2019年汛期小浪底水庫排沙運用效果及影響因素分析

王婷 高梓軒 蔣思奇 王子路

摘 要：2019年汛期黃河流域暴雨過程頻繁，為應(yīng)對渭河洪水、上游來水及洪水泥沙，小浪底水庫科學(xué)實施水沙調(diào)控，取得了顯著的防洪減淤效益?；趯崪y資料，分析2019年小浪底水庫運用及進出庫水沙、庫區(qū)淤積形態(tài)變化、沖淤分布、水庫排沙影響因素。結(jié)果表明：汛期小浪底庫區(qū)干流產(chǎn)生強烈沖刷，沖刷量為1.743億m3，三角洲洲面段深泓點高程平均降低約4.6 m;水庫全年排沙5.451億t，庫區(qū)沖刷2.654億t，排沙比為194.9%;兩次低水位排沙運用時段水庫排沙5.334億t，占全年排沙總量的97.9%，庫區(qū)沖刷3.978億t，排沙比為393.4%;洪水期排沙運用水位長時間處于較低水平，前期庫區(qū)淤積泥沙較多，以及汛期較強的入庫水流動力，是2019年汛期取得較好排沙效果的主要原因。

關(guān)鍵詞：排沙;沖刷;水流動力;水庫調(diào)度;小浪底水庫

中圖分類號：TV145

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.004

引用格式：王婷，高梓軒，蔣思奇，等.2019年汛期小浪底水庫排沙運用效果及影響因素分析[J].人民黃河，2021，43（12）：18-22.

Abstract： In the flood season of 2019， the rainstorm process in the Yellow River Basin was frequent. In order to deal with the flood and sediment from Weihe River and its upstream， Xiaolangdi Reservoir had implemented scientific regulation of water and sediment and achieved significant flood control and deposition reduction. Based on the measured data， this paper analyzed the operation process of Xiaolangdi Reservoir in 2019， the deposition morphology and distribution， and the influencing factors of sediment discharge. The results show that during the flood season， strong scouring occurs in the main stream of the reservoir. The amount of scouring is 174.3 million m3， and the thalweg elevation in delta section decreases 4.6 m. The annual sediment discharge of the reservoir is 545.1 million tons， the amount of scouring is 265.4 million tons， and the sediment discharge ratio is 194.9%. During the period of two low water level sediment discharge operations， the sediment discharge is 533.4 million tons， accounting for 97.9% of the total annual sediment discharge， and erosion is 397.8 million tons， and the sediment discharge ratio is 393.4%. The main reasons for the better effect of sediment discharge in flood season in 2019 are that the water level in front of dam is at a lower level for a long time， more sediment is deposited in the early stage and strong inflow flow power in flood season.

Key words： sediment discharge; scouring; hydrodynamic; reservoir operation; Xiaolangdi Reservoir

小浪底水利樞紐是一座除害興利的綜合性樞紐工程，主要任務(wù)以防洪（防凌）、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電[1-2]。水庫正常運用水位為275 m，原始庫容為127.5億m3，長期有效庫容51億m3，2000年5月正式投入運用。水庫自運用以來，在保障下游防洪減淤及生活、生產(chǎn)、灌溉和生態(tài)用水安全等方面發(fā)揮了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益[3-5]。2019年汛期黃河流域暴雨過程頻繁，共出現(xiàn)4次編號洪水，小浪底入庫水量為220.95億m3。為應(yīng)對渭河洪水、上游來水以及洪水泥沙，按照“統(tǒng)籌兼顧，泄蓄兼籌，科學(xué)調(diào)度，全力防控，確保安全”的原則[6]，小浪底水庫科學(xué)實施水沙調(diào)控，取得了顯著的防洪減淤效益。2019年小浪底進出庫沙量分別為2.797億、5.451億t，排沙比為194.9%。及時對水庫排沙效果及影響因素進行總結(jié)，能夠為今后水庫調(diào)度提供技術(shù)支撐。

1 水庫運用及進出庫水沙

2019年（水庫運用年，上年11月1日至2019年10月31日）小浪底水庫日均最高運用水位為269.96 m（2月16日），最低為210.10 m（7月24日）（見圖1）。年內(nèi)水庫運用可分為3個階段：第一階段為2018年11月1日至2019年6月20日，水庫以蓄水、防凌、供水為主;第二階段為6月21日至8月11日，水庫以防洪排沙運用為主;第三階段為8月12日至10月31日，水庫以蓄水防洪為主。水庫排沙主要集中在第二階段，下面重點對該階段進行分析。

6月21日至8月11日，受中上游幾次降雨過程影響，水庫運用先后經(jīng)歷了汛前騰庫迎洪運用、汛期首次低水位排沙運用及汛期二次低水位排沙運用3個過程。

汛前騰庫迎洪運用（6月21日—7月6日）：為盡快將庫水位降至汛限水位，同時應(yīng)對上游來水，小浪底水庫從6月21日開始加大泄量，進行汛前騰庫迎洪運用。6月23日至7月6日，小浪底出庫流量均大于3 200 m3/s，平均值為3 893 m3/s，最大為4 670 m3/s（6月30日），庫水位從249.8 m降至229.8 m。該運用過程小浪底水庫平均運用水位為239.53 m，進出庫水量分別為23.83億、52.46億m3，進出庫沙量分別為0.317億、0.044億t，庫區(qū)淤積0.273億t，排沙比為13.9%（見表1）。

汛期首次低水位排沙運用（7月7日—8月5日）：7月7日庫水位降至228.30 m，小浪底水庫維持大流量出庫，開始汛期首次低水位排沙運用。7月7日出庫含沙量11.76 kg/m3，為塑造有利水流條件挾沙出庫，避免洪峰增大，11日至16日小浪底水庫減小下泄流量至2 600 m3/s左右。14日庫水位降至215.39 m，出庫含沙量為140 kg/m3，15日出庫含沙量為213 kg/m3，最大瞬時值為264 kg/m3。17日水庫開始加大泄量，庫水位持續(xù)下降，24日降至210.10 m，之后庫水位維持在211.5 m附近運用至8月1日。8月2日入庫流量減小，水庫蓄水，8月5日庫水位達到220.33 m，出庫含沙量為2.45 kg/m3。該運用過程小浪底水庫平均運用水位為215.85 m，進出庫水量分別為61.73億、76.41億m3，進出庫沙量分別為1.181億、4.860億t，庫區(qū)沖刷3.679億t，排沙比為411.5%。

汛期二次低水位排沙運用（8月6日—11日）：8月6日隨著洪水入庫，小浪底水庫再次增大泄量至4 200 m3/s，進行汛期二次低水位排沙運用。8月9日庫水位降至214.85 m，出庫含沙量增至63.77 kg/m3，之后，入庫流量減小，水庫開始蓄水。8月11日出庫流量降至800 m3/s，庫水位達到220.48 m，出庫含沙量為12.88 kg/m3。該運用過程小浪底水庫平均庫水位為218.22 m，進出庫水量分別為14.98億、16.32億m3，進出庫沙量分別為0.175億、0.474億t，庫區(qū)沖刷0.299億t，排沙比為270.9%。

2019年小浪底進出庫水量分別為405.41億、458.50億m3，進出庫沙量分別為2.797億、5.451億t，沙量全部集中在汛前騰庫迎洪運用時段和汛期，庫區(qū)沖刷2.654億t，排沙比為194.9%。水庫排沙主要集中在汛期兩次低水位排沙運用時段（7月7日—8月11日），該時段歷時36 d，入庫沙量為1.356億t，占全年入庫沙量的48.5%，而出庫沙量5.334億t，占全年出庫沙量的97.9%，庫區(qū)沖刷3.978億t，排沙比為393.4%。這表明，洪水期開展低水位排沙運用不僅能夠輸送洪水帶來的泥沙，而且還有效地沖刷了庫區(qū)前期淤積物，取得較好的排沙效果。

2 水庫淤積形態(tài)

2.1 縱剖面

2019年汛期小浪底庫區(qū)干流發(fā)生強烈沖刷（見圖2），干流三角洲洲面段深泓點高程平均降低約4.6 m。與歷年深泓點縱剖面對比可以發(fā)現(xiàn)，2019年汛后干流三角洲洲面HH10斷面（距壩13.99 km）以上庫段接近或略高于2013年汛前縱剖面，三角洲頂點附近庫段與汛前相比變化不大，壩前HH05斷面以下受泄流等影響，發(fā)生少量沖刷。三角洲頂點維持在2019年汛前的HH06斷面（距壩7.74 km），頂點高程由汛前的212.93 m降低至212.66 m。

2.2 橫斷面

庫區(qū)HH37斷面以上庫段。該庫段河床狹窄，河勢受兩岸山體的制約蜿蜒曲折，河勢穩(wěn)定，汛期水庫運用水位相對較低，該庫段基本脫離回水影響。其中HH52斷面以上庫段河道比降較大，約為千分之二，且寬度較小，為200～250 m，河床多年變化不大。HH37—HH52之間庫段河床調(diào)整主要受入庫水沙條件影響，長期的小流量過程使河槽逐步萎縮。2019年汛期大流量入庫時，雖然河槽橫向展寬受上下游山嘴的制約，但河槽因下切刷深故仍得到較大擴展，如HH48斷面，見圖3（a）。該庫段深泓點高程平均降低5.11 m。

HH06—HH37斷面之間庫段。該庫段處于淤積三角洲洲面段，河道平行抬升淤積，灘槽狀態(tài)交替出現(xiàn)，尚未形成固定灘槽。河床調(diào)整與入庫水沙條件及水庫調(diào)度過程關(guān)系密切。當(dāng)汛期運用水位較高時，該庫段在回水區(qū)，水沙以異重流形式運動，斷面平行抬升淤積，灘槽不明顯。2019年汛期入庫水沙量較大且運用水位較低，該庫段以河道狀態(tài)呈現(xiàn)，河槽沖刷、灘地淤積，出現(xiàn)明顯灘槽，如HH34、HH23和HH13斷面，見圖3（b）（c）（d）。該庫段深泓點高程平均降低4.35 m，灘地抬升0.5～3.0 m。此外，該庫段河槽形成與HH37斷面以上庫段有所不同，HH37斷面以上以沿程沖刷為主，而該庫段沖刷主要發(fā)生在低水位運用時段，庫區(qū)沖刷為溯源沖刷和沿程沖刷的疊加。

HH06斷面以下庫段。該庫段基本常年在回水區(qū)，河床變化主要受水庫調(diào)度和上游來水來沙影響，大部分時段以淤積抬升為主。2019年汛期水庫低水位運用時間較長，排沙洞長時間開啟，使得壩前至三角洲頂點庫段也出現(xiàn)明顯灘槽，如HH01和HH05斷面（見圖4）。該庫段深泓點高程平均降低1.15 m，灘地抬升2.0～5.0 m。該庫段灘槽形成與三角洲頂點至HH37斷面之間庫段有所不同，主要是壩前泄流引起的河槽溯源沖刷以及異重流淤積引起的灘地抬升，而后者主要是由明流引起的淤灘刷槽。

支流受到高含沙水流倒灌的影響，大部分以淤積為主，如大峪河出現(xiàn)明顯淤積，見圖5（a）。部分支流因內(nèi)部蓄水下泄，故在口門形成河槽，如畛水河，見圖5（b）。計算表明，2019年汛期支流畛水河口沖刷泥沙4萬m3，而支流內(nèi)部仍表現(xiàn)為淤積，淤積量為40萬m3。

3 庫區(qū)沖淤量分布

2019年汛期小浪底庫區(qū)干流發(fā)生強烈沖刷，沖刷量為1.743億m3。其中：HH20—HH38沖刷最為劇烈，沖刷量為1.140億m3;HH08—HH20和HH38—HH53庫段分別沖刷0.243億、0.424億m3，其他庫段發(fā)生少量淤積，見表2。

2019年汛期小浪底庫區(qū)干流淤灘刷槽現(xiàn)象明顯。根據(jù)小浪底水庫運用以來歷年斷面套繪及河勢變化，對2019年汛前汛后小浪底庫區(qū)各斷面進行灘槽劃分并計算出灘地淤積量與河槽沖刷量，見表2、圖6和圖7（其中：圖6為庫區(qū)干流河槽沖淤量和灘地淤積量沿程分布情況;圖7對圖6中河槽沖淤量進一步細化，將河槽沖淤量分為因河槽下切而產(chǎn)生的沖刷量和因河槽展寬而引起的沖刷量兩個部分，并給出兩部分沿程變化情況）。由圖7可以看出，2019年汛期庫區(qū)干流河槽沖刷量為2.120億m3，其中HH20—HH38庫段河槽沖刷最為強烈，該庫段河槽沖刷量為1.193億m3，占河槽沖刷總量的56.3%。灘地共淤積泥沙0.377億m3，主要集中在HH14斷面以下庫段。

2019年汛期小浪底庫區(qū)干流河槽沖刷主要表現(xiàn)為河槽下切和河槽展寬兩種情況。其中：河槽下切產(chǎn)生的沖刷量為1.524億m3，是沖刷的主體，占河槽沖刷量的71.9%;河槽展寬產(chǎn)生的沖刷量為0.596億m3，占河槽沖刷量的28.1%。

4 水庫排沙影響因素

水庫排沙效果與入庫水沙條件、水庫調(diào)度、庫區(qū)淤積物狀態(tài)、庫區(qū)地形條件等多種因素有關(guān)。下面主要從沙源、水流動力以及水庫調(diào)度3個方面分析各因素對2019年汛期排沙效果的影響[7]。

4.1 沙源

小浪底水庫排出的泥沙主要為上游來沙和庫區(qū)淤積的泥沙。研究表明[8]，淤積泥沙的干容重隨泥沙淤積厚度和淤積時間的增加而增大，淤積體長時間受力固結(jié)，泥沙顆粒之間固結(jié)成整體，抗沖性強。相比較而言，庫區(qū)沉積歷時較短的泥沙相對容易起動并被排出庫外。

2018年汛期，為應(yīng)對黃河第1號洪水，7月3日小浪底水庫實施降低水位排沙運用，至7月26日水庫處于持續(xù)沖刷狀態(tài)，7月27日庫水位抬升至219.89 m，庫區(qū)呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，直至汛期結(jié)束（見圖8）。7月27日至汛期結(jié)束小浪底水庫進出庫沙量分別為3.167億、0.531億t，庫區(qū)新增淤積泥沙2.636億t，這部分泥沙沉積歷時較短，在2019年洪水期水庫沖刷時相對容易起動并被排泄出庫。

由表1可知，2019年6月21日至8月11日小浪底入庫泥沙1.673億t，而該時段小浪底排沙5.378億t，排沙量大于洪水期間來沙量與2018年水庫回蓄之后淤積量之和（4.309億t），說明該時段小浪底水庫排出的泥沙不僅是2018年排沙結(jié)束后庫區(qū)淤積的泥沙和2019年洪水期入庫泥沙，還沖刷了2018年以前淤積在庫區(qū)的1.069億t泥沙。值得一提的是，2018年排沙結(jié)束后庫區(qū)淤積的泥沙和三門峽水庫輸送的泥沙分別占該時段出庫沙量的49.0%和31.1%，兩者合計占該時段排沙總量的80.1%。也就是說，從泥沙供給角度來看，2019年小浪底水庫排沙取得較好效果的原因，一是洪水期上游來沙較多，二是2018年沖刷結(jié)束后庫區(qū)淤積泥沙較多，這些泥沙為提高水庫排沙效果提供了大量沙源。

4.2 水流動力

水流動力條件是影響水庫排沙效果的主要因素之一。小浪底水庫運用以來排沙主要集中在7—8月。2019年7—8月小浪底入庫水量為119.95億m3，是水庫運用以來同期入庫水量最大的一年（見圖9）。其中，7月、8月入庫水量分別為63.69億、56.26億m3，7月入庫水量位居同期第一，8月入庫水量僅次于同期最大年份2012年的64.44億m3。汛期兩次低水位排沙運用時段入庫水量為76.71億m3，平均入庫流量2 466 m3/s。因此，2019年小浪底水庫7—8月較大的入庫水量為水庫取得較好的排沙效果提供了強大的水流動力。

4.3 水庫調(diào)度

洪水期小浪底庫區(qū)輸沙流態(tài)一般分為明流均勻流輸沙、壅水明流輸沙和異重流輸沙三種。洪水入庫期間，小浪底水庫壩前水位越低，回水長度越短，意味著明流段可沖刷距離越長，沖刷量越大，同時也會減少明流段壅水輸沙距離和異重流輸沙距離，從而加大異重流排沙出庫的沙量。當(dāng)壩前水位低于三角洲頂點時，庫區(qū)產(chǎn)生強烈的溯源沖刷，庫水位越低，沖刷強度越大，沖刷距離也越長[9]。2019年汛期小浪底水庫排沙歷時較長，累計排沙57 d。其中汛期兩次低水位排沙運用大部分時段壩前水位在三角洲頂點高程附近，最低為210.10 m，平均為216.24 m（見圖10），相應(yīng)回水長度13 km，為歷年排沙運用期最小回水長度。因此，2019年汛期長時間低水位運用是造成庫區(qū)強烈沖刷的又一個主要因素。此外，汛期兩次低水位排沙運用時段出庫水量92.73億m3，明顯大于入庫水量76.71億m3，說明洪水期庫水位總體上處于下降過程，運行至壩前的高含沙水流能夠及時排泄出庫，減少壩前庫區(qū)落淤，從而提高排沙效果。

綜上，前期庫區(qū)淤積泥沙較多、洪水期入庫水流動力較強以及壩前低水位排沙運用時間較長等多種因素疊加，一是有利于庫區(qū)三角洲洲面段產(chǎn)生自上而下的沿程沖刷，二是有利于三角洲頂點附近產(chǎn)生自下而上的溯源沖刷，三是有利于在近壩段形成異重流并及時排沙出庫。因此，多種因素的綜合作用，形成了小浪底水庫2019年較高的排沙比與較大的出庫沙量。

5 結(jié) 語

為應(yīng)對入庫洪水，2019年汛期小浪底水庫科學(xué)實施水沙調(diào)控，開展了兩次低水位排沙運用，歷時36 d，取得了顯著的防洪減淤效益。

（1）水庫排沙主要集中在汛期兩次低水位排沙運用時段。全年水庫排沙5.451億t，庫區(qū)沖刷2.654億t，排沙比為194.9%。其中兩次低水位排沙運用時段水庫排沙5.334億t，占全年排沙總量的97.9%，庫區(qū)沖刷3.978億t，排沙比393.4%。

（2）汛期庫區(qū)干流發(fā)生較強烈的淤灘刷槽，河槽沖刷量為2.120億m3，灘地淤積0.377億m3，合計沖刷量為1.743億m3，三角洲洲面段深泓點高程平均降低約4.6 m。

（3）庫區(qū)斷面形態(tài)總體調(diào)整較大，各庫段形態(tài)變化有所不同。HH52斷面以上庫段河道比降較大，約為千分之二，寬度較小，為200～250 m，河床變化不大。HH52—HH37斷面之間庫段以沿程沖刷為主，河槽因下切刷深而得到較大擴展，深泓點高程平均降低5.11 m。HH37—HH06斷面（三角洲頂點）之間庫段為溯源沖刷和沿程沖刷的疊加，河槽沖刷、灘地淤積，出現(xiàn)明顯灘槽，深泓點高程平均降低4.35 m，灘地抬升0.5～3.0 m。HH06斷面以下庫段深泓點高程平均降低1.15 m，灘地抬升2.0～5.0 m。

（4）2019年汛期取得較好排沙效果的原因主要有：一是洪水期壩前低水位排沙運用時間較長，庫區(qū)回水長度較短，兩次低水位排沙運用時段水庫最低運用水位210.10 m，平均運用水位216.24 m，回水長度13 km，為歷年排沙運用期最小回水長度;二是前期庫區(qū)新增淤積物較多，2018年排沙結(jié)束后庫區(qū)新增淤積泥沙2.636億t;三是汛期入庫水流動力較強，7—8月入庫水量119.95億m3，位居小浪底水庫運用以來同期第一，兩次低水位排沙運用時段入庫水量76.71億m3，平均入庫流量2 466 m3/s。

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