小浪底水庫2018—2020年排沙運用效果研究

王 婷，馬懷寶，王遠見，任智慧，王子路

（1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003）

小浪底水利樞紐是一座以防洪（防凌）、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電的綜合性樞紐工程［1－2］，水庫運用以來，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］。水庫攔沙初期排沙較少，2007年小浪底水庫運用進入攔沙后期第一階段，至2017年，洪水期雖然開展排沙運用，受來水來沙及水庫調(diào)度影響，水庫仍以攔沙運用為主，進入回水區(qū)的含沙水流以異重流形式向壩前運行，庫區(qū)基本以平行抬升淤積為主，未形成明顯灘槽，或在部分庫段短暫出現(xiàn)較小灘槽。2018—2020年為豐水年份，小浪底水庫進行了長歷時低水位排沙運用，3 a累計排沙13.372億t，庫區(qū)塑造出較大灘槽?；趯崪y資料，筆者重點分析了2018—2020年洪水期小浪底水庫低水位排沙運用過程及其效果，以及對后續(xù)水庫調(diào)度的影響。

1 2018—2020年水庫排沙調(diào)度過程［6］

1.1 2018年

為迎接黃河2018年第1號洪水，7月3日小浪底水庫在洪水來臨前加大下泄流量，實施降低水位排沙運用（見圖 1）。7月4日，小浪底庫水位降至223.81 m，三門峽水庫敞泄運用，汛期洪水開始入庫。7月5日入庫洪水含沙量152 kg／m3，為汛期最大入庫含沙量。小浪底水庫繼續(xù)加大下泄流量，7月13日庫水位降至212.44 m，為汛期最低運用水位，出庫含沙量為169 kg／m3。7月14日出庫含沙量289 kg／m3，為汛期出庫含沙量最大值。為了減小洪峰增值對下游造成的不利影響，7月14日小浪底水庫開始壓減出庫流量，7月15日入庫流量達到3 920 m3／s，為汛期入庫流量最大值，庫水位迅速抬升，7月17日庫水位抬升至222.97 m，出庫含沙量降至41.8 kg／m3。之后，水庫加大下泄流量，庫水位持續(xù)下降，至7月25日庫水位降至213.84 m。之后，入庫洪水流量減小，水庫蓄水。

圖1 2018年6—10月小浪底水庫進出庫日均流量、含沙量及水位過程

1.2 2019年

2019年6 月下旬至8月11日，受中上游幾次降雨過程影響，小浪底水庫先后開展了汛前騰庫迎洪運用及汛期首次、汛期二次低水位排沙運用3個階段（見圖 2）。

圖2 2019年6—10月小浪底水庫進出庫日均流量、含沙量及水位過程

汛前騰庫迎洪運用（6月21日—7月6日）：小浪底水庫從6月21日開始加大下泄流量，進行汛前騰庫迎洪運用，出庫流量基本在3 200 m3／s以上，最大4 670 m3／s，庫水位從249.78 m降至229.83 m。

汛期首次低水位排沙運用（7月7日—8月5日）：7月7日開始，庫水位降至228.3 m以下，小浪底水庫開始汛期首次低水位排沙運用；7月14日庫水位降至215.39 m，出庫含沙量為140 kg／m3，7月15日出庫含沙量達到213 kg／m3；后續(xù)根據(jù)進出庫過程進行適時調(diào)整，至7月24日庫水位降至210.1 m，出庫含沙量為40.58 kg／m3，水庫維持低水位排沙運用至8月1日之后開始蓄水，8月5日洪水排沙調(diào)度結(jié)束。

汛期二次低水位排沙運用（8月6日—8月11日）：8月6日隨著洪水再次入庫，小浪底水庫再次加大下泄流量，開始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，隨入庫洪水流量減小，水庫蓄水，8月11日出庫流量降至800 m3／s，洪水排沙調(diào)度結(jié)束。

1.3 2020年

2020年6月24 至8月6日，受中上游降雨過程影響，小浪底水庫經(jīng)歷了防洪實戰(zhàn)演練、小浪底降低庫水位排沙、小浪底庫水位210 m以下排沙和三門峽水庫敞泄3個運用過程，水庫排沙主要集中在后面兩個過程（見圖 3）。

圖3 2020年6—10月小浪底進出庫日均流量、含沙量及水位過程

防洪實戰(zhàn)演練運用（6月24日—7月3日）：小浪底水庫從6月24日開始加大下泄流量，出庫流量基本維持在4 200 m3／s以上，最大5 160 m3／s，庫水位從248.48 m降至227.40 m。

小浪底降低庫水位排沙運用（7月4日—20日）：7月4日開始，小浪底水庫開始排沙，庫水位持續(xù)下降。7月7日出庫流量3 010 m3／s，庫水位降至217.15 m，出庫含沙量為200 kg／m3，為本年度最大日均出庫含沙量。之后出庫流量持續(xù)減小，含沙量逐漸降低，至7月20日23時，庫水位降至209.82 m，出庫含沙量11.0 kg／m3。

小浪底庫水位210 m以下排沙和三門峽水庫敞泄運用（7月21日—8月6日）：小浪底水庫7月21日開始維持庫水位210 m以下運用，三門峽水庫7月23日8時開始加大泄量，17時水庫開始敞泄運用，24日三門峽出庫含沙量147 kg／m3，為本年度最大日均出庫含沙量，小浪底水庫同日出庫含沙量為158 kg／m3。三門峽水庫敞泄運用至8月1日，小浪底水庫8月6日以后開始蓄水。

2 2018—2020年水庫排沙分析

2018年小浪底進出庫沙量分別為4.891億、4.636億t（見表 1），主要排沙時段集中在前汛期7月4—28日，出庫沙量4.124億t，占年出庫沙量的89.0%。2019年小浪底進出庫沙量分別為2.797億、5.451億t，主要排沙時段集中在前汛期7月7日—8月11日，出庫沙量5.334億t，占年出庫沙量的97.9%。2020年小浪底進出庫沙量分別為3.443億、3.285億t，主要排沙時段集中在前汛期7月4日—8月6日，出庫沙量2.814億t，占年出庫沙量的85.7%。

表1 2018—2020年小浪底水庫不同時段進出庫沙量統(tǒng)計

2018—2020年3 a累計進出庫沙量分別為11.132億、13.372億t，庫區(qū)沖刷2.240億t，水庫排沙比為120.1%。其中，前汛期主要排沙時段累計95 d，進出庫沙量分別為4.164億、12.272億t，分別占3 a相應(yīng)沙量的37.4%、91.8%，分別占水庫運用以來相應(yīng)沙量的6.8%、51.7%，庫區(qū)沖刷8.108億t，排沙比為294.7%。

3 2018—2020年庫區(qū)淤積形態(tài)調(diào)整

3.1 縱剖面變化

2018年7月4日至7月28日水庫開展低水位排沙運用，期間庫區(qū)發(fā)生強烈沖刷（見圖 4）。庫區(qū)部分測量斷面表明低水位排沙運用時庫區(qū)深泓點縱剖面大幅度下降，塑造出較深的河槽。之后水庫蓄水，水位抬升，高水位運用時入庫洪水所挾帶大量泥沙在向壩前運行的過程中沿河槽不斷落淤，使得前期塑造的河槽不斷回淤，深泓點高程不斷抬升。2019年、2020年低水位排沙運用使得庫區(qū)干流深泓點縱剖面進一步?jīng)_刷下降。

圖4 2018年汛前至2020年汛后小浪底水庫深泓點縱剖面對比

總體來說，2020年汛后與2018年汛前相比，HH08—HH51庫段（距壩10.32～101.61 km）明顯沖刷，平均沖刷深度為9.07 m，最大沖刷深度為32.70 m（HH39，距壩67.99 km）。HH51斷面以上的庫尾段變化不大，HH10斷面以下庫段發(fā)生淤積，平均淤積厚度為3.74 m。由于壩前淤積，因此三角洲頂點由2018年汛前的HH11斷面（距壩16.39 km）下移至HH04斷面（距壩4.55 km），向壩前推進了11.84 km，頂點高程由222.36 m降低至203.47 m，降低了18.89 m。

3.2 橫斷面變化

2018年7月4日至28日水庫低水位排沙運用期間，庫區(qū)發(fā)生強烈沖刷，塑造出較大的河槽；之后庫水位回升，洪水入庫時運用水位較高，含沙水流沿程輸移的過程中不斷淤積，使得前期塑造的河槽過流能力逐漸減弱，當河槽過流能力不足以滿足入庫水流輸移要求時，含沙水流上灘，灘地發(fā)生淤積抬升。2019年洪水期長歷時低水位排沙運用，庫區(qū)再次發(fā)生劇烈沖刷，河槽在2018年降水沖刷運用形成的河槽基礎(chǔ)上進一步刷深，部分斷面伴有河槽展寬現(xiàn)象，灘槽高差進一步增大，河槽過流能力進一步增強；后期高水位運用期間庫區(qū)灘面雖有抬升，但整體變化不大。2020年的長歷時低水位排沙運用，使庫區(qū)灘槽高差進一步增大，河槽過流能力又得到增強；后期高水位運用期間泥沙主要沿河槽運行，淤積以河槽回淤為主，庫區(qū)灘面整體變化不大。

2018—2020年小浪底水庫排沙運用期間，庫區(qū)干流灘槽沖淤受邊界條件、水庫運用及入庫水沙條件影響，各庫段表現(xiàn)不盡相同（見圖 5）。

圖5 2018—2020年小浪底庫區(qū)橫斷面對比

庫區(qū)壩前HH06斷面以下庫段灘槽均發(fā)生淤積，灘槽高差大幅度增大，如HH03；HH04—HH38庫段（除八里胡同所在的HH16—HH18庫段外）河槽在展寬刷深的同時，灘地淤積，如HH13、HH23和HH31；八里胡同以及HH38以上庫段以河槽沖刷為主，如HH18和HH48。

經(jīng)過2018—2020年3個汛期洪水期低水位運用，庫區(qū)產(chǎn)生強烈沖刷，塑造出較大的河槽。庫區(qū)除八里胡同及HH37斷面以上庫段受山體約束河槽展寬相對較小外，其他庫段河槽均不斷擴展，2020年汛后最大河槽寬度約930 m（HH9J 5）（見圖 6）。

圖6 2018年汛前至2020年汛后小浪底庫區(qū)河槽寬度沿程變化對比

4 2018—2020年庫區(qū)灘槽沖淤調(diào)整及槽庫容

隨著庫區(qū)河槽的不斷擴大，沖淤調(diào)整逐漸以河槽為主，灘面淤積量逐年減少。根據(jù)小浪底水庫運用以來歷年斷面套繪及河勢變化，對2018—2020年小浪底庫區(qū)各斷面進行了灘槽劃分，計算出2018—2020年不同時段灘槽沖淤量沿程分布，見圖7。

圖7 2018—2020年不同時段小浪底庫區(qū)干流灘槽沖淤量沿程分布

2018年汛期庫區(qū)干流淤積泥沙0.583億m3，其中河槽發(fā)生少量淤積，淤積量為0.001億m3，灘地淤積0.582億m3，主要集中在HH11以下庫段。2019年汛期庫區(qū)干流沖刷1.743億m3，其中河槽發(fā)生劇烈沖刷，沖刷量為2.120億m3，灘地淤積泥沙0.377億m3，主要集中在HH14以下庫段。2020年汛期庫區(qū)干流沖刷0.610億m3，其中河槽發(fā)生沖刷，沖刷量為0.703億m3，灘地淤積泥沙0.093億m3，主要集中在HH16以下和HH20—HH34庫段。

考慮到非汛期密實等原因，2018年4月—2020年10月庫區(qū)干流河槽共沖刷2.823億m3，其中HH06以上庫段河槽發(fā)生強烈沖刷，沖刷量為3.017億m3，HH06以下庫段河槽發(fā)生少量淤積，淤積量為0.194億m3。庫區(qū)干流灘地除小部分因滑塌等原因產(chǎn)生少量沖刷外（如HH13斷面附近），其他均發(fā)生淤積，灘地共淤積泥沙0.868億m3。

隨著河槽的不斷擴大，灘面淤積厚度逐年減小，受入庫水沙和水庫調(diào)度影響，不同庫段抬升幅度不同，見圖8。2018—2020年3 a累計灘面平均抬升3.0 m。其中：2018年抬升最大，平均為1.41 m，庫區(qū)下段HH01—HH20庫段灘面平均抬升1.16 m，庫區(qū)中段HH20—HH38庫段灘面平均抬升1.71 m；2019年平均抬升1.24 m，主要集中在庫區(qū)下段HH01—HH20庫段；2020年抬升最小，平均為0.34 m。

圖8 2018—2020年汛期小浪底庫區(qū)干流灘面抬升對比

受2018—2020年汛期排沙影響，2020年汛后庫區(qū)HH38以下庫段總體呈現(xiàn)明顯灘槽，HH38以上庫段為窄深型峽谷型河道，灘地較少，大流量時基本為全斷面過流。根據(jù)庫區(qū)地形，計算得到了庫區(qū)槽庫容沿程分布，見圖9?？梢缘玫剑?020年汛后庫區(qū)槽庫容為5.212億m3，其中大壩—HH20庫段槽庫容為1.705億m3、HH20—HH38庫段為1.677億m3、HH38以上庫段為1.830億m3。

圖9 2020年10月小浪底庫區(qū)累計槽庫容沿程變化

5 較大河槽對后續(xù)排沙的影響

2021年小浪底進出庫沙量分別為2.640億、0.785億t，見表2。排沙主要集中在汛前調(diào)水調(diào)沙排沙期的初期（7月3—5日）。7月6日起小浪底庫區(qū)開始呈現(xiàn)明顯淤積，至10月31日，小浪底進出庫沙量分別為2.611億、0.273億t，庫區(qū)淤積2.338億t。

表2 2021年小浪底水庫汛期洪水調(diào)度排沙成果

由于2018—2020年3個汛期洪水期低水位運用，因此庫區(qū)塑造出較大的河槽。較大的河槽意味著較大的過流能力，含沙水流漫灘機會及漫灘量減少，灘地淤積量也相應(yīng)減少。根據(jù)小浪底庫區(qū)2021年汛期斷面資料計算出灘槽沖刷量，見圖10?？梢缘玫剑?021年汛期泥沙主要淤積在河槽，淤積量為1.281億m3；灘地，尤其是庫區(qū)中下段較寬的灘地，因淤積物密實沉降等原因淤積面下降，沖刷0.022億m3。河槽淤積主要集中在HH21以下和HH37以上庫段，淤積量分別為0.561億、0.922億m3，河槽平均淤積厚度分別為1.57、5.04 m。

圖10 2021年汛期小浪底庫區(qū)灘槽沖淤量沿程分布

6 結(jié) 語

（1）2018—2020年為黃河豐水年份，小浪底水庫前汛期、洪水期開展了較長時間低水位排沙運用，取得了較好的排沙效果。3 a汛期低水位排沙運用歷時95 d，進出庫沙量分別為4.164億、12.272億t，分別占3 a相應(yīng)沙量的37.4%、91.8%，分別占水庫運用以來相應(yīng)沙量的6.8%、51.7%。

（2）3 a汛期低水位排沙運用，庫區(qū)干流淤積形態(tài)調(diào)整劇烈。干流深泓點縱剖面大部分發(fā)生強烈沖刷，其中HH08—HH51庫段深泓點降低9.07 m，最大降幅為32.70 m。全庫區(qū)干流大部分庫段呈現(xiàn)明顯灘槽，其中：庫區(qū)壩前HH06以下庫段灘槽均發(fā)生淤積，灘槽高差大幅度增大；HH04—HH38庫段（除八里胡同外）河槽展寬刷深，同時灘地淤積；八里胡同以及HH38以上庫段以河槽沖刷為主。2018年4月—2020年10月庫區(qū)干流河槽共沖刷2.823億m3，庫區(qū)干流灘地共淤積泥沙0.868億m3。

（3）3 a汛期低水位排沙運用，庫區(qū)塑造出較大的河槽。2020年汛后全庫區(qū)呈現(xiàn)較大河槽，最大河槽寬度約930 m，2020年汛后庫區(qū)干流槽庫容為5.212億m3。較大的河槽意味著較強的過流能力，含沙水流漫灘機會及漫灘量減少，灘地淤積量也相應(yīng)減少。2021年汛期泥沙主要淤積在河槽，淤積量為1.281億m3；灘地，尤其是庫區(qū)中下段較寬的灘地，因淤積物密實沉降等原因淤積面下降，沖刷0.022億m3。

（4）近幾年調(diào)度實踐表明，洪水期水庫低水位運用時，庫區(qū)塑造出較大河槽，較大的河槽在洪水期更有利于入庫含沙水流的高效輸移；高水位運用時，河槽淤積大幅度抬升，庫區(qū)沖淤調(diào)整主要發(fā)生在河槽。隨著河槽增大，灘地淤積逐年減少。因此，建議洪水期繼續(xù)開展低水位排沙運用，長期保持庫區(qū)較大河槽，有利于水庫排沙，同時減緩灘面抬升速度。