小浪底水庫攔沙初期泥沙淤積規(guī)律及運行方式探討

【摘要】本文論述了小浪底水庫采用了“調(diào)控水位、異重流排沙、相機降低水位排沙、調(diào)水調(diào)沙、攔粗排細”等綜合調(diào)度運行方式，減少了水庫和下游河道的泥沙淤積，在初期運行中取得了較好的效果、發(fā)揮了顯著效益。

【關鍵詞】 淤積；調(diào)水調(diào)沙；異重流 ； 攔粗排細；小浪底水庫

小浪底水庫位于黃河中游最后一個峽谷的出口處，是三門峽以下唯一能取得較大庫容的控制性工程，控制黃河流域面積的92.3%和近100%的含沙量，開發(fā)目標以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發(fā)電，水庫總庫容126.5億m3，其中防洪庫容41億m3、調(diào)水調(diào)沙庫容10億m3、淤積庫容75.5億m3。為合理利用淤積庫容，盡量延長淤積庫容的使用年限、取得最大的減淤效益，合理的調(diào)度運用方式成為小浪底水庫減淤運用的關鍵。

1、 小浪底水庫水沙條件

小浪底庫區(qū)為峽谷形態(tài)，原河床比降大，河床由粗沙、礫石、大孤石和基巖組成，河床阻力比較大。淤積以后河床組成變細，阻力相應減小，在采用“蓄清排渾”運用方式時，對排沙和保持可用庫容非常有利。

當上游洪峰平均流量大于500 m3/s時，小浪底水庫可能發(fā)生高含沙異重流，此時將會有大量泥沙排出庫外。根據(jù)水庫泥沙研究結(jié)果得知，高含沙異重流的排沙比可達到90%以上。高含沙異重流攜帶很多粗顆粒泥沙，如果小浪底排沙期下泄流量小于2600m3/s，對下游河道非常不利。為此，在研究水庫淤積形態(tài)和排沙時要考慮水庫的特殊條件及其對下游河道的影響。

2 、小浪底工程初期運行的泥沙問題

小浪底水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫，為充分發(fā)揮水庫長期運行效益，保持長期有效庫容將是水庫運用的關鍵。在初期運行階段，通過合理調(diào)度運行，盡量延長淤積庫容使用年限，成為運行調(diào)度的重要課題。

2.1 盡量減少水庫泥沙淤積，充分發(fā)揮淤積效率

小浪底水庫運行初期，存在較大的攔沙庫容，一是要盡量減少泥沙淤積，延長淤積庫容使用年限；二是要攔粗排細，提高淤積庫容的使用效率，并盡可能利用下游河道的輸沙能力排沙入海，三是要合理淤積，避免在庫尾及支流門口形成淤積，從而影響興利庫容。

2.2 合理調(diào)度運行方式，減少下游河床的泥沙淤積

小浪底水庫攔沙初期下泄清水，將引起下游河槽和灘地的沖淤變化，通過合理的調(diào)度運行方式，將盡可能多的泥沙沖刷入海。

2.3 預防泥沙淤積影響工程運行

在多泥沙河流上修建水利樞紐，對泄水和輸水建筑物的進水口，不論是開敞式或淺孔式進水口，或深孔式進水口，都應認真處理好進水口防泥沙淤堵問題。若處理不當就會給工程帶來危害。

3 、小浪底水庫針對泥沙淤積的初期運行方式

3.1 調(diào)控水位，使水庫做到有序淤積

水庫運行水位的高低直接影響到水庫的淤積部位，水流挾沙力與水深成反比，水位越高，水流挾沙力越小，水庫淤積部位越靠近庫尾，損失興利庫容越大，對水庫淤積不利。當水庫敞泄運用時，水位很低，水流貼近河床流動，沖刷效果最佳，排沙比可高達70-90%，產(chǎn)生淤積的部位也靠近壩前，可使淤積庫容做到合理有序排列。

小浪底水庫入庫水沙條件直接影響小浪底水庫的沖淤變化。小浪底水庫在入汛前期應和上游水庫聯(lián)合調(diào)度運用，當上游水庫泄洪排沙時，小浪底水庫應相應降低水位泄洪排沙，使泥沙淤積靠近壩前，避免在較高水位下雍水攔沙而產(chǎn)成庫尾淤積。

同時，小浪底水庫在長期攔沙運行期，應遵循從低到高逐步抬高運行水位的原則，這樣有利于水庫的有序淤積，可延長有效庫容使用年限。在逐步抬高主汛期水位攔沙和調(diào)水調(diào)沙過程中，淤積體先在較寬闊的壩前產(chǎn)生，而后逐步向狹窄的上半段淤積，先淤滿死庫容，再逐漸向上淤占部分興利庫容，這樣使各級庫容都能得到充分利用。

3.2 利用異重流排沙，減少水庫泥沙淤積

在多沙河流上蓄水攔沙的水庫，異重流排沙是水庫減淤的一種重要方法，當水庫形成異重流后，下層為含沙量高的異重流，上層為清水，打開底部泄洪孔排出渾水，保留上部清水，可以做到既排沙又蓄水。通過多個水庫異重流排沙數(shù)據(jù)分析，一次異重流排沙比可達40-90%，多次異重流平均排沙比可達30-60%，排沙效果相當可觀。但如果異重流處理不當，會產(chǎn)生不利影響，異重流達到壩前如果未及時開啟泄洪閘門，則異重流形成渾水水庫，加速壩前泥沙淤積。

2004年8月黃河中游地區(qū)普降大雨，渭河流域和北干流地區(qū)形成洪水，小浪底入庫流量達到2960m3/s，含沙量最高達542kg/m3。小浪底水庫根據(jù)來水來沙情況防洪預泄，控制水庫水位在汛限水位以下，使異重流很快運行到壩前，并通過排沙洞排到下游。此次調(diào)水調(diào)沙運用期間，小浪底下泄水量13.66億m3，出庫沙量1.5億t，將大量泥沙通過異重流排到下游，排沙比達88%，減少了水庫泥沙淤積。

小浪底水庫的水沙條件，還受到下游河道輸沙能力的制約，特別是要求下泄流量要適應下游河道的輸沙能力，做到下游河床不淤積。試驗得出使下游河床不淤的條件是保持花園口流量在2600m3/s以上持續(xù)6天時間，即在下泄洪水可能形成異重流時，小浪底水庫低水位運行，使異重流潛入點靠下，達到小浪底壩前時，下泄流量控制花園口流量持續(xù)6天在2600m3/s以上，可保證下游河段不受淤積影響。

3.3 相機降低水位沖沙

在適當時機降低水庫水位，利用水庫的清水沖刷水庫淤積。小浪底水庫原河床比降較陡，約為1‰，水流挾沙力較大，庫區(qū)淤積物容易被沖刷，具備降低水位沖沙的有利條件。每年汛前，小浪底水庫利用降低水庫水位、預留防洪庫容的有利時機，采用清水沖刷淤積物。

降低水位沖刷具有一定的風險性，如果后汛期來水量不足，則對水庫的供水發(fā)電效益產(chǎn)生不利影響。

3.4 調(diào)水調(diào)沙，沖刷下游河床

小浪底水庫運用后，經(jīng)過調(diào)水調(diào)沙運用，黃河下游主槽實現(xiàn)全線沖刷，行洪排沙能力顯著提高，平灘流量從不足1800m3/s提高到4310m3/s。

除利用中游水庫聯(lián)合進行調(diào)水調(diào)沙調(diào)度，減少下游河道和小浪底庫區(qū)淤積外，小浪底水庫在攔沙初期階段，截至2016年汛前共攔截泥沙31.13億m3，從總量上減少了進入黃河下游的粗泥沙量。

3.5 攔粗排細，提高淤積庫容利用率

小浪底水庫攔沙是為了減輕下游河床的泥沙淤積，引起下游河床淤積的主要成份是粗顆粒泥沙，細顆粒泥沙一方面容易被水流帶走入海，另一方面即使暫時淤積后，在適當?shù)乃鳁l件下，還可以被沖走，所以水庫攔截泥沙的粗細顆粒成份直接關系到水庫攔沙減淤效益，如果庫內(nèi)攔截的粗顆粒泥沙比例大，則出庫的細顆粒泥沙比例大，攔沙庫容的有效利用率高。根據(jù)以往研究，水庫排沙比可以反映水庫攔粗排細的程度，排沙比越大，則水庫攔截粗顆粒（d>0.025mm）泥沙的比例越大，排沙比達到70%以上，可以使大部分粗沙攔截在庫內(nèi)，排出的泥沙大部分為細沙，且不會對下游河道產(chǎn)生淤積。

小浪底水庫在初期蓄水攔沙階段，即在起調(diào)水位EL.210m以下庫容淤滿前，采用異重流方式排沙，排沙比高，且異重流排出的大部分為細沙，粗沙大部被淤積在庫內(nèi)，不會對下游河床產(chǎn)生淤積，實現(xiàn)一定程度的攔粗排細效果。在起調(diào)水位以下庫容淤滿后，逐步抬高主汛期水位攔沙和調(diào)水調(diào)沙，控制低雍水，提高排沙能力，維持70%左右的排沙比，盡量避免高水位蓄水攔沙，實現(xiàn)水庫攔粗排細運行，提高淤積庫容利用率。

3.6 靈活運用泄流設施，維持“門前清”

為確保水庫長期有效運行，除盡量減少庫區(qū)淤積外，還應保證泄水建筑物的安全。確保泄水建筑物進口閘門的靈活啟閉，維持“門前清”尤為重要，為此，小浪底水庫所有泄洪、排沙及發(fā)電、灌溉引水口分十座進水塔集中布置在左岸風雨溝內(nèi)，各進水口相互保護，形成底部排沙減淤、中部引水發(fā)電、上部排污排漂的空間格局。

為預防泥沙在進水塔前淤積，預防因停用時間過長造成閘門前淤積而啟閉困難，應輪流開啟排沙洞，維持一定的流量，加強進水塔前渾水面及淤積面的監(jiān)測，準確把握輪流開啟使用排沙洞的時機。同時根據(jù)不同水位、不同來水來沙條件下進水塔前逆時針匯流區(qū)的流速、流態(tài)及泥沙分布特點，啟用不同位置的孔洞，盡量減少進水塔前泥沙淤積，確保泄水建筑物的“門前清”。

4、 結(jié)語

小浪底水庫從1999年10月下閘蓄水至2016年6月，水庫淤積量已達31.13億m3；通過水庫的合理調(diào)度和調(diào)水調(diào)沙運用，實現(xiàn)了黃河下游全線沖刷，下游河道主槽最小過流能力從1800m3/s增加至4310m3/s，行洪輸沙能力顯著提高，小浪底水庫在黃河下游防洪、減淤方面發(fā)揮了巨大效益。

小浪底工程初期運行以來，庫區(qū)泥沙基本按照設計做到有序淤積，沒有影響建筑物的操作運行，各建筑物運行正常。

小浪底水庫實際運用以來，黃河來水來沙、下游河道邊界、兩岸經(jīng)濟社會發(fā)展等條件都發(fā)生了較大變化，對水庫運用和下游河道沖淤特性也有了更深入的認識，要根據(jù)不同的運行效果，適時對水庫運用方式進行合理的調(diào)整和優(yōu)化，確保樞紐長期綜合效益的發(fā)揮。

作者簡介：常婧華（1985-）， 女，漢族，籍貫：山東省莒縣，碩士，中級工程師，主要從事水利水電工程運行管理工作。