黃河萬家寨水利樞紐淤積形態(tài)分析

程立軍，劉 濤，姚景濤

(1.黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 太原030002;2.陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安710003)

萬家寨水利樞紐位于黃河北干流托克托至龍門峽谷河段，是黃河中游規(guī)劃開發(fā)梯級的第一級。工程主要任務(wù)是供水結(jié)臺發(fā)電調(diào)峰，同時兼有防洪、防凌作用。

樞紐設(shè)計(jì)年供水量14億 m3，裝機(jī)108萬 kW，年發(fā)電量27.5億 kW·h。樞紐原始總庫容8.96億 m3，調(diào)節(jié)庫容4.45億。壩址控制流域面積39.5萬km2，設(shè)計(jì)多年平均入庫沙量1.49億t，設(shè)計(jì)多年平均含沙量6.6 kg/m3。水庫最高蓄水位980.00 m，正常蓄水位977.00 m，最高蓄水位回水末端距壩72.34 km。水庫采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式，排沙期運(yùn)用水位952.00～957.00 m。黃河為多沙河流，為了掌握最新水庫淤積情況的需要，黃河萬家寨水庫庫區(qū)內(nèi)共設(shè)立永久性淤積測驗(yàn)斷面89個，其中黃河干流106.54 km范圍的73個(WD01一WD72及大溝口斷面);楊家川、黑岱淘、龍王溝及渾河等4條支流上共計(jì)16個。

水庫運(yùn)行前，于1997年7月進(jìn)行了上述89個斷面的原始庫容測驗(yàn);2000年水庫正式建成投人運(yùn)行后各年汛前汛后分別進(jìn)行一次庫容淤積測驗(yàn)。

1 淤積情況及形態(tài)分析

根據(jù)淤積測驗(yàn)成果，截止2010年9月，水庫總庫容由8.96億 m3減少至 4.85 億 m3，庫容減少 4.11 億 m3，庫容損失45.87%。其中2000年及以前、2003年、2005年、2006年四年淤積量較大，均在0.4億 m3以上，并且在2006年當(dāng)年淤積量達(dá)到最大值。之后年淤積量有逐年減少的趨勢。2000年至2010年各年淤積量統(tǒng)計(jì)如下表1。

表1 2000～2010年萬家寨水庫庫容及各年淤積量統(tǒng)計(jì)表 億m3

1.1 分級淤積及歷年變化情況

1.1.1 分級庫容淤積情況

萬家寨水庫沖刷水位為948 m，排沙水位為952～957 m，汛限水位為966 m，設(shè)計(jì)洪水位為974.99 m，最高蓄水位為980 m。因此，分級庫容劃分參考以上各特征水位，分級庫容淤積統(tǒng)計(jì)如下表2。

表2 萬家寨水庫2010年9月分級庫容淤積情況統(tǒng)計(jì)表

從表2中可以看出，淤積主要集中在汛限水位966 m以下，說明水庫整體淤積形態(tài)較好，但966 m以上，仍然淤積了庫容的16.56%。

1.1.2 分級庫容歷年淤積變化情況

由于各年來水來沙特性不同，電網(wǎng)的需求也不同，導(dǎo)致水庫運(yùn)行調(diào)度方式也存在變動。這些情況導(dǎo)致水庫淤積情況各年段間很大變化，按5年一個時段，萬家寨水庫分級庫容淤積變化情況統(tǒng)計(jì)見表3。

從表3中可見，975 m以下2006～2010年淤積量大于2001～2005年淤積量，975 m以上(庫尾河段)在2005～2010年則是沖刷情況。

1.2 縱向淤積形態(tài)

水庫縱向淤積形態(tài)，是指水庫淤積縱剖面的形態(tài)，其主要決定于上游水沙特性、水庫運(yùn)行水位、水庫水位變幅及水庫形態(tài)等。據(jù)1997年7月、2010年9月兩次淤積斷面測驗(yàn)成果計(jì)算各斷面平均河底高程，并結(jié)合設(shè)計(jì)沖淤平衡河底高程，并點(diǎn)繪其過程線圖(見圖1)。

表3 萬家寨水庫分級庫容近年淤積變化統(tǒng)計(jì)表

斷面平均河底高程計(jì)算公式為:

式中:H為斷面平均河底高程;G為統(tǒng)一取定的水位(根據(jù)實(shí)際情況，WD0l～WD57斷面取G=980.00 m，WD58斷面上取G=990.00 m);A為水位G對應(yīng)斷面的面積;B為水位G對應(yīng)斷面的水面寬。

對比原始河底高程、2010年10月水庫河底高程及設(shè)計(jì)的水庫沖淤平衡河底高程，在距壩0 km～14 km，由于每年凌汛期的計(jì)劃排沙及機(jī)組發(fā)電水流的攜沙出庫，形成壩前沖刷漏斗，使得庫區(qū)河底高程明顯低于沖淤平衡高程;距壩14 km～57 km，河底高程已基本接近設(shè)計(jì)沖淤平衡高程;距壩14 km～57 km，河底高程已基本接近設(shè)計(jì)沖淤平衡高程;距壩57 km～80 km，河道略有沖刷，河底高程甚至略低于原始河底高程(如圖1)。

從圖1中可以看出:水庫上中部泥沙淤積體縱向剖面基本呈三角形形狀，壩前拉沙形成沖刷漏斗，故可判定水庫縱向淤積基本屬三角洲淤積形態(tài)。進(jìn)一步采用水庫縱向淤積三角洲淤積形態(tài)經(jīng)驗(yàn)判別公式(原黃委會水科所)，進(jìn)行判別。其經(jīng)驗(yàn)判別公式為:

式中:V為庫容(m3);Ws為年來沙量(t);h為壩前水位變幅(m);H為壩前平均水深(m)。

將萬家寨水庫實(shí)際參數(shù)代入 (1)、(2)式，其值分別為8.17和0.143，由此也可推斷萬家寨水庫縱向淤積屬三角洲淤積形態(tài)。

1.3 橫向淤積形態(tài)

水庫橫向淤積形態(tài)，是指水庫橫剖面泥沙淤積形態(tài)。其主要影響因素主要有斷面水沙條件、斷面地形、斷面位于水庫的部位及水庫調(diào)度運(yùn)行方式等。選擇水庫各段的典型斷面(WD06－距壩6.6 km、WD42－距壩 41 km、WD61－距壩63.7 km)套繪分析，可見，水庫壩前段(0～14 km)淤積面平行抬高;庫中段(14～57 km)淤積嚴(yán)重，特別是非主流河槽，斷面僅剩主流河槽淤積較少，該河段為水庫主要淤積段;庫尾河段(57～80 km)略有沖刷。詳見下圖2、圖3、圖4。

2 結(jié)論及建議

(1)水庫縱向淤積為三角洲淤積形態(tài)，淤積集中發(fā)生壩上0～57 km河段內(nèi)，最主要體現(xiàn)在水位966 m以下庫容減少。

(2)萬家寨水庫的淤積狀況的好壞主要是庫尾河段的淤積情況好壞的決定的，因此，從上面分析可以看出，庫尾河段(57～80 km)河段在近年是略有沖刷的，沒有出現(xiàn)水庫淤積的翹尾形態(tài)，水庫調(diào)度方式運(yùn)行的比較好。

(3)水庫已基本到達(dá)設(shè)計(jì)的沖淤平衡狀態(tài)，為控制水庫進(jìn)一步淤積，應(yīng)加大每年的凌汛期配合黃委沖刷降低潼關(guān)高程試驗(yàn)進(jìn)行排沙的力度。

(4)966 m以上防洪庫容已經(jīng)淤積0.323億 m3，在進(jìn)行防洪調(diào)度時，應(yīng)考慮到水庫調(diào)洪滯洪庫容的減少，提前做好預(yù)泄工作，補(bǔ)充防洪庫容。

(5)堅(jiān)持水庫泥沙淤積測驗(yàn)，進(jìn)行水庫泥沙淤積分析，并積極研究適用于萬家寨水庫的排沙運(yùn)行方案。

圖2 2010年9月萬家寨水庫WD06斷面橫斷面圖

圖3 2010年9月萬家寨水庫WD042斷面橫斷面圖

圖4 2010年9月萬家寨水庫WD61斷面橫斷面圖

［1］萬家寨水利樞紐工程技施設(shè)計(jì)說明書.水利部天津水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.2001.

［2］趙文林.黃河泥沙.黃河水利出版社出版.

［3］韓其為.水庫淤積.科學(xué)出版社.