1999-2015年汛后小浪底水庫典型支流口門淤積發(fā)展影響分析*

李 濤，夏潤亮，夏軍強，張俊華，俞 彥，吳 丹

(1：黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003) (2：武漢大學(xué)水資源與水電工程國家重點實驗室，武漢 430072)

小浪底水利樞紐是解決黃河下游防洪、減淤問題的關(guān)鍵性控制工程. 小浪底庫區(qū)支流眾多，275 m高程以下原始庫容大于1億m3的支流有11條[1]. 庫區(qū)支流平時流量很小甚至斷流，只是在汛期發(fā)生歷時短暫的洪水時，有砂卵石推移質(zhì)順流而下. 據(jù)計算分析庫區(qū)支流年平均推移質(zhì)輸沙總量約為27萬t，懸移質(zhì)輸沙量約為297萬t，與干流來沙量相比可忽略不計. 因此，支流庫容的攔沙量取決于干流進入支流的沙量. 支流庫容對水庫發(fā)揮防洪、減淤等綜合利用效益具有重要的作用[1-2].

小浪底庫區(qū)支流入庫沙量與干流相比可忽略不計，但支流攔沙量取決于干流倒灌沙量[3]. 在支流泥沙運行規(guī)律研究方面，周勤等[4]關(guān)注了干清支渾型水庫泥沙淤積形態(tài)和運動規(guī)律,王婷等[1]分析了小浪底水庫支流近年來淤積形態(tài)的演變，李濤等[5]研究了水庫降水沖刷過程中支流的影響問題. 在支流淤積形成攔門沙方面，多個水庫存在相同難題，漢江的丹江口水庫支流遠河河口與支流河床的高差達10余米，攔門沙逐年增長[6]. 朱玲玲等[7-8]研究了三峽水庫支流河口淤積成因及攔門沙形成風險，楊霞等[9]研究了三峽水庫香溪河河口泥沙淤積特性，王永艷等[10]分析了三峽忠縣段懸移質(zhì)泥沙淤積特點，胡春宏等[11]針對永定河上的官廳水庫支流媯水河攔門沙淤堵河口、使水庫功能弱化的特點，提出逐步采用工程措施改善現(xiàn)狀;張俊華等[12]從小浪底水庫攔沙后期防洪減淤運用方式系列年模型試驗認識到：①大多支流淤積形態(tài)與設(shè)計相近，但庫區(qū)原始庫容最大的支流畛水的淤積形態(tài)與設(shè)計值有較大的差別；②支流淤積形態(tài)與小浪底目前淤積形態(tài)有較大差別. 小浪底水庫運用以來的實測資料顯示，支流最大攔門沙坎與其河床的高差已超過10 m[13]. 因此，水庫攔門沙的發(fā)展機理與變化受到管理部門和水庫調(diào)度部門的廣泛關(guān)注. 由于水庫運用過程中，庫區(qū)邊界條件、入庫水沙過程與水庫水位變化[14-15]，影響了庫區(qū)支流淤積形態(tài)，且相應(yīng)的演變過程具有隨機性與多種可能性，再加上干支流交匯處水流一般形成螺旋流，具有較強的三維特性，導(dǎo)致其演變機理異常復(fù)雜.

本研究利用小浪底水庫實測數(shù)據(jù)，重點分析支流淤積形態(tài)與變化過程及其主要影響因素，探討水沙倒灌支流的淤積機理，進而為水庫調(diào)水調(diào)沙方案編制、支流泥沙沖淤規(guī)律認識、支流庫容有效利用、水庫攔沙期壽命延長提供技術(shù)支撐.

1 研究區(qū)域

小浪底水庫壩址控制流域面積69.42萬km2，占黃河流域面積的92.3%. 大壩位于河南洛陽以北約40 km的黃河干流上，上距三門峽水庫123.4 km，下距鄭州花園口115 km. 小浪底水庫正常蓄水位為275 m，支流河口攔沙坎淤堵庫容為3億m3. 根據(jù)1997年9月實測資料計算原始庫容為127.538億m3，干流庫容為74.904億m3，約占總庫容的58.7%；支流庫容為52.634億m3，約占總庫容的41.3%. 水庫原始庫容特征如下：高程230 m以上庫容85.09億m3，占總庫容的66.7%. 距壩約30 km范圍內(nèi)庫容約占總庫容的60.3%；素有“八里胡同”之稱的庫段以下4條大支流(東洋河、石井河、畛水、大峪河)占支流總庫容的比例為59.6%；庫區(qū)原始庫容大于1億m3的支流有11條，集中分布在水庫下段. 距壩67 km以上(占總庫長的52%)庫容約占總庫容的6.8%. 小浪底水庫蓄水至275 m時，形成東西長約130 km，南北寬300～3000 m的狹長水域. 小浪底水庫平面示意圖見圖1.

圖1 小浪底庫區(qū)平面示意圖Fig.1 Plan sketch of Xiaolangdi Reservoir area

小浪底水庫入庫站為三門峽水文站(以下簡稱三門峽站)，由于小浪底庫區(qū)其他支流來水來沙量較小，一般不做考慮，僅把三門峽站作為庫區(qū)的入庫水沙站. 出庫站為小浪底水文站(以下簡稱小浪底站). 本文的主要研究區(qū)域為小浪底水庫典型支流畛水河與石井河.

畛水河是小浪底水庫庫容最大的一級支流，在距壩17.2 km的黃河右岸順直河段匯入干流，畛水支流平面形態(tài)呈葫蘆狀，進口小而內(nèi)部庫容大且地勢狹長，河床原始比降為0.68‰，隨著干流河床的不斷淤積，河口攔門沙發(fā)育較快，但產(chǎn)生倒比降.

石井河是小浪底水庫一級支流，在距壩22.1 km的黃河右岸彎道處匯入干流，石井河平面形態(tài)外口寬闊，與上下游灘地相連，內(nèi)部急劇縮窄，略顯窄淺，隨著干流河床的不斷淤積，河口攔門沙發(fā)育較快，支流內(nèi)部無倒比降.

2 干流橫斷面形態(tài)調(diào)整過程

1999年10月下閘蓄水時，庫底縱剖面淤積形態(tài)為原始河床，隨著水庫蓄水運用，庫區(qū)干流地形表現(xiàn)為三角洲淤積形態(tài). 水庫運用以來，隨著庫區(qū)泥沙淤積，三角洲頂點不斷向壩前推進，至2015年10月，三角洲頂點位置由運用初期的距壩6 0 km以上，下移至距壩16.39 km的HH11斷面，三角洲頂點高程為222.36 m. 庫區(qū)內(nèi)沿程淤積基本分為上下兩段，上段為明流淤積和壅水明流淤積交替，局部出現(xiàn)明顯灘槽，下段為異重流淤積段，以平行淤積抬升為主. 水庫淤積的縱剖面受來水來沙影響較大.

河槽形態(tài)也取決于水沙過程，長時期的小流量過程導(dǎo)致河槽逐步萎縮，歷時較長的大流量過程則引起河槽下切展寬，河槽過水面積顯著擴大. 水庫運用以來，大部分時段庫區(qū)主槽位置相對固定. 隨著庫區(qū)泥沙的淤積，橫斷面整體表現(xiàn)為同步淤積抬升趨勢.

如圖2a～d分別為典型年份HH01、HH10、HH37、HH45斷面套繪圖. HH01斷面距壩1.32 km，其橫斷面變化代表壩前淤積形態(tài)的變化，從2000年10月水庫蓄水攔沙，壩前淤積速度加快，到2003年10月壩前淤積，深泓點高程由159.67 m抬高到174.36 m，深泓點由居中擺動到偏右岸，之后全斷面平行抬升，至2010年10月到188.93 m；在2011年汛后在斷面居中偏左岸出現(xiàn)梯形河槽，經(jīng)過沖淤調(diào)整，至2015年汛后，其上底寬為192 m，下底寬約為99 m，河槽最大深度約4.0 m，左灘坡度為8.6%，右灘坡度為9.7%.

圖2 典型年份代表斷面套繪圖Fig.2 Drawing of representative cross sections in typical years

HH10斷面距壩約13.99 km，位于支流畛水口門下游，其橫斷面形態(tài)的變化一定程度上代表了畛水口門干支流交匯處附近地形的變化，2002年10月之前，斷面基本為平行抬升，斷面上沿橫向略有起伏，部分年份出現(xiàn)深泓點，深泓點多偏右岸，在2002年10月之后，河道沖淤變幅增加，尤其是2011年汛前、汛后相比，斷面兩側(cè)出現(xiàn)低槽，中間出高灘. 2011年10月之后，斷面形態(tài)仍表現(xiàn)為平行抬升.

3 支流縱向與橫向淤積形態(tài)

從圖3a、b可以看出，支流與干流自然相連，支流口門淤積厚度隨干流淤積的增加而增加，支流淤積情況與口門處干流挾沙水流的形態(tài)關(guān)系密切. 當干支流相交處處于干流三角洲頂點以下，干流往往為發(fā)生異重流進入支流的現(xiàn)象，同時支流口門淤積為平行抬升，由于存在泥沙的沿程淤積分選，支流河道沿水流流向形成較大坡降. 當干流處于三角洲面時，河道內(nèi)塑造出明顯的灘槽，支流成為干流灘地的一部分. 干流渾水以明流流態(tài)倒灌進入支流，也發(fā)生沿程落淤，結(jié)果是支流口門形成淤積較厚，口門以上淤積厚度沿程減少.

圖3 典型支流歷年汛后深泓點縱剖面套繪圖Fig.3 Longitudinal profile set drawing of thalweg point of typical tributaries after flood over the years

支流畛水橫斷面淤積形態(tài)大多是平行抬升的(圖4). 畛水的淤積隨著干流同步抬升，其淤積是從口門自下而上逆向淤積，距離口門越近，淤積越多，淤積泥沙顆粒越粗. 從支流畛水典型年份ZSH07橫斷面套繪圖(圖4b)可以看出，2011年10月之前，在此斷面淤積較少，而在2012年10月之后，該斷面淤積增加迅速，可以從2012年10月與2013年10月地形的對比看出. 隨著支流畛水口門斷面的淤積厚度的增加，支流畛水內(nèi)外高差增大，比降增大，支流畛水口門以內(nèi)淤積量增加，支流畛水口門以內(nèi)淤積量占支流畛水總淤積的比例增大. 從這個角度來說，一定程度上，支流口門淤積的形成對支流攔沙庫容的利用是有利的.

圖4 支流畛水典型年份橫斷面套繪圖Fig.4 Cross-sectional map of the tributary Zhenshui in typical years

水庫運用后，石井SJH01、SJH02橫斷面在1999-2015年一直保持平行抬升的趨勢(圖5). 其中，石井SJH01橫斷面在2011年汛前停止測驗，這是由于該橫斷面位于石井口門，石井口門寬闊，由于2012年之后庫區(qū)干流三角洲頂點推過石井口門后，在水流泥沙作用下形成了新的河勢，與上游右岸邊灘連為一體，逐漸成為干流灘面的一部分，支流石井則成為該河段干流灘面的延伸. 石井SJH01斷面變?yōu)楦闪鞯臑┟嬉徊糠郑罄m(xù)不再測驗，后期選擇石井SJH02斷面作為口門斷面分析.

圖5 支流石井典型年份橫斷面套繪圖Fig.5 Cross-sectional map of the tributary Shijing in typical years

畛水口ZSH01橫斷面隨著淤積抬升其河寬也逐步展寬，石井口SJH02橫斷面隨著淤積抬升其河寬也逐步展寬(表1). 從兩個口門河底寬度對比來看，石井口門河底寬度大于畛水口門，其內(nèi)部河底寬度卻比畛水內(nèi)部河底寬度小很多，這也是兩支流淤積形態(tài)不同的重要原因.

表1 畛水ZSH01和石井SJH02橫斷面河底寬度變化

4 水庫異重流倒灌支流的淤積機理

圖6a、b分別為兩條支流河底淤積寬度(以下簡稱河寬B)、口門斷面淤積厚度(H)隨時間的變化圖.畛水河寬處于緩慢增大的過程，石井河的河寬變化與畛水一致，但增幅大于畛水的(圖6a). 畛水口門淤積變化幅度大，具有緩慢增大趨勢，石井的口門淤積變化與畛水一致(圖6b).

圖6 兩條支流河寬、口門斷面淤積厚度隨時間的變化Fig.6 Variation of the width of the two tributaries and the siltation thickness of the portal section with time

干流水沙進入支流大多以異重流形式進入，支流口門淤積的規(guī)模增加在斷面方向上表現(xiàn)為寬度和高度二維變化，認為B與H的組合H/B的變化可代表口門斷面淤積的變化規(guī)模，根據(jù)上文分析可知，水庫支流口門淤積的增長一定程度上代表了干支流水沙分配與淤積結(jié)果，流量Q代表入庫水流動力，Sv為入庫渾水體積比含沙量，Q為入庫流量，Q越大，H/B越小，對支流口門形成的淤積越不利(圖7a).

Sv代表入庫泥沙條件，含沙量越高，H/B越大，對支流口門形成的淤積越有利(圖7b)；庫區(qū)的淤積形態(tài)(用淤積三角洲頂點距壩里程L表示)影響異重流的形成位置和運行距離，L代表沿程阻力，該值越大，支流距離三角洲頂點越遠，H/B越大(圖7c). 構(gòu)造無量綱因子Q0.4/(g0.2·L)表征入庫動力與庫區(qū)淤積形態(tài)的變化(圖7d)，可見Q0.4/(g0.2·L)越大，H/B越小，對支流口門形成的淤積越不利.

圖7 支流畛水口門淤積特征值與各因子的關(guān)系Fig.7 The relationship between characteristic values and factors of portal deposition in tributary Zhenshui

異重流倒灌時石井支流口門斷面淤積厚度特征與水庫來沙及庫區(qū)淤積形態(tài)的關(guān)系表明，H/B與含沙量Sv呈正相關(guān)關(guān)系，與淤積形態(tài)L呈弱正相關(guān)關(guān)系，與水庫來流Q0.4/(g0.2·L)呈弱負相關(guān)關(guān)系(圖8).

圖8 支流石井口門斷面淤積特征值與各因子的關(guān)系Fig.8 The relationship between characteristic values and factors of portal deposition in tributary Shijing

根據(jù)以上分析，按不同輸沙水流形態(tài)條件建立以下公式. 從公式(1)、(2)計算值與實測值的對比可以看出，計算值與實測值均較為接近(圖9)，畛水、石井河的R2分別為 0.64、 0.70.

圖9 支流畛水(a)和石井(b)H/B實測值與計算值的對比Fig.9 Comparison between measured values and calculated values of H/B in the tributaries Zhenshui (a) and Shijing (b)

畛水：

(1)

石井：

(2)

通過以上分析可知，支流的分流及淤積與入庫流量、含沙量及庫區(qū)的淤積形態(tài)有關(guān). 入庫流量越大，支流分流比小，支流淤積規(guī)模?。蝗霂旌沉吭酱?，支流分沙比越大，支流淤積規(guī)模越大.

這說明在水庫調(diào)度或調(diào)水調(diào)沙過程，加大入庫流量、減小入庫含沙量可以減小支流淤積規(guī)模. 對于水庫異重流塑造過程中，相同條件下，加大入庫流量可減小支流分流比例，減小能量損失，從這個角度來說，可提高異重流運動到壩前的可能性. 而較小的入庫流量則會增大支流分流比，增加能量損失，減小異重流運動到壩前的可能性.

5 結(jié)論

通過對典型多沙河流水庫運用對支流淤積的影響進行分析，認為入庫水量及入庫沙量對支流淤積的抬升具有重要的影響.

1)1999年10月小浪底庫底縱剖面淤積形態(tài)為原始河床，水庫運用以來，隨著庫區(qū)泥沙淤積，三角洲頂點不斷向壩前推進. 當干支流相交處處于干流三角洲頂點以下，支流口門淤積為平行抬升，由于存在泥沙的沿程淤積分選，支流河道沿水流流向形成較大坡降. 當干流處于三角洲面時，河道內(nèi)塑造出明顯的灘槽，支流成為干流灘地的一部分. 支流口門形成淤積較厚，口門以上淤積厚度沿程減少.

2)探討了淤積灘面變化規(guī)模與入庫流量、入庫體積比含沙量、庫區(qū)淤積三角洲距壩里程的變化特性，建立了不同輸沙水流形態(tài)條件下的淤積灘面變化公式，公式表明，支流的分流及淤積與入庫流量、含沙量及庫區(qū)的淤積形態(tài)有關(guān). 入庫流量越大，支流淤積規(guī)模?。蝗霂旌沉吭酱?，支流淤積規(guī)模越大. 淤積灘面變化的規(guī)模與支流攔門沙坎變化同步.

3)通過研究發(fā)現(xiàn)，增加入庫洪水流量或減小入庫洪水含沙量，使得支流淤積規(guī)模減小. 在水庫異重流所形成的淤積形態(tài)過程中，支流口門淤積規(guī)模與灘地相同，支流淤積規(guī)模與支流的幾何形態(tài)關(guān)系緊密.