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水庫如何實現調水調沙?

大壩能攔水,同時也會攔下河水中攜帶的泥沙,?水庫的水排走了,?泥沙也會跟著流走嗎?如果水庫的泥沙會越來越多,會有什么危害呢?今天我們就一起來看看這些問題。



 
01 
  水庫的泥沙會越來越多嗎?

會的。


水流攜帶泥沙進入庫區后,由于庫區水深增大、水面擴寬,
流速逐漸減小,水流攜沙能力降低,致使很多泥沙在庫區逐步沉積。

大壩不是有泄水口嗎?流出的水不能順便把沙子帶走嗎?

如果水一直保持流動,?大部分的泥沙當然能通過泄水口排出。但是水庫大部分時間是處于蓄水狀態,?也就是說大壩不是一直處在排水狀態,?那么泥沙在相對靜置的情況下,?就會慢慢地沉積下來。



 
02 
  水庫淤積有什么后果?

? 庫容削減


泥沙淤積,水庫空間減少,也就是庫容變小,在洪水期蓄積的水量會變小,防洪能力也就減弱了,這樣會導致水庫的調蓄作用變差。

庫容減少,也會縮短水庫使用壽命,淤積過于嚴重,?水庫就會失效。

? 影響水庫的上游地區


在洪水期,河流上游的來水量較大,水庫得攔蓄洪水,保證下游的河道安全。如果這個時候,水庫的庫容因泥沙淤積而減少,那水庫上游的水位就會被抬高,可能會淹沒部分沿岸地區,對當地的經濟造成影響。

? 破壞水庫的航運條件


水庫泥沙會逐漸在庫底形成淤積,抬高庫區河床、堵塞航道,造成水庫區域內航運條件變壞,甚至在枯水季時造成庫區通航困難,使航運的價值下降。

? 影響設備運行


泥沙隨水流進入水庫,在壩前逐漸淤積,會加大對水庫周圍建筑和水輪機的磨損,降低設備安全和建筑物的使用壽命。

如果泥沙長期排不出或排出量很少,水庫的使用壽命就會縮短。那如果排出了呢??

我們去看看黃河中下游的小浪底水庫,按照原先設計,到2020年,小浪底水庫75.5億立方米的設計攔沙庫容就將全部淤滿。但現在小浪底水庫依然能正常運行,目前泥沙淤積量僅占攔沙庫容的42%,這又是怎么回事呢?

?
【攔沙庫容】用于攔蓄淤積泥沙的水庫空間,位于水庫正常運行的最低水位之下,該部分不能用于徑流調節,主要用于淤積泥沙。

 
03 
  如何處理水庫中淤積的沙子?

既然水庫的泥沙是河水帶來的,那得想辦法讓河流把它帶走。

先回憶一下河流的攜帶能力主要取決于什么呢?應該是流量和流速。


通過調整流量和流速,將庫底的泥沙攪動起來,搬至壩前,再通過排沙設施,就可以把庫底的泥沙沖到水庫下游。我們來看看以下三種調沙的方式:?

? 人造“洪峰”

利用河道來水和小浪底水庫部分蓄水,對黃河干流水庫進行聯合調度,人為制造出流量更大、持續時間更長的洪水過程,對庫底和下游河道的泥沙進行沖刷。

來源:中國國家地理

? 溯源沖刷

水庫通過泄水,使壩前水位迅速下降或連續大幅下降,而此時,距離大壩較遠位置處的水面還沒有來得及下降,這樣便會形成一個
較大的水面坡度,并在淤積三角洲頂點形成一個明顯的跌坎。

由于
落差變大,水流流速增大,會不斷向下沖刷,跌坎也不斷坍塌,并向上游發展,帶起庫底的泥沙開始運動,這樣庫底的泥沙便被攪動起來。


? 異重流沖刷

什么是異重流呢?其實就是密度流,指水流因密度差異而分層流動,當含沙量高的水流進入水庫遇到庫區清水后,由于密度大而潛入清水下面形成一股渾水流。


水庫底層飽含泥沙的渾水,與頂層清水分層流動,清水在上,渾水在下。貼近庫底的高含沙水流,在運動過程中會帶動庫底的泥沙一起運動,進而搬運到壩前排沙出庫。


 
04 
黃河的調水調沙

我們把水庫排沙的過程,稱為“水庫清淤”。黃河,作為世界上含沙量最大的河流,其中游水庫每年攔截的泥沙非常多。

所以每年在
汛期到來前,黃河都會進行調水調沙工程,利用工程設施和上下游水庫的聯動調度,通過水流的沖擊,既減少庫區和河床的泥沙淤積,又提前騰出庫容,方便汛期蓄洪。


那黃河具體是怎么調水調沙呢?

首先是清水下泄,形成
人造“洪峰”,對下游河道進行全線沖刷,提高下游河道排沙能力。

此外是
塑造異重流排沙。當小浪底庫水位降至對接水位時,通過水庫聯合調度,泄流沖刷,借助水流動力,攪動三門峽、小浪底水庫庫底泥沙,調整庫區淤積形態,并排沙出庫。


通過調水調沙,利用上游洪水沖淤,小浪底水庫 2018~2020年3年間累計排沙13.49億噸,
有效恢復了水庫的庫容,延長了使用壽命


那水庫排出的泥沙會不會在下游淤積呢?

前面提到了,河流的搬運能力與流速和流量相關,由于各水庫聯合調動,形成
較大的泄流洪水量,仍然能在下游不斷沖刷河床。同時黃河水利委員會還在下游部分嚴重淤積河段上,進行人工泥沙擾動,使泥沙順利輸送到大海。在減輕水庫淤積的同時,也增大了下游河道行洪能力。

通過水庫的聯合調度,對水沙進行有效的控制和調節,適時蓄存或泄放,是能夠有效清理水庫淤積,減輕下游河道淤積,甚至達到不淤積或沖刷的效果。所以水庫不止能攔沙,也能“調”沙。


 
05 
一起來做題

小浪底水庫位于黃河中游最后一段峽谷出口處,其首要任務是防洪減淤。自1999年蓄水以來,運用其76億立方米的淤沙庫容攔截上游泥沙,并通過科學運作每年進行幾次調水調沙,即保證了自身庫容又使下游河道長期沖刷,為解決黃河“地上河”問題開辟了一條新途徑。下圖示意小浪底水庫調水調沙原理及某年調水調沙過程。據此完成下面小題。


答案與解析

(上下滑動查看)

1.B

【解析】水庫上層水流速度慢,含沙量低、密度小。而進入水庫的黃河水含沙量高、密度大,因此沉入庫底形成異重流,類似密度流,B正確,ACD錯誤,故選B。


2.C

【解析】據材料小浪底水庫首要任務是防洪減淤,小浪底水庫為汛期防洪騰出庫容,在汛期來臨前泄水沖淤。6月是汛期來臨前,黃河下游汛期多在7-8月,6-8月這段時間調水調沙比較合適,因此C正確,ABD錯誤,故選C。


3.B

【解析】異重流到達大壩,會引起水庫環流,可以幫助水庫清淤。故B項正確。A項,異重流是兩種或兩種以上有比重差異且可以相混的流體,因比重差異而產生的流動。黃河流域水土流失嚴重,河水含沙量較珠江流域高,異重流情況較明顯,故A項錯誤。C項,讀圖,異重流的存在會造成漂浮物匯集,不利于漂浮污染物的凈化,故C項錯誤。D項,讀圖,三角洲泥沙由進庫前的河道泥沙沉積帶來,與異重流無關。故D項錯誤。


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