780 m以上水體滿足供水要求,疊梁門位置設置在壩體前140 m現有取水口處,單個標準疊梁門尺寸3000 m×3000 mm,分層取水控制段長為2.65 m,疊門梁底板位置應設置在高程780 m處,且與現有塔體相連,開啟不同高度的疊梁閘門可在汛期獲取優質原水,共需設置11節疊梁門,工程量較為巨大。

4.2 活動式分層取水方案

活動式分層取水利用可活動的壓水管管道,通過適應水位變化的取水構筑物,允許對水體分層取水,但易受到風浪、飄木、浮筏等因素影響,取水可靠性較低[5]。常用的活動式分層取水方式主要有浮船式和纜車式,浮船式分層取水方式又可分為自航式和停泊式兩種,自航式一般為船艙內裝有內燃機的船只,可根據取水需要進行游蕩取水；停泊式不具有動力設備,造價更低,應用相較于自航式也更為廣泛。纜車式主要通過建造于岸坡上的纜車吸取水體表層水。對于石頭河水庫而言,纜車式與潛水泵式均難以滿足取水要求,因此可采用浮船式進行分層取水,由于石頭河水庫校核洪水位和死水位間相差約32 m,為保證浮船活動范圍,錨固船體所用連接鋼繩長度設置為40 m,最小破力不得小于30 kN,根據取水流量需要,浮船上安置4個DN900管徑的活動式取水軟管,并設置2個DN1500管徑鋼管將原水輸送至壩后消能池。經計算浮船長約22.8 m,寬約13.8 m,高約4.23 m,內設泵房、配電室、檢修室等,采用活動板房形式,主體材料采用8#C型鋼,設計供水量為6.6 m3/s。

4.3 新建放水塔

為滿足分層取水要求,石頭河水庫也可采用新建放水塔的形式實現分層取水,為滿足地基承載力的要求,將新建放水塔設置在石頭河水庫右岸壩坡基巖處。

分層塔式進水口采用鋼筋混凝土建造,塔身根據水庫水體分層情況設置多層進水口,采用工作閘門取水。根據MIKE3軟件模擬初步在780 m、788 m、795 m三處設置取水孔,每個進水口尺寸為4 m×5.5 m,設計引水流量21 m3/s,塔身采用內徑9.0 m、外徑10.6 m的井筒型式,塔體高度84 m,其中高程750 m以下為基巖豎井,750 m以上為四周臨空的塔筒,塔內依次布置攔污柵段、閘門室段、通氣孔等,并設置內徑為2 m的輸水隧洞連接新建放水塔與原有輸水隧洞。

4.4 分層取水設計方案比選

分析石頭河水庫分層取水改造方案在不同指標下的表現能夠有效反映各方案優劣,有助于選擇最佳方案。根據常見的方案比選形式,從技術風險、經濟成本、社會環境等多方面對各方案進行探討,結果見表1,從結果可知,活動式分層取水方案結構簡單,施工難度低,技術風險小,社會環境影響程度低,經濟成本小,適合作為石頭河水庫分層取水改造方案。

表1 分層取水設計方案對比表

5 結語

本文針對石頭河水庫工程,采用MIKE3軟件對某次洪水過程中庫區的含沙量變化進行了模擬,并將含沙量作為濁度變化的主要影響因素,確定了三個較為合適的分層取水口,設計了三種分層取水方案,并對三種方案進行了比選,確定了最優分層取水方案為活動式分層取水。研究成果可為石頭河水庫及類似工程的分層取水方案設計提供參考。