小浪底水庫異重流排沙效率分析

萬柳明，張東鋒，徐梓斐，劉勇進(jìn)

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475000）

1999年10月，小浪底水庫開始蓄水，水庫初期蓄水階段基本可以攔截三門峽水庫出庫的全部泥沙，小浪底水庫主要利用異重流排沙。合理利用在水庫底部運(yùn)動(dòng)的異重流可以把泥沙排走，減少水庫淤積，這是水庫減淤的重要途徑。黃河含沙量大，在庫底縱比降較大的情況下，就容易產(chǎn)生異重流，并且形成的異重流有足夠的能量運(yùn)行到壩前，只要進(jìn)行合理調(diào)度，異重流排沙就可以取得明顯效果。小浪底水庫的多次調(diào)水調(diào)沙都產(chǎn)生了異重流，2004—2010年小浪底水庫平均排沙比為42.1%，2013年水庫排沙比達(dá)到169.7%，但2014年小浪底水庫保持高水位，產(chǎn)生的異重流運(yùn)行時(shí)間較短，開始時(shí)間為7月5日10:00，7月9日00:00 結(jié)束，排沙比為36%，低于往年的平均排沙比。

1 小浪底水庫進(jìn)出庫水沙情況

1.1 小浪底水庫入庫水沙過程

2014年7月5日00:00，三門峽水庫開始加大流量下泄清水；7月5日06:00，流量增大到3 110 m/s；7月5日09:00，流量增大到4 020 m/s；7月5日11:54，流量增大到5 350 m/s。此后持續(xù)按5 000 m/s下泄至7月6日06:00，此階段最大流量為5 430 m/s（5日22:06）。7月6日12:00 以后，三門峽水庫下泄流量減少到小于2 000 m/s，直至水庫泄空。7月6日00:00 開始，拉沙下泄產(chǎn)生異重流，最大含沙量為340 kg/m（6日12:00）。

從小浪底水庫出庫日平均流量來看，7月5日為1 800 m/s，7月6日為2 580 m/s，7月7日為2 450 m/s，7月8日為2 140 m/s，7月9日為1 060 m/s。7月5日15:20，小浪底水庫排沙出庫，7月5日15:48，其含沙量為1.52 kg/m，此時(shí)含沙量較小，隨著大流量下泄形成的異重流排沙出庫，5日16:36，含沙量為11.2 kg/m，5日18:00 為37.8 kg/m，7月6日02:00 為43.0 kg/m，7月6日05:00 達(dá)到最大，為58.8 kg/m。而后，隨著三門峽水庫排沙，小浪底水庫出庫含沙量為30 ～40 kg/m。7月8日以后，出庫含沙量開始減小。7月9日00:00，排沙洞關(guān)閉。

1.2 小浪底水庫出庫水沙過程

根據(jù)水沙調(diào)度方案，小浪底水庫出庫日平均流量為2 010 m/s，最大出庫流量為3 500 m/s（7月5日06:24）。5日異重流到達(dá)壩前后，排沙洞隨即打開，異重流開始排沙出庫，最大含沙量出現(xiàn)在7月6日05:00，為58.8 kg/m。7月9日08:48，小浪底水庫出庫流量為1 120 m/s，含沙量已降至1.61 kg/m，異重流排沙結(jié)束。在整個(gè)調(diào)水調(diào)沙過程中，各水文站特征值如表1 所示。

表1 小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期間的進(jìn)出庫水沙情況

2 水庫運(yùn)行情況

2.1 異重流測驗(yàn)斷面布設(shè)

下面根據(jù)《2014年汛前黃河調(diào)水調(diào)沙預(yù)案》的目標(biāo)和要求，分析庫區(qū)淤積形態(tài)和調(diào)水調(diào)沙庫水位變化情況。小浪底水庫潛入點(diǎn)靠近大壩，測驗(yàn)斷面變少。2014年，小浪底庫區(qū)布設(shè)了2 個(gè)異重流基本測驗(yàn)斷面和2 個(gè)異重流輔助測驗(yàn)斷面。基本測驗(yàn)斷面為桐樹嶺斷面與HH04 斷面，輔助測驗(yàn)斷面為HH06 斷面與潛入點(diǎn)斷面，距壩里程如表2 所示。潛入?yún)^(qū)域?qū)崪y的斷面根據(jù)潛入點(diǎn)和水位變化情況上移或者下移。

表2 2014年異重流測驗(yàn)斷面布設(shè)情況

2.2 異重流測驗(yàn)情況

調(diào)水調(diào)沙期間，小浪底水庫人工塑造異重流的過程可分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段是三門峽水庫開閘泄水，下泄水流對下游河道產(chǎn)生沖刷，使水流的含沙量迅速增加，其進(jìn)入水庫回水末端，形成異重流。第二階段為三門峽水庫開始拉沙下泄，產(chǎn)生異重流，因?yàn)橄滦顾骱沉枯^大，本階段異重流使第一階段形成的異重流得到持續(xù)。經(jīng)監(jiān)測，小浪底水庫人工塑造的異重流已潛入，潛入后迅速增大增強(qiáng)，潛入點(diǎn)往下遷移，三門峽水庫大流量下泄水流產(chǎn)生的異重流快速向下游推進(jìn)，能量迅速增強(qiáng)。隨著異重流峰頭的推進(jìn)，其運(yùn)行至壩前并出庫。

水庫異重流按其在水庫中的不同演進(jìn)部位可劃分為潛入點(diǎn)區(qū)、庫內(nèi)演進(jìn)區(qū)與壩前區(qū)三部分。含沙水流進(jìn)入水庫后，異重流開始從潛入點(diǎn)形成，在潛入點(diǎn)附近，入庫水流由普通的含沙明渠水流轉(zhuǎn)化為異重流。對異重流潛入點(diǎn)位置進(jìn)行查勘確定和對影響潛入點(diǎn)位置變化的要素進(jìn)行分析是研究異重流規(guī)律的一項(xiàng)重要任務(wù)。

2.3 異重流潛入點(diǎn)測驗(yàn)

7月5日10:30，在HH09 斷面上游400 m 處 首次監(jiān)測到異重流潛入點(diǎn)，最大測點(diǎn)流速達(dá)到0.44 m/s，最大含沙量為74.7 kg/m；7月5日14:30，HH01 斷面監(jiān)測到異重流，最大測點(diǎn)流速達(dá)到0.68 m/s，最大含沙量為380 kg/m，表明三門峽水庫下泄的小流量異重流排沙出庫。7月5日17:00，HH09 斷面下游305 m 處監(jiān)測到異重流潛入點(diǎn)，潛入點(diǎn)處水深為6.1 m，渾水厚度為4.69 m，最大測點(diǎn)流速為1.53 m/s，異重流層平均含沙量達(dá)到43.0 kg/m，渾水的流速與厚度明顯增大，可認(rèn)為異重流在小浪底水庫形成，其潛入點(diǎn)的位置隨著流量的增大逐漸向下移動(dòng)。

7月6日07:10，HH06 斷面上游1 126 m 處監(jiān)測到異重流潛入點(diǎn)，潛入點(diǎn)處水深為10.5 m，渾水厚度為6.3 m，最大測點(diǎn)流速為1.07 m/s，異重流層平均含沙量達(dá)到21.3 kg/m，渾水厚度增大，異重流潛入點(diǎn)位置繼續(xù)下移。

7月7日07:15，HH07 斷面上游580 m 處監(jiān)測到異重流潛入點(diǎn)，潛入點(diǎn)處水深為11.5 m，渾水厚度為5.3 m，最大測點(diǎn)流速為0.48 m/s，異重流層平均含沙量達(dá)到4.99 kg/m，三門峽水庫排沙對小浪底水庫異重流形成持續(xù)作用，但是，隨著三門峽水庫下泄流量減小，異重流流速也相對減小，異重流強(qiáng)度減弱，潛入點(diǎn)向上游遷移。

7月8日07:12，HH7+3 斷面上游處監(jiān)測到異重流潛入點(diǎn)，潛入點(diǎn)處水深為9.1 m，渾水厚度為1.01 m，最大測點(diǎn)流速為0.50 m/s，異重流層平均含沙量達(dá)到4.84 kg/m，上游三門峽水庫下泄流量與含沙量都減小，小浪底水庫異重流厚度明顯減小，異重流減弱直至消失。

3 異重流排沙效果分析

3.1 各斷面的含沙量變化

從圖1 可以看出，各測驗(yàn)斷面最大平均含沙量多出現(xiàn)在7月6日，主要原因是三門峽水庫下泄高能量水流沖刷小浪底水庫庫尾，前期庫尾自然河道部分處于相對干涸的狀態(tài)，水流下泄所受阻力較小，保持大量水能，所以攜沙能力強(qiáng)，使得上游各斷面平均含沙量較大。但隨著異重流繼續(xù)向壩前運(yùn)動(dòng)，沿途受到的阻力不斷增加，使異重流平均含沙量減小。之后，隨著水庫庫尾水位的上漲，三門峽水庫下泄水流速度降低，能量逐漸減小，攜沙能力也相對減小，加上前期河道已經(jīng)被沖刷過，各異重流測驗(yàn)斷面平均含沙量減小，直到三門峽水庫開始排沙。但是，此時(shí)的水庫下泄流量減小，維持在2 000 m/s 左右，使得異重流形成一個(gè)持續(xù)狀態(tài)，表現(xiàn)為各斷面異重流平均含沙量保持相對平衡。

圖1 各斷面主流線異重流層平均含沙量變化

3.2 異重流平均含沙量的沿程變化

從圖2 可以得出，7月5日初期產(chǎn)生的異重流上游各斷面含沙量較大，因?yàn)槿T峽水庫下泄水流沖刷小浪底水庫的河道泥沙。隨著異重流的持續(xù)，各斷面的異重流平均含沙量保持相對均衡。壩前斷面含沙量增加，原因是小浪底水庫大流量下泄，異重流運(yùn)行到大壩前，受大壩阻擋，其在壩前形成擁堵，表現(xiàn)為異重流厚度增大，含沙量也相應(yīng)增大。

圖2 異重流平均含沙量的沿程變化

3.3 異重流在壩前的表現(xiàn)

水庫異重流在潛入點(diǎn)形成后，經(jīng)過在庫區(qū)內(nèi)的運(yùn)行，到達(dá)壩前區(qū)，之后，異重流斷面雍水高度、厚度和含沙量增大，其通過排沙洞排出水庫。在整個(gè)演進(jìn)過程中，沿程異重流層與清水層會有部分泥沙的交換，運(yùn)行到壩前區(qū)的異重流對水庫排沙有重要意義。HH01 斷面在橫向上基本等高，異重流厚度橫向分布比較均勻。7月5日14:30，異重流在HH01 斷面形成，斷面異重流厚度為2.15 m，但隨著前期的異重流到達(dá)峰頂，異重流厚度在斷面橫向上趨于增強(qiáng)，厚度增加26.1 m，其中最大厚度達(dá)到27.9 m。從壩前表現(xiàn)來看，本次異重流斷面高程大多介于188 ～214 m。斷面壅水高度和厚度增加是異重流在壩前的一個(gè)重要特征，這一點(diǎn)可以從歷年壩前斷面異重流測驗(yàn)成果中看出。由于壩前異重流斷面壅水高度和厚度的增加，異重流攜帶大量泥沙，使得排沙持續(xù)時(shí)間延長，有利于水庫排沙，排沙比顯著增加。

4 水庫排沙比的影響因素分析

2014年塑造異重流過程中，小浪底水庫的排沙比僅為36%，相比2013年的169.7%而言顯著減小。經(jīng)分析，排沙比減小的原因主要有兩點(diǎn)。一是2014年由于水沙調(diào)度，異重流潛入點(diǎn)距壩較遠(yuǎn)，多在HH07、HH09 斷面附近出現(xiàn)，而2013年潛入點(diǎn)在HH06 斷面附近，2014年異重流潛入點(diǎn)距壩里程遠(yuǎn)大于2013年。隨后，異重流往壩前運(yùn)行，沿途受到水的阻力增大，異重流平均含沙量減小，水庫庫尾自然河道水位上漲，三門峽水庫下泄水流的能量受阻，挾沙能力也相對減小，導(dǎo)致水庫異重流排沙比降低。二是與往年相比，2014年調(diào)水調(diào)沙時(shí)間較短，異重流產(chǎn)生時(shí)水庫水位較高，對水沙的搭配較為不利，到第二階段三門峽水庫下泄流量減小，異重流流速也相對減小，異重流強(qiáng)度減弱，挾沙能力降低，潛入點(diǎn)向上游遷移，異重流層含沙量較小。

5 結(jié)語

經(jīng)過精心準(zhǔn)備和合理調(diào)度，在水量總體不大的有限水流條件下，小浪底水庫人工塑造異重流取得成功，為進(jìn)一步研究水庫異重流規(guī)律和減淤排沙提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。