黃河劉家峽水庫壩前沙壩對(duì)水沙和水庫調(diào)度的響應(yīng)研究

王 婷，周 恒，蘇加林，楊經(jīng)會(huì)，王福運(yùn)，高 垠，李新杰

(1.黃河水利科學(xué)研究院,鄭州 450003；2. 中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065；3. 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，長(zhǎng)春 130061)

0 前 言

水流交匯現(xiàn)象普遍存在于自然界和人類工程的多種水力系統(tǒng)中。干支流交匯河段不僅存在交匯口上游壅水、下游回流等水力學(xué)問題，還存在壅水區(qū)和回流區(qū)的泥沙淤積，以及交匯區(qū)下游河床調(diào)整等泥沙問題[1-3]。對(duì)于修建在多沙河流上的水庫，泥沙問題尤為突出，支流高含沙洪水入?yún)R可引起局部地形大幅度調(diào)整，甚至有產(chǎn)生較大規(guī)模的沙壩而形成二級(jí)水庫的可能，從而在一定程度上制約了水庫綜合效益的發(fā)揮[4-7]。若支流位于水庫回水區(qū)，支流洪水可直接形成高含沙異重流匯入干流庫區(qū)，并分別向上游與下游擴(kuò)散，不僅局部流場(chǎng)復(fù)雜，而且局部地形隨之發(fā)生大幅度調(diào)整[4-7]。本文將利用具有支流異重流入?yún)R的典型黃河劉家峽水庫的相關(guān)資料，分析支流異重流入?yún)R區(qū)沙壩的演化過程及其與水庫調(diào)度、水沙條件及支流淤積形態(tài)的響應(yīng)關(guān)系，以期為黃河劉家峽水庫汛期優(yōu)化調(diào)度提供參考。

1 劉家峽水庫概況

劉家峽水庫是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、養(yǎng)殖等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程，位于甘肅省永靖縣境內(nèi)黃河干流上，壩址控制流域面積181 766 km2。水庫1968年10月正式蓄水，水庫正常蓄水位1 735.00 m，汛期防洪限制水位1 726.00 m，死水位1 694.00 m[8]。庫區(qū)由黃河干流、支流大夏河和洮河庫區(qū)3部分組成。其中，洮河是一條多沙河流，于大壩上游1.5 km處匯入干流，洮河渾水多以異重流形式進(jìn)入黃河干流，在干流形成沙壩；水庫高水位時(shí)，沙壩阻擋泥沙在庫區(qū)的輸送；低水位時(shí)，沙壩攔蓄了其上游的蓄水，使電站不能正常引水發(fā)電。干支流庫區(qū)平面地形見圖1。

圖1 劉家峽水庫庫區(qū)平面圖

2 干流沙壩演變過程

劉家峽水庫運(yùn)用以來，受水庫蓄水運(yùn)用和入庫水沙條件等的影響，庫區(qū)干流縱剖面形成了三角洲淤積形態(tài)。淤積縱剖面由三角洲頂坡段、前坡段、過渡段及壩前段組成。其中，壩前段由于洮河庫段泥沙淤積發(fā)展形成沙壩，劉家峽水庫黃河干流深泓點(diǎn)淤積縱剖面見圖2?？梢缘玫剑S淤9-2以下是干流沙壩段，黃淤14斷面以上是淤積三角洲段；黃淤14至黃淤9-2是三角洲與沙壩之間的過渡段，基本為水平，是干流異重流淤積與倒灌淤積段。

圖2 劉家峽水庫黃河干流深泓點(diǎn)淤積縱剖面圖

洮河口沙壩是洮河來水來沙在洮河及壩前地形、水庫運(yùn)用條件下形成的一種特殊淤積形態(tài)。圖3、4為壩前段沙壩縱剖面及沙壩高程變化過程。可以得出水庫運(yùn)用初期，壩前淤積面較低，泥沙主要淤積在壩前段，壩前沙壩不明顯，1972—1980年沙壩高程迅速抬升，高程達(dá)到1 690.70 m，增高幅度達(dá)到29.50 m，影響范圍迅速變大；之后，沙壩抬升速度有所減緩，但發(fā)展仍然較快，1988年高程達(dá)1 699.99 m，之后沙壩高程有所降低，2000年以后緩慢增加。2011年高程達(dá)到1 700.58 m，沙壩上游迎水坡高差達(dá)到24.37 m。

圖3 黃河干流壩前段沙壩縱剖面圖

圖4 沙壩頂部高程變化過程圖

3 沙壩影響因素分析

洮河口沙壩的形成與來水來沙條件、洮河淤積形態(tài)及水庫調(diào)度過程密切相關(guān)。

3.1 入庫水沙對(duì)沙壩形成的影響

劉家峽水庫壩前沙壩的形成與洮河來沙密不可分。劉家峽水庫1968—2010年年均入庫沙量4 947萬t，洮河沙量2 141萬t，洮河沙量占總?cè)霂焐沉康?3.3%。洮河泥沙主要來自汛期幾次沙峰，由于洮河狹窄，汛期沙峰極易形成異重流，洮河異重流運(yùn)動(dòng)入?yún)R至干流后，分別流向干流下游和倒灌干流上游，在交匯區(qū)異重流流速驟降，水流中泥沙快速落淤，在干支流交匯口形成沙壩。

圖5 沙壩增長(zhǎng)高度與洮河來沙量關(guān)系圖

圖5給出了劉家峽水庫部分年份壩前沙壩與洮河來沙量關(guān)系。可以得出壩前沙壩抬升高度與洮河紅旗站沙量呈正相關(guān)關(guān)系，在洮河來沙量較大的年份，沙壩抬升速度較快。由于受水庫調(diào)度影響，各年變化有所不同。水庫蓄水初期，洮河壩前淤積面較低，洮河入庫沙量基本淤積在洮河及壩前段，沙壩不明顯或增長(zhǎng)較慢，如1971—1972年共來沙2 699萬t(見表1)，淤積2 250萬m3，其中洮河淤積653萬m3，壩前段(黃0～黃3)淤積70萬m3，黃3～黃9-1淤積1 530萬m3，分別占2 a總淤積的29%、3%、68%。1973年洮河入庫泥沙較多，為5 229萬t，當(dāng)年汛期未能及時(shí)開啟泄水道排沙，排沙約1 480萬t，大量泥沙過機(jī)，同時(shí)也使得壩前(黃1)淤積面迅速抬高，干流壩前沙壩逐步形成雛形。之后，沙壩高程不斷抬升。1976年和1979年來沙分別為3 819萬t和6 531萬t，2 a排沙也較大，分別為2 270萬t、3 470萬t，與其他年份相比，當(dāng)年沙壩抬升并不是太大。1981年和1988年進(jìn)行過低水位拉沙，雖然當(dāng)年來沙不少，但沙壩抬升幅度不大。

表1 部分年各站沙量對(duì)比 /萬t

3.2 支流淤積形態(tài)對(duì)沙壩的影響

受劉家峽水庫蓄水影響，1971年洮河淤積縱剖面呈現(xiàn)明顯的三角洲淤積形態(tài)見圖6。1971年三角洲頂點(diǎn)位于洮6斷面(TH06)，距洮河口8.4 km(距壩9.9 km)，高程1 701.41 m。淤積三角洲頂點(diǎn)高程取決于水庫運(yùn)用水位及洮河來水來沙條件。由于泥沙主要來自汛期，因此，三角洲頂點(diǎn)淤積位置主要受汛期運(yùn)用水位的影響。1981年三角洲頂點(diǎn)位于洮4斷面(TH04)，距洮河口3.7 km(距壩5.2 km)，頂點(diǎn)高程1 705.15 m，1983年位于洮3斷面(TH03)，距洮河口2.6 km(距壩4.1 km)，頂點(diǎn)高程1 710.90 m。隨著泥沙淤積逐漸發(fā)展，總的趨勢(shì)是三角洲頂點(diǎn)逐漸向壩前推進(jìn)，頂點(diǎn)高程逐漸抬升。

圖6 洮河淤積縱剖面(深泓點(diǎn))圖

壩前沙壩變化過程與洮河淤積三角洲淤積形態(tài)變化有較好的同步性，沙壩高程與洮河三角洲頂點(diǎn)高程關(guān)系見圖7。隨著洮河淤積三角洲向壩前推進(jìn)，前坡段迅速淤積抬升，三角洲頂點(diǎn)不斷抬升，干流壩前沙壩也隨之抬升。壩前運(yùn)用水位較高時(shí)，洮河泥沙主要淤積在洮河庫區(qū)上段，壩前沙壩抬升也較慢。

圖7 沙壩高程與洮河三角洲頂點(diǎn)高程關(guān)系圖

3.3 水庫調(diào)度對(duì)沙壩的影響

洮河泥沙主要來自汛期幾次沙峰，汛期沙峰極易形成異重流入?yún)R干流，異重流屬于超飽和輸沙，沿程淤積。汛期沙峰在形成異重流以及異重流向壩前運(yùn)行速度、泥沙落淤等與運(yùn)行水位密切相關(guān)。

圖8點(diǎn)繪了沙壩抬升高度與7—9月平均水位關(guān)系。可以得出，除個(gè)別年份由于入庫沙量等特殊原因外，沙壩抬升高度與7—9月壩前平均水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。即，水位越低，沙壩抬升高度越大；水位越高，沙壩抬升高度越小。分析發(fā)現(xiàn)，汛期水位較低時(shí)，支流洮河回水較短，含沙水流很快運(yùn)行至壩前(干流庫區(qū))，泥沙主要淤積在干流，壩前攔門沙淤積速度相對(duì)較大；如1988年之前，水庫最低水位基本在1 695.00～1 710.00 m之間變化，汛期水位相對(duì)也較低，水庫運(yùn)用至1988年，攔門沙高程迅速抬升至1 699.99 m，抬升38.83 m。汛期水庫高水位運(yùn)用時(shí)，支流洮河回水較長(zhǎng)，含沙水流在向壩前運(yùn)行的過程中沿程落淤，入?yún)R干流泥沙較少，壩前攔門沙淤積速度相對(duì)較緩，這一點(diǎn)從1989以后水庫運(yùn)用也可以得到。1989年以后，7—9月運(yùn)用水位較高，沙壩高程變化較小。

圖8 沙壩抬升高度與7—9月平均運(yùn)用水位關(guān)系圖

需要說明的是，雖然1974、1980-1982、1988年運(yùn)用水位不高，但沙壩抬升較小，這主要是因?yàn)?974、1980、1982年洮河來沙較少，其中1980年來沙僅820萬t；1981年和1988年主要是進(jìn)行了低水位拉沙運(yùn)用。1981年和1988年水庫低水位拉沙運(yùn)用說明，在來沙較大的年份，開展低水位拉沙運(yùn)用能夠有效減小攔門沙壩抬升速度。

3.4 沙壩對(duì)水沙和水庫調(diào)度的響應(yīng)機(jī)制

由前面分析可以得到，支流倒灌進(jìn)入干流形成沙壩與干支流水沙條件、邊界條件、水庫運(yùn)用等因素有關(guān)，不同因素影響程度不同。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，通過多元線性擬合得到沙壩抬升高度與干支流來水來沙條件、水庫調(diào)度等因素關(guān)系：

(1)

式中:hL為沙壩歷年抬升高度，m;ΔH為劉家峽水庫運(yùn)用年最高水位與平均水位差,m；WsH為紅旗站來沙，億t；WH為紅旗站來水量，億m3；LT為洮河淤積三角洲頂點(diǎn)距壩里程，km；WsX為循化站來沙量，億t；WX為循化站來水量，億m3。A為常數(shù)，取8.25×1016，沙壩抬升高度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖9。

圖9 沙壩抬升高度實(shí)測(cè)值與公式(1)計(jì)算值對(duì)比圖

由于洮河三角洲頂點(diǎn)發(fā)展與水庫運(yùn)用水位及洮河來水來沙密切相關(guān)，不考慮水庫水位變化及洮河三角洲頂點(diǎn)距壩里程的變化，只考慮干、支流來水來沙條件，通過多元線性擬合得到：

(2)

式中:hL為沙壩歷年抬升高度，m；WsH為為紅旗站來沙，億t；WH為紅旗站來水量，億m3；WsX為循化站來沙量，億t；WX為循化站來水量，億m3。A為常數(shù)，取9.12×1012，沙壩抬升高度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見圖10。

圖10 沙壩抬升高度實(shí)測(cè)值與公式(2)計(jì)算值對(duì)比圖

4 結(jié) 論

(1)劉家峽水庫壩前攔門沙壩的形成與支流水沙條件、支流淤積形態(tài)及水庫調(diào)度等因素有關(guān)。

(2) 隨著入庫沙量增大，庫區(qū)淤積增大，攔門沙壩抬升幅度增加。

(3) 隨著汛期運(yùn)用水位抬升，支流洮河回水長(zhǎng)度增加，洮河入庫泥沙主要淤積在洮河內(nèi)部，干流淤積較少，壩前攔門沙抬升幅度也隨之減小。

(4) 隨著洮河淤積三角洲向壩前推進(jìn)，前坡段迅速淤積抬升，干流壩前沙壩也隨之抬升。通過多元回歸得到沙壩抬升高度與入庫水沙關(guān)系。結(jié)合入庫水沙情況及庫區(qū)地形，尤其是洮河，通過調(diào)度能夠減緩水庫壩前攔門沙壩抬升速度。

隨著人類活動(dòng)對(duì)黃河流域的影響日益顯著，研究黃河干支流攔門沙坎的時(shí)空變化及其沖淤演變規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)攔門沙坎未來演變趨勢(shì)，提高水庫調(diào)度水平具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。