西霞院水庫排沙控制水位優(yōu)化研究

關(guān)鍵詞：排沙控制水位；工程安全；累計淤積量；淤積形態(tài)；西霞院水庫

0引言

西霞院水庫是小浪底水庫的反調(diào)節(jié)水庫，由于庫區(qū)水面寬、水深淺，因此具有灘地易淤積、庫容淤損快的特點，若運用不當將影響其效益發(fā)揮。為了控制泥沙淤積速度、長期保持水庫有效庫容，在小浪底水庫排沙時，西霞院水庫一般維持較低的排沙控制水位。2018-2020年黃河遇連續(xù)豐水年，西霞院水庫長時間“低水位、高含沙”敞泄排沙運用后，樞紐泄流排沙建筑物出現(xiàn)了擋墻損毀、鋪蓋掏空、干砌石沖垮等不同程度的沖刷破壞現(xiàn)象，對工程安全造成了一定程度的影響。

汛期合理的排沙控制水位是長期保持水庫有效庫容、充分發(fā)揮水庫效益、確保工程安全運行的前提。在小浪底、西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度方面相關(guān)學者開展了一些研究，但針對汛期排沙控制水位的研究較少。基于此，筆者根據(jù)西霞院水庫工程特性以及實際調(diào)度經(jīng)驗，研究排沙控制水位對水庫排沙效率的影響，結(jié)合設計水沙系列，計算分析不同排沙控制水位方案的泥沙沖淤變化，提出水庫排沙控制水位優(yōu)化方案，以期為水庫排沙調(diào)度提供技術(shù)支撐。

1水庫概況、方法及數(shù)據(jù)

1.1水庫概況

西霞院水庫位于黃河干流中游，在河南省洛陽市境內(nèi)，壩址左、右岸分別為洛陽市的吉利區(qū)和孟津區(qū)，上距小浪底壩址16km，下距花園口水文站112km?？刂屏饔蛎娣e69.46萬km2，工程主要任務是以對小浪底水電站日內(nèi)調(diào)峰發(fā)電下泄流量過程進行反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水等綜合利用。水庫正常蓄水位134.0m，汛期限制水位131.0m，設計洪水位（100a一遇）132.56m，校核洪水位（5000a一遇）134.75m。正常蓄水位以下原始庫容為1.45億m3，設計淤積平衡庫容為0.45億m3。

1.2研究方法

采用一維恒定流懸移質(zhì)不平衡輸沙數(shù)學模型計算水庫泥沙沖淤量，基本方程包括水流連續(xù)方程、水流運動方程、泥沙連續(xù)方程（或稱為懸移質(zhì)擴散方程）以及河床變形方程。該模型由黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司研發(fā)，在黃河流域得到廣泛應用，被黃河水利委員會評定為應用級模型。

水流挾沙力計算采用張紅武公式，該公式對高含沙洪水適應性較好，在黃河上應用廣泛，計算公式如下：

1.3研究數(shù)據(jù)

黃河中游潼關(guān)水文站的水沙過程經(jīng)三門峽和小浪底水庫調(diào)節(jié)后，進入西霞院水庫。其中三門峽水文站為三門峽水庫的出庫站，小浪底水文站為小浪底水庫的出庫站和西霞院水庫的入庫站，西霞院水文站為西霞院水庫的出庫站。以上各水文站均觀測有流量、輸沙率、含沙量、水位等資料，觀測資料每年經(jīng)黃河水利委員會水文局整編。此外，每年還會對西霞院庫區(qū)進行大斷面測量，斷面平均間距為0.6km。

受氣候變化和人類活動影響，近30a來黃河水沙量明顯減少．1990年7月-2020年6月潼關(guān)站實測多年平均水沙量分別為245.54億m3、4.22億t，較1960年7月-1990年6月分別減少了37.8%、64.1%。目前對未來黃河年輸沙量的預測結(jié)果一般為3億～8億t，具體數(shù)字尚有分歧?？紤]近期黃河水沙變化情況，結(jié)合研究需要，筆者選取1991-2000年和2001-2010年潼關(guān)站實測水沙系列（簡稱1991系列和2001系列）作為設計水沙條件，其中1991系列潼關(guān)站實測年均水量、沙量分別為264.28億m3、7.14億t，2001系列潼關(guān)站實測年均水量、沙量分別為220.13億m3、2.98億t。

潼關(guān)站水沙過程經(jīng)三門峽、小浪底水庫調(diào)節(jié)后，得到進入西霞院水庫的水沙過程。其中，三門峽水庫汛期庫水位不超305.0m，洪水期入庫流量大于1500m3/S時敞泄排沙運用，非汛期最高運行水位不超過318.0m;小浪底水庫運用方式采用《小浪底水庫攔沙期防洪減淤運用方式研究》的成果。經(jīng)計算，1991系列、2001系列進入西霞院水庫即小浪底水文站的年均沙量分別為4.66億t和1.37億t。潼關(guān)、三門峽、小浪底水文站的水沙特征值見表1。

2結(jié)果與分析

2.1實測資料分析

根據(jù)收集到的2011-2022年西霞院水庫人出庫水沙及庫水位資料，對比分析了不同排沙控制水位（128.5m以下、128.5～130.0m、130.0～131.0m、131.0～134.0m）對水庫排沙比及沖淤量的影響，結(jié)果見圖1～圖2。

由分析結(jié)果可知：1）水庫排沙控制水位131.0m以下時排沙比大多在60%以上，不同排沙控制水位之間相差不大，僅個別年份如2012年、2013年水庫來沙量少，都僅為0.03億t，水庫排沙比較低，分別為34%、39%，相應的水庫淤積量都僅為0.02億t;2）水庫排沙控制水位在131.0m以上時排沙比較小，基本在50%以下，相應水庫淤積量也大，如2022年水庫淤積量為1.70／億t。

進一步分析了2019-2022年小浪底水庫排沙期間，西霞院水庫不同排沙控制水位對水庫排沙比以及沖淤量的影響，結(jié)果見表2。2019年以來，小浪底水庫排沙期間，西霞院水庫平均排沙控制水位為130.06～131.50m，排沙比為75.9%～106.9%。整體上，隨著排沙控制水位的降低，水庫排沙比有所增大。

2.2數(shù)學模型計算

2.2.1計算方案設置

采用西霞院水庫2023年汛前實測地形作為初始地形邊界。截至2023年4月，水庫正常蓄水位以下庫容為0.75億m3，水庫累計淤積泥沙0.70億m3。根據(jù)西霞院水庫工程特性、運用條件以及水庫排沙規(guī)律，擬定128.5、130.0、131.0 m共3個水庫排沙控制水位方案，其中128.5m為最低發(fā)電水位、131.0m為汛限水位、130.0m為中間值（按照調(diào)度規(guī)則，汛期庫水位不得超過汛限水位，因此最高排沙控制水位設置為131.0m）。汛期7-10月，當入庫流量大于汛限水位131.0m相應的泄流能力時，水庫敞泄滯洪運用，洪峰流量過后，庫水位逐漸降到汛限水位以下；調(diào)水調(diào)沙時段，當入庫流量大于2600m3/s或入庫含沙量大于1kg/m3時，水庫維持排沙控制水位運用；非調(diào)水調(diào)沙時段，庫水位不超過汛限水位131.0m運行。汛期水庫運用方式見表3。非汛期11月一次年6月，庫水位不超過正常蓄水位134.0m。

2.2.2水庫淤積量變化

利用數(shù)學模型計算得到的1991系列和2001系列西霞院水庫累計淤積量變化過程見圖3和圖40從圖3和圖4可知，水庫排沙控制水位越高，累計淤積量越大，但各方案間整體差別不大。1991系列排沙控制水位131.0、130.0、128.5m方案，西霞院水庫分別于2029年、2029年、2030年進入正常運用期。進入正常運用期后，各方案有沖有淤，均可保持有效庫容，計算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案多淤0.02億m3，相當于累計淤積量增加2070。2001系列來沙量較少，未來10 a水庫仍處于攔沙期，計算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案分別多淤0.04億m3和0.09億m3，相當于累計淤積量增加7%和13%。總體來看，1991系列和2001系列各方案水庫淤積速度相差不大，且進入正常運用期后均可保持有效庫容。因此，從避免排沙期間水位過低導致泄洪排沙建筑物被沖刷破壞的角度出發(fā)，推薦排沙控制水位為131.0m。

2.2.3水庫淤積形態(tài)變化

利用數(shù)學模型計算得到的1991系列和2001系列計算期末（2033年）西霞院水庫淤積形態(tài)（深泓線）如圖5和圖6所示。排沙控制水位越高，庫區(qū)斷面最低河底高程越高，但各方案整體差別不大。1991系列131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2、0.5m; 2001系列131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2、0.3m?？傮w來看，各方案水庫淤積形態(tài)均在設計淤積平衡形態(tài)之下，不會影響水庫正常運行。因此，推薦排沙控制水位為131.0m。

3結(jié)論

1）實UJql5waBCFxnek4fPQsiELuNz6SpKUkdPViMdhmJtxI=測資料分析表明，西霞院水庫排沙控制水位在131.0m以下時排沙比較大，不同年份基本在60%以上，且水庫淤積量?。核畮炫派晨刂扑辉?31.0m以上時排沙比較小，不同年份基本在50%以下，相應水庫淤積量較大。

2）水庫排沙控制水位越高，水庫累計淤積量越大，但排沙控制水位131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案，水庫淤積量增加有限。對于設計的1991系列和2001系列，計算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案累計淤積量僅增大2%～13%。

3）水庫排沙控制水位越高，庫區(qū)斷面最低河底高程越高，但各方案整體差別不大。對于設計的1991系列和2001系列，計算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2～0.5m，均在設計淤積平衡形態(tài)以下。從工程安全的角度出發(fā)，推薦西霞院水庫排沙控制水位為131.0m。