宝鸡峡林家村渠首水库运行方案研究
陈雪梅 王寿茂 刘贵雄
（陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局 陕西咸阳 邮编712000）
1 引言
曾享誉全国的陕西宝鸡峡引渭灌区，位于陕西省关中平原西部，分别从宝鸡市林家村、眉县魏家堡引渭河径流，按自然地形分塬上、塬下两大供水系统，设计总引水能力95 m3/s总控制面积2355平方公里，灌溉宝鸡、咸阳、西安三市十四县（区）的291.56万亩农田，是陕西省最大的国有灌区。灌区工程宏伟，有总干渠和干渠6条，长413公里，支渠69条，长713公里，原有中型水库5座，总库容2.2亿m,有效库容1.12亿m，国营抽水站21座，装机86台机组,总容量25124万千瓦，水力发电站5座，总装机2.59万千瓦，其中魏家堡水电站位于塬上总干渠K84＋365处，系利用塬上灌溉工程引、输水设施和塬下魏家堡渠首间百余米地形落差，引用非灌溉期渭河来水及灌溉期塬上向塬下灌区补水进行发电的渠道式水力发电站，电站设计引水流量为23.55 m/s，设计水头96.2 m,装机3×6.3MW，年发电量9200万 KW·h。灌区自1970 年建成投运后，彻底改变了关中西部渭北旱原的农业生产条件，使其成为省重要的农业生产基地，对陕西省国民经济起着举足轻重的作用。然而由于渠首无调节能力，加上上游对渭河水源不断的开发利用，自80年代以来，林家村渠首平均径流为17.23亿m3,下降27%，使灌区缺水问题显得十分突出，年均缺水4.09亿m3，年最大缺水6.45亿m,地下水超采年约1.6亿m,连年受旱面积都在百万亩以上，灌区发展受到严重制约。陕西省九五期间重点工程之一宝鸡峡林家村渠首加坝加闸水利水电工程建成与投入运用（以下简称林家村水库），改善了渠首的引水条件，将大大提高灌区调蓄能力,可谓灌区持续发展的生命线。但是，渭河林家村以上多年平均输沙量1.47亿吨，而总库容仅有0.5亿m3，库小沙多，泥沙问题十分突出，稍有不慎、或单纯追求近期效益，都将造成水库的湮废。因此，确定合理科学可行的水库运行方案，并与灌区干库联合调度运用，达到有效减少水库淤积，最大限度发挥水库综合效益的目的，将是本文研究的主题。
2 林家村水库工程概况与水沙特征
2.1工程概况
渭河林家村水库工程，为我省宝鸡峡引渭塬上灌区渠首枢纽，分两期实施。一期工程为低坝引水自流灌溉，1971年基本建成投入运行；二期工程于1997年开工修建，是在一期低坝的基础上以闸孔的型式加高坝体，坝顶高程由原来的615米加至637.6m，坝顶总长208.6m，最大坝高49.6m，水库正常蓄水位636.0m，迴水长度14.5km，总库容5000万m3，其中有效库容3800万m3。在615.0m高程上均匀布置五个10×8.3m泄洪中孔，坝体两端设有6.5×8m三个排沙底孔（左端一孔，右端两孔），孔底高程与河床平齐为605.0m。当库水位625.1m时，可渲泄50年一遇设计洪水6040 m3/s；当库水位634.2m时，可渲泄500年一遇校核洪
3
水9720 m/s。在左底孔左侧设灌溉和电站引水孔，灌溉孔4.0×5.0m，底坎高程609.5m，最大设计引水流量65 m/s。闸后与原输水洞出口沉沙槽连接，电站孔4.6×4.6m，进口高程615.0m，最大设计引水流量58.9 m/s。在坝上游40多km颜家河处设一进库水文观测站。林家村水库与灌区内已有王家崖、信邑沟、大北沟、泔河一、二库五座干库联合运行，年可增加调蓄水量1.02亿m，渠首电站年可发电3500万KW·h，还可提供部分城镇用水。
2.2河道概况
3
3
3
3
3
3
3
3
3
渭河发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，由西向东横贯甘肃东部、宁夏、陕西三省（区）六个地区，在宝鸡县风阁岭附近进入陕西境内。流域内大部分地区为黄土丘陵沟壑及黄土塬区。渭河以北，黄土覆盖较厚，植被很差，气候干燥，洪水暴涨暴落水土流失严重；渭河以南秦岭山区及六盘山、关山、陇山山区，植被较好，气候湿润，洪水平稳，年际变化小。
库区位于低山区，河谷呈“U”型，水面宽度一般在100～400m，河流蜿蜒曲折，两岸山坡陡峻，库区小支流有六川河、小牛沟、史家河、李家河、庵口河等，库区淤积严重，库区原河道比降为2.3‰，现已降之1.5‰。（附图一1995年库区地形图、附图二库区纵剖面淤积形态图）
2.3 水文泥沙特征
林家村水库坝址处控制流域面积30661 km2。渭河流域属大陆性气候，坝址以上流域内年平均降水量440～607mm。据坝址以下700m的林家村水文站51年实测资料（1944～1994年），多年平均径流量24.01亿m3，年最大径流量48.82亿m3（1964年），最小年径流量9.80亿m（1972年），最大径流量是最小径流量的4.98倍。在年内分配上，汛期（7～9月）径流量占年径流量的45.4%，冬季（12～2月）径流量占年径流量的9.4%。洪水主要来自甘肃省黄土丘陵区的各支流，洪水特点是峰大、量多、含沙量高、猛涨缓落，最大洪峰出现在7、8月份。渭河泥沙主要来自上游北岸的葫芦河、散渡河等支流的黄土丘陵区与傍山区。据林家村水文站实测，多年平均输沙量为1.47亿t，其中悬移质输沙量1.44亿t，推移质输沙量0.03亿t，实测年最大输沙量3.99亿t（1973年），多年平均含沙量60.03 kg/m3，汛期平均含沙量102.6 kg/m3，实测最大含沙量845 kg/m3（55.6%），发生在1985年。渭河水沙关系基本协调，来沙量年际变化大，年内分配不均，汛期（7～9月）输沙量占年输沙量78%。而汛期输沙量多集中于几场大洪水中。沙峰一般滞后洪峰1.0～32小时，平均滞后8.7小时，沙量基本以上游来沙为主，泥沙颗粒较细，中值粒径0.02mm，平均粒径0.0367mm。
3 水库排沙措施 3.1低水位滞洪排沙 汛期水库低水位运行或空库迎汛时，当排沙底孔的泄量小于入库的洪水流量便会产生滞洪壅水，形成浑水水库，此时进行水沙调节为滞洪排沙。
3.1.1 滞洪排沙特点 在滞洪排沙运用中，由于入库洪水陡涨陡落，峰高量小，含沙
3
量大，泥沙颗粒细，在有限的滞洪时间里，大量泥沙来不及沉淀就随水流排出库外，故排沙减淤效果显著。
当洪水入库时，由于库水位很低，水面比降较大，断面平均流速较大，它不仅能将本身挟带的泥沙全部运至坝前，而且往往能把前期淤在库内的部分泥沙冲起，并一同带出库外，故滞洪排沙初期出库含沙量往往高于相应的入库含沙量，其排沙效率也往往大于100%。
鉴于林家村水库的特殊性，汛期低水位滞洪排沙为首选排沙方式。 3.1.2 滞洪排沙泄量选择：
在滞洪排沙中，排沙效率与排沙泄量密切相关。在一定水沙条件下排沙泄量愈大，泥沙
[1]
在水库中停滞历时愈短，则排沙效率愈高。根据我国中小型水库的经验，其滞洪排沙泄量经验关系式：
??S?Q1?W1???4000?2.7 （3-1）
式中：W1—入库洪水的峰前水量（万立方米）
Q1—第一日平均排沙泄量（立方米/秒）
?s —排沙效率
另黑松林水库曾采用过依靠进库水文站测报洪峰流量的办法来确定泄量大小。具体控制原则为：滞洪排沙的最大泄量为入库洪峰的1/10。
在具体运用时应密切注视洪水发生过程，及时开启闸门，合理控制泄量，控制滞洪历时，方可提高排沙效率。 3.2 异重流排沙
3.2.1异重流潜入条件
利用水库异重流可以在蓄存一定清水、保持一定水头的条件下，排泄部分入库的泥沙。
[2]
根据异重流潜入条件
?qh0?1.185?0??·?gg21????3 （3-2）
式中: q0、h0—为异重流潜入点的单宽流量和水深 ηg—重力修正系数
以此式判断林家村水库在较小含沙量、流量时也易形成异重流，异重流潜入库底后，在持续条件满足时，可保证异重流能够克服各种阻力而运行到坝前。此时，及时开启排沙底孔，即可达到异重流排沙目的。
3.2.2 异重流排沙能力
以入库洪峰流量Q＝300 m3/s，入库含沙量S入＝200 kg/m3，洪峰持续时间为30小时的一次洪水过程为例，由异重流潜没判别条件求得h0＝1.83米，在库水位630米时，则在距坝11km处潜入，利用V～d90关系，进行异重流计算其结果：出库含沙量157 kg/m3，库区淤积0.041亿t，排沙0.0235亿 t，WS计＝0.0645亿 t，本次洪水总来沙量为0.0648亿 t，计算误差为-0.46%，排沙比36.3%，通过以上分析计算可以看出，林家村水库由于库区边界条件的限制，加之迴水较长，弯道较多，异重流排沙数量是有限的。因此对异重流排沙的选用要慎重。
3.3 水库泄空冲刷
采用异重流排沙，浑水水库排沙后，总有一部分泥沙淤积在调沙库容内，这将直接影响水库的有效库容，那么选择适当时机，泄空水库，沿程冲刷和溯源冲刷二者联合作用，是恢复有效库容的根本途径。下面着重讨论一下对冲刷量影响较大的溯源冲刷。
3.3.1 溯源冲刷现象
当库水位下降到淤积面以下，在淤积体顶点处形成很陡的水面比降，水深减小，流速增大，挟沙能力提高，冲刷自下向上发展。溯源冲刷过程中，床面比降随着水面比降的变化而调整。坝前漏斗比降变缓，淤积面比降变陡，最终逐渐调成一个比降，随着冲刷的发展，床沙组成逐渐粗化。
3.3.2 溯源冲刷计算
水库的管理运用中，通过对溯源冲刷的计算，确定水库的合理调度。溯源冲刷的计算办法很多，我们采用清华大学、西北水科所所推导出的出库断面悬移质输沙率QS（t/s）公式：
Qs??Q1.6[3]
J0.61.2B
3
（3-3）
式中：Q—冲刷流量（m/s） B—冲刷宽度（m） J—冲刷比降（‰） Ψ—系具有以吨、米、秒为单位的冲刷综合系数
以1975年7月26日～27日洪水为例，Q洪=545.9 m3/s，S入=300 kg/m3，取Ψ＝650，进行溯源冲刷计算，冲刷含沙量492 kg/m3＞入库含沙量，说明冲刷效果较好，可有效地恢复有效库容，因此对于林家村水库在汛期利用洪水的有利时机，泄空水库、降低坝前水位加大冲刷比降，形成强烈的溯源冲刷，把泥沙排到库外，不失为一种有效的排沙方式。
4. 林家村水库运行方案 从现有水库运用的经验教训中，可以初步得出两个判数KT和KW作为选择运用方式的参考依据。KT为库容和来沙量的比值。KW为库容与多年平均水量之比。林家村水库KT＝0.36,沙是有效库容的2.76倍，表明库容损失率极高；KW＝0.02＜0.1，径流利用只有2％,有较多的弃水。因此，“蓄清排浑”运用方式为水库首选方式，而且“蓄清排浑”方式采用亦具备三个有利条件：一是渭河水沙的特点是汛期水、沙分别占年水、沙量的45.4%、78%以上，泥沙更为集中在汛期的几场洪水，就是来水量和泥沙含量具有明显的季节性差异，这就有利于选择适当时机，降低水位，使泥沙下泄；二是渭河泥沙颗粒较细，泥沙粒径小于0.1mm含量占95.1%，易于被水流带走；三是水库工程设施可满足大洪水的渲泄与排沙。 通过以上分析，“蓄清排浑”是林家村水库唯一的一种运用方式。结合林家村水库的具体特点，以减少水库淤积，保持库容、延长水库使用寿命，提高长期效益为最终目的，制定运行方案为：“汛期低水位运行、洪水冲沙、合理科学利用异重流排沙、汛末泄空冲刷”。在具体运用时应注意解决蓄水与淤积、供水与排沙、近期效益与长远效益这三个主要矛盾，方可最大限度地减少水库淤积，发挥水库综合效益。
4.1 运行时间安排
灌区农作物以小麦、玉米、果品为主，从灌区用水实况来看，冬、春、夏、秋四个灌溉季度，占全年用水的比例分别为37.9%、25.2%、35.1%、2.69%。冬灌用水量最大，主要集中在12月份。春灌用水量适中，主要为小麦2～4月小麦的早春灌和果品灌溉。夏灌用水主要为七下八上的伏旱期玉米灌溉。9～10月的秋灌，灌溉年份不多（21年中有6年）。在冬灌开始前，必须蓄存一定水量。夏灌期正是汛期来沙较集中期，也正是排沙最有利的时机。以夏灌用水量较多、且集中在7～8月的1987年为例，其6～9月总用水量1.4亿m3，7～8月上半月用水量0.87亿m占62.1%，8月16日～9月15日用水量0.25亿m占17.9%，9月16日至月底用水量0.28亿m3占20%。从对灌溉影响最小角度出发，水库敞泄排沙宜放在8月16日～9月15日之间。具体全年运行时间安排为9月16日～10月汛后蓄水，11月～3月满库运行、灌溉发电并举，4～5月巧蓄巧引、适度发电，6月1日～9月15日汛期冲沙，巧蓄抢引。水库水沙均为年内调节。
3
3
4.2 汛期控制水位
从保证一定程度的伏旱供水角度考虑，汛期宜控制低水位运用，以增大洪水流速，提高挟沙能力和排沙效果，方能有效地保持滩地库容。自1986年以来，渭河出现长时间的枯水
3
枯沙现象，大洪水明显减少，从近几年资料看，最大Q洪峰为2057.50 m/s，水量的减少，沙量相对增加较多，不利于库区的冲淤。林家村水库虽属河道型水库，但其弯道较多，比降很小，迴水较长，其冲刷时的挟沙能力较低，高水位运行将不利于冲刷。其次水库运行初期，管理经验与观测资料欠缺，为尽量减少汛期淤积，在水库运行初期汛期控制水位适当降至626m（为发电最低水位），此水位下淤积末端在库区9km左右，有利于泥沙冲刷出库。其间
333
蓄水沙限S≤50 kg/m，当50 kg/m＜S≤165 kg/m时，615m引水。
表4—1 渭河林家村近年最大流量表 年份 1990 1991 1992 1993 945 1994 300 1995 210 Qmax 775 348.8 2057.5 4.3 汛期排沙 单位：m/s
1997 71.6 1998 1999 354.4 410.77 3
1996 187 鉴于林家村水库的特殊性，其排沙力度必须加大加强，具体操作如下：
4.3.1 汛前冲刷 每年对进入汛期（5～6月间）的第一场洪水，无论大小应予泄空，以恢复槽库容，并为异重流排沙提供有利的边界条件。
4.3.2 异重流排沙 由于林家村水库异重流排沙效率较低，仅作为排沙的一种辅助手段。在中小洪水Q洪≤400 m3/s时，采用异重流排沙，因中小洪水挟带泥沙总量相对不大，其泥沙淤积在槽库容内，较易冲刷。
4.3.3 敞泄排沙 林家村以上渭河多年（1944～1994年）汛期平均流量Q汛为112.8 m/s，1980～2000年Q汛为97.5 m/s，1990～2000年Q汛为61 m/s (详见表4—2)。低坝引水枢纽冲沙闸基本流量[4]
4?H? Qc???3?h?153
3
3
Q汛
（4—1）
式中：H——溢流坝高（m） h——无坝时Q汛的坝前水深（m） Q汛——汛期平均流量（m3／s）
取Q汛为112.8 m/s，用上式计算得Qc为207.51m/s～219.80 m/s。m/s，清华大学水利系冲刷指标大致范围为：[5]
Q冲??30~50?Q汛0.63
3
3
3
（4—2）
表4—2 渭河林家村近年汛期平均流量表 单位:m3/s 年 份 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 Q汛1990 129 143 277 54 130 253 168 95 43 143 70 年 份 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 1990～2000 Q汛 35 152 112 38 30 31 12 41 63 29 97