西霞院水庫場次洪水排沙規(guī)律及影響因素

關(guān)鍵詞：水庫淤積；水庫排沙；排沙比；含沙量；西霞院水庫

0引言

水庫淤積侵占水庫有效庫容，降低水庫調(diào)蓄能力，減少興利效益，影響水庫使用壽命。而水庫排沙是解決水庫淤積問題、保持水庫長期有效庫容的重要手段，對水庫功能的發(fā)揮具有重要的意義。水庫排沙比可反映水庫排沙能力，是研究水庫泥沙淤積的重要指標(biāo)，研究水庫排沙能力對于減緩水庫淤積具有重要意義。

水庫排沙問題是水庫管理部門關(guān)心的熱點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者以攔沙率或排沙比表示水庫的排沙能力。排沙比是反映水庫攔沙程度的重要依據(jù)，排沙比越大，水庫淤積程度就越低。Xu等認(rèn)為三峽水庫2003-2006年有60%入庫泥沙被截留在庫區(qū)，且主要集中在汛期。Liu等通過研究三峽泥沙淤積特性，得出淤積主要發(fā)生在彎道、分支河段和近壩段，關(guān)鍵影響因素是來沙量，并提出攔沙率計算公式。Fu等研究瀾滄江干流漫灣水庫攔沙率，其結(jié)果及方法也可估算中國西南其他水庫的攔沙率。張啟舜等通過研究國內(nèi)外水庫實測資料，得出排沙比與水庫庫容、入庫流量之間的經(jīng)驗公式。Zheng等提出一種考慮水庫蓄水時間的小浪底水庫汛期排沙比計算方法。張帥等分析小浪底水庫汛期排沙情況，使用洪水滯留系數(shù)、進(jìn)出庫平均流量變化系數(shù)、進(jìn)庫平均含沙量建立排沙比公式。袁晶等結(jié)合實測水文、河道地形資料，對三峽水庫運(yùn)行近20a來的泥沙淤積特性及水庫排沙比進(jìn)行了較為全面的分析研究。張紅武等通過對涇河?xùn)|莊水庫排沙試驗分析，研究不同水沙條件、河床邊界條件及庫區(qū)蓄水條件下的排沙情況，得出排沙比及排沙量與進(jìn)出庫流量、沙量、含沙量和初始庫水位的關(guān)系。

水庫排沙影響因素較多，研究水庫排沙的影響因素有助于提升水庫排沙能力。鄭珊等通過小浪底水庫多年水沙資料分析場次洪水排沙比影響因素，得出場次洪水排沙比受進(jìn)出庫水沙條件、水庫運(yùn)用及庫區(qū)淤積形態(tài)變化的影響。楊源高等分析龔嘴水庫排沙影響因素，認(rèn)為排沙主要受汛期壩前水位及入庫流量的控制。陳桂亞等分析三峽水庫不同蓄水運(yùn)用階段水庫排沙效果和影響因素，認(rèn)為水庫排沙比的主要影響因素為庫區(qū)河道特性、入庫水沙條件及壩前水位。高宇等通過分析三峽水庫場次洪水排沙規(guī)律，得出場次洪水排沙比與壩前水位成反比、與進(jìn)出庫輸沙率成正比。黃仁勇等采用逐步回歸方法，提出便于實時調(diào)度決策的汛期洪水排沙比公式，認(rèn)為三峽水庫汛期調(diào)度應(yīng)主要調(diào)節(jié)入庫流量和壩前水位。王克志等通過對海勃灣水庫排沙效果的研究，得出汛期排沙比主要受水沙條件、水庫運(yùn)行方式和地形影響。綜上，國內(nèi)外學(xué)者對于水庫排沙能力的研究較多，水庫排沙能力受多因素影響，主要包括水沙條件、水庫運(yùn)行方式、河道特性等，眾多學(xué)者從汛期排沙、場次洪水排沙、汛期洪水排沙等諸多方面研究水庫排沙規(guī)律。目前，西霞院水庫呈現(xiàn)持續(xù)淤積的趨勢，然而，對于西霞院水庫排沙能力的研究尚未開展，對其排沙規(guī)律的認(rèn)識有待進(jìn)一步探討。

本文選取2011-2022年西霞院水庫實測水沙資料，基于對水庫歷年排沙過程及其規(guī)律的分析，通過相關(guān)性分析從水沙因子、庫區(qū)形態(tài)因子、調(diào)度因子3個方面探討水庫排沙的主要影響因素，并建立排沙的經(jīng)驗公式，提出水庫調(diào)度的建議，以期為優(yōu)化西霞院水庫排沙期運(yùn)行方式提供指導(dǎo)。

1西霞院水庫概況和水沙資料選取

1.1西霞院水庫概況

西霞院水庫是小浪底水庫的反調(diào)節(jié)水庫，位于小浪底水庫壩址下游16km處的黃河干流上，開發(fā)任務(wù)是對小浪底水電站調(diào)峰發(fā)電的不穩(wěn)定流進(jìn)行再調(diào)節(jié)，同時結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水等綜合利用。西霞院水庫設(shè)計總庫容為1.62億m3，其中防洪庫容0.62億m3，有效庫容0.45億m3，校核洪水位為134.75m，正常蓄水位為134.00m，汛期限制水位為131.00m，排沙水位為131.00m，死水位為125.00m，初始正常蓄水位時總庫容為1.45億m3。西霞院水庫于2007年5月蓄水，同年6月第一臺機(jī)組發(fā)電，2011年3月竣工驗收。西霞院水庫進(jìn)出庫站分別為小浪底水文站和西霞院水文站。

1.2水沙資料選取

研究采用小浪底站和西霞院站2011-2022年水沙日均實測數(shù)據(jù)以及西霞院水庫壩前水位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于《黃河流域水文資料》。本文選取西霞院水庫降水位排沙過程分析西霞院水庫排沙能力。本文中針對西霞院水庫降水位排沙過程的選取標(biāo)準(zhǔn)：1）壩前水位降至131.00m以下，具有完整的水位下降和上升過程；2）進(jìn)出庫平均含沙量均大于5kg/m3。選取14場降水位排沙過程，見表1，其中2015-2017年西霞院水庫無排沙過程。

所選排沙過程壩前最低水位變化范圍為123.49～130.10m，排沙比區(qū)間為72.85%～103.23%，入庫平均流量區(qū)間為328～2945m3/S，入庫平均含沙量區(qū)間為7.22～53.21kg/m3，出庫平均流量區(qū)間為297～2997m3/s，出庫平均含沙量區(qū)間為7.28～44.21kg/m3。2014年之前，西霞院水庫壩前最低水位可降至124.00m左右，2015-2017年水庫無排沙，而在2018年之后，壩前最低水位在127.00m以上，運(yùn)用方式由敞泄排沙運(yùn)用轉(zhuǎn)變?yōu)榭匦古派尺\(yùn)用。

2水庫排沙比與影響因子的關(guān)系

2.1水庫排沙過程分析

水庫排沙效果影響水庫淤積，歷史水庫排沙過程對于水庫運(yùn)行調(diào)度具有借鑒意義。通過對水庫排沙過程的分析，探討影響水庫排沙的因素，基于2011-2022年西霞院水庫排沙過程，分析水庫歷年排沙特征。本研究根據(jù)西霞院水庫最低運(yùn)行水位將運(yùn)行時段分為兩個階段，第一階段為2011-2014年，該階段排沙期間采用敞泄運(yùn)用：第二階段為2015-2022年，該階段排沙期間采用控泄運(yùn)用。

在第一階段，西霞院排沙期間采用敞泄運(yùn)用，最低排沙水位可降至124.00m附近。圖1為西霞院水庫2011-2014年排沙期水沙及水位變化過程。2011年，自6月20日開始降水位運(yùn)用，排沙期間水位最低降至123.49m，入庫平均流量為2945m3/S，入庫平均含沙量為7.22kg/m3，本次排沙過程平均流量大，平均含沙量較低，同時壩前運(yùn)用水位在124.00m以下，水庫排沙比為103.23%，排沙效果較好。2012年，兩次降水位排沙，第一次排沙水位最低降至125.00m、排沙比為94.50%，第二次排沙水位最低降至124.24m、排沙比為87.81%，2012年汛期入庫沙量為1.33億t，出庫沙量為1.19億t，排沙比為89.47%，排沙效果較好。2013年，壩前最低水位降至125.00m，入庫平均流量為2113m3/S，出庫平均流量為1993m3/S，出庫平均流量低于入庫平均流量，排沙比為75.93%，排沙效果一般。2014年，壩前最低水位降至124.41m，水庫排沙比為84.42%，汛期入庫沙量為1822.61萬t，出庫沙量為1538.63萬t，進(jìn)出庫沙量均較少，排沙效果較好。

在第二階段，西霞院排沙期間采用控泄運(yùn)用，最低排沙水位可降至128m附近。圖2為西霞院水庫2018-2022年排沙期水沙及水位變化過程。2018年，兩次降水位排沙過程，壩前最低水位分別為128.74m和128.10m，排沙比分別為85.61%和87.63%，2018年之后水庫壩前最低運(yùn)用水位在127.00m以上，水庫控泄排沙，2018年汛期入庫沙量為4.64億t，出庫沙量3.97億t，汛期排沙比為85.71%．盡管排沙比較高，但入庫沙量較多，水庫淤積也較多。2019年，兩次排沙過程壩前最低水位分別為127.94m和128.83m．排沙比分別為72.85%和103.22%，入庫平均含沙量分別為53.21kg/m3和7.62kg/m3，第一次降水位排沙過程平均含沙量遠(yuǎn)高于第二次排沙過程平均含沙量，2019年汛期入庫沙量為5.45億t，出庫沙量為4.04億t，汛期排沙比為74.17%，由于入庫沙量較多，因此排沙效果一般。

2020年，水庫降水位排沙過程壩前最低水位為130.10m，入庫平均流量為2760m3/S，入庫平均含沙量為21.43kg/m3，排沙比為81.69%，壩前最低運(yùn)用水位在130.00m以上，排沙效果一般。2021年，兩次排沙過程壩前最低運(yùn)用水位分別為130.08m和129.69m，排沙比分別為73.11%和73.62%，入庫平均流量分別為938m3/S和328m3/S，入庫平均含沙量分別為25.61kg/m3和10.22kg/m3，流量較小，壩前水位及入庫含沙量均較高，水庫排沙效果不佳；2021年汛期入庫沙量為0.785億t，出庫沙量為0.62億t，汛期水庫排沙比為79.46%。2022年，兩次排沙過程壩前最低運(yùn)用水位分別為128.00m和127.24m，排沙比分別為93.26%和92.82%，入庫平均流量分別為1508m3/S和834m3/s．入庫平均含沙量分別為41.93kg/m3和8.34kg/m3，流量較小，壩前水位及入庫含沙量均較高，水庫排沙效果不佳：2022年汛期入庫沙量為1.89億t，出庫沙量為1.70億t，汛期排沙比為90.20%．由于2021年水庫排沙效果不佳．2022年降低壩前運(yùn)用水位，因此水庫排沙效果較好。

西霞院水庫排沙受水庫運(yùn)用、來水來沙條件等多因素影響，2018年之后小浪底水庫利用有利的來水條件調(diào)水調(diào)沙，西霞院水庫入庫沙量大量增加，2011-2014年汛期入庫平均含沙量為7.69kg/m3，2018-2022年汛期入庫平均含沙量為17.22kg/m3。其中：第6場排沙過程，入庫平均含沙量為52.59kg/m3，最大入庫含沙量為289.30kg/m3；第8場排沙過程，入庫平均含沙量為53.21kg/m3，最大入庫含沙量為213.24kg/m3；第13場排沙過程，入庫平均含沙量為41.93kg/m3，最大入庫含沙量為232.59kg/m3。第6、8、13場排沙過程入庫平均含沙量大于40kg/m3，均為小浪底水庫下泄的高含沙洪水，與其他場次洪水存在明uHxl/2LceprLXln5l91t7g==顯差異，見圖3。同時，2018年之后水庫壩前最低水位在127.00m以上，水庫處于控泄排沙運(yùn)用。2018年之后小浪底水庫下泄高含沙洪水時，由于西霞院水庫處于控泄排沙運(yùn)用，使高含沙洪水排沙規(guī)律明顯不同于其他場次洪水，因此在本文排沙能力計算中不考慮第6、8、13場高含沙洪水。

2.2水庫排沙比與影響因子的響應(yīng)關(guān)系

水庫排沙的主要影響因子可分為水沙因子、庫區(qū)形態(tài)因子、調(diào)度因子3類。本文統(tǒng)計的水沙因子包括入庫平均流量Q、洪水峰型系數(shù)Qmax/Qi。（Q…為最大入庫流量）、入庫平均含沙量S、最大入庫含沙量S。入庫流量和含沙量反映入庫水沙特征，洪水峰型系數(shù)可反映入庫洪水特征。統(tǒng)計的庫區(qū)形態(tài)因子包括水庫滯洪庫容V、洪水滯留系數(shù)V/Q。庫容可反映水庫壩前水位的高低，也可反映水庫的淤積情況，同時在一定程度上反映水庫庫區(qū)地形帶來的影響。洪水滯留系數(shù)可以用來衡量水庫對水流的滯留程度，一般而言，洪水滯留系數(shù)越大，對水流的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，但過長的滯留時間可能會導(dǎo)致水庫泥沙淤積，影響水庫的壽命和安全。統(tǒng)計的調(diào)度因子包括壩前最低水位Z、壩前水位變化幅度AZ、出庫平均流量Q、流量沿程變化系數(shù)Q/Q。出庫流量的大小直接影響水庫的沖刷能力，流量沿程變化系數(shù)表示水庫調(diào)度過程中流量的變化情況。本文統(tǒng)計西霞院水庫除第6、8、13場排沙過程以外的11場排沙過程，排沙比與單一影響因子線性相關(guān)性見表2。

2.2.1排沙比與水沙因子的響應(yīng)關(guān)系

首先分析來水條件對排沙比的影響。西霞院水庫降水位排沙過程中，入庫平均流量Q范圍為300～3000m3/S。由表2可見，排沙比與入庫平均流量之間相關(guān)性弱，存在正相關(guān)關(guān)系，入庫流量越大，水庫排沙比越大，但單因子入庫平均流量并非主要影響因素，部分小流量排沙過程也具有較高的含沙量。排沙比與洪水峰型系數(shù)Q。相關(guān)性相對較高，洪水特性對水庫排沙比影響較大，洪水峰型系數(shù)大，流量變化范圍大，庫區(qū)沖淤變化不穩(wěn)定，排沙比與洪水峰型系數(shù)之間負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R為-0.481，但P值為0.135，相關(guān)性并不顯著。

其次分析來沙條件對排沙比的影響。入庫平均含沙量S在5～30kg/m3之間，最大入庫含沙量S在25～200kg/m3之間。由表2可見，排沙比與入庫平均含沙量之間成顯著線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R為-0.686，P值小于0.05，入庫沙量是導(dǎo)致水庫淤積的來源，來沙量越大，意味著將會淤積更多泥沙，排沙比相應(yīng)越小。然而排沙比與水庫排沙過程中的最大入庫含沙量關(guān)系不明顯，成微弱負(fù)相關(guān)。受小浪底水庫水沙調(diào)控的影響，在小浪底水庫排沙期間，起反調(diào)節(jié)作用的西霞院水庫也相應(yīng)地進(jìn)行排沙。由于高含沙洪水時小浪底水庫排沙效果好，西霞院水庫排沙效果不一定好，同時水庫排沙效果也受排沙歷時的影響，因此西霞院水庫排沙比與最大入庫含沙量的關(guān)系不明顯。

2.2.2排沙比與庫區(qū)形態(tài)因子的響應(yīng)關(guān)系

由表2可見，西霞院水庫排沙比與水庫滯洪庫容V及洪水滯留系數(shù)V/Q之間均存在微弱相關(guān)性，相關(guān)性均不顯著。水庫庫區(qū)形態(tài)會對排沙產(chǎn)生影響，然而西霞院水庫運(yùn)行以來基本處于淤積趨勢，庫區(qū)平面形態(tài)發(fā)生較大變化，庫區(qū)流路持續(xù)演替，極大影響洪水滯留時間，使洪水滯留系數(shù)與水庫排沙之間沒有明顯關(guān)系。同時根據(jù)西霞院水庫實測資料，采用斷面法與輸沙率法計算的水庫淤積量存在較大差異，水庫滯洪庫容V無法準(zhǔn)確反映進(jìn)出庫水文站之間的輸沙量關(guān)系。

2.2.3排沙比與調(diào)度因子的響應(yīng)關(guān)系

壩前水位的變化會影響水庫的運(yùn)行方式，在洪水期間，壩前水位升高可能會改變水庫的蓄水方式，從而影響泥沙的淤積和排沙效果。由表2可見，西霞院水庫排沙比與壩前最低水位Z負(fù)相關(guān)，與壩前水位變化幅度AZ正相關(guān)，但相關(guān)性均較弱。西霞院水庫壩前運(yùn)用水位發(fā)生了明顯變化，在2015年之前壩前最低水位可降至124.00m左右，2015年之后壩前最低水位為127.24m。降低水位可增加水庫排沙能力，但近年來西霞院水庫淤積的加劇及壩前運(yùn)用水位的變化，使整體上場次洪水排沙過程中壩前水位與水庫排沙比之間的相關(guān)性有所減弱。

西霞院水庫排沙比與出庫平均流量Q正相關(guān)，但并不顯著。排沙比與流量沿程變化系數(shù)Q顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R為0.671，P<0.05，流量沿程變化系數(shù)Q?？煞从乘畮斓恼{(diào)控能力，其值越接近1，對水庫排沙能力的影響越小。在入庫流量一定的情況下，通過調(diào)節(jié)出庫流量可以更好地控制水庫的輸沙能力，實現(xiàn)水庫的有效排沙。

3水庫排沙能力計算方法

由上述排沙比與單因素之間的相關(guān)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)入庫平均含沙量S和流量沿程變化系數(shù)Q。是影響西霞院水庫降水位排沙的主要因素，排沙比與入庫平均含沙量顯著負(fù)相關(guān)，與流量沿程變化系數(shù)顯著正相關(guān)，這也反映出水沙條件及水庫的調(diào)度行為是水庫排沙能力的關(guān)鍵影響因素。因此，選取流量沿程變化系數(shù)Q、入庫平均含沙量S兩個參數(shù)，通過多元回歸建立水庫排沙比計算公式：

實測排沙比與計算排沙比的關(guān)系如圖4所示。由圖4可見，流量沿程變化系數(shù)Q、入庫平均含沙量S與降水位過程排沙比n回歸精度較高，R2為0.79，同時P值小于0.01，大多數(shù)點(diǎn)據(jù)分布在45°線附近，表明這2個因素與水庫排沙比相關(guān)性良好。因此，為提高水庫排沙效率，從調(diào)度的可行性出發(fā)，排沙期間應(yīng)降低壩前水位、增大出庫流量。

4結(jié)論

1）西霞院水庫排沙受水庫運(yùn)用方式、來水來沙條件等多因素的影響。西霞院水庫降水位排沙過程排沙比與各影響因子響應(yīng)關(guān)系分析表明：排沙比與流量沿程變化系數(shù)顯著正相關(guān)，與入庫平均含沙量顯著負(fù)相關(guān)；排沙比與洪水峰型系數(shù)負(fù)相關(guān)，與壩前最低水位負(fù)相關(guān)，與水位變化幅度正相關(guān)，但相關(guān)性均不顯著；排沙比與其他因素之間的關(guān)系散亂，沒有明顯的相關(guān)性。

2）選取西霞院水庫流量沿程變化系數(shù)Q、入庫平均含沙量S與排沙比n建立西霞院水庫排沙比計算公式，R2為0.78，P值小于0.01。從調(diào)度的可行性出發(fā)，排沙期間應(yīng)降低壩前水位、增大出庫流量，以達(dá)到提高排沙比的目的。

3）本文在西霞院水庫排沙比研究方面進(jìn)行了初步嘗試，但由于西霞院水庫流路變化頻繁、庫區(qū)淤積形態(tài)變化復(fù)雜，因此本文并未充分考慮地形因素的影響，這可能是影響排沙比計算精度的一個重要原因。