萬家寨水庫運行以來調(diào)洪庫容變化規(guī)律及恢復措施研究

關(guān)鍵詞：水力減淤；機械清淤；調(diào)洪庫容；庫容恢復；萬家寨水庫

0引言

萬家寨水庫是一座峽谷型水庫，位于黃河中游托克托至龍口峽谷上段，主要任務是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，兼有防洪、防凌。水庫最高蓄水位980.0m、校核洪水位979.1m、正常蓄水位977.0m、汛限水位966.0m，設計總庫容8.96億m3、死庫容4.51億m3、調(diào)洪庫容3.02億m3。萬家寨水庫于1998年10月下閘蓄水后，庫區(qū)泥沙不斷淤積。近年來，萬家寨水庫利用豐水年汛期大流量過程敞泄排沙運用，庫容得以有效恢復，水庫持續(xù)淤積態(tài)勢得到扭轉(zhuǎn)。截至2023年10月，萬家寨水庫調(diào)洪庫容為2.829億m3，與設計調(diào)洪庫容相比淤損0.191億m3，直接影響樞紐工程正常運行和防洪安全。

1水庫調(diào)洪庫容長期維持的意義

調(diào)洪庫容是指水庫校核洪水位至防洪汛限水位之間的庫容，主要用于攔蓄洪水、削減洪峰、延長泄洪時間，在確保大壩安全的前提下保護下游免受洪水侵襲，減少洪水導致的財產(chǎn)損失和人員傷亡。2021年9月下旬，受黃河中游持續(xù)強降雨影響，黃河支流渭河發(fā)生1935年有實測資料以來同期最大洪水，伊洛河、沁河發(fā)生1950年有實測資料以來同期最大洪水，黃河干流先后形成3次編號洪水，黃河下游發(fā)生新中國成立以來最嚴重的秋汛，黃河防總迅速啟動防汛Ⅲ級應急響應，精細調(diào)度干支流水庫，為迎戰(zhàn)暴雨洪水打開了調(diào)度空間。其中，萬家寨水庫在確保大壩和庫區(qū)安全的前提下，動用調(diào)洪庫容攔蓄洪水，限制了黃河干流基流來水過程，充分發(fā)揮了攔洪削峰錯峰作用，有效減輕了洪水對下游工程和灘區(qū)安全的威脅。

近年來，顛覆傳統(tǒng)認知的極端天氣事件頻繁發(fā)生，水旱災害趨多趨頻趨強趨廣，極端性、反常性、復雜性、不確定性顯著增強。為有效應對水旱災害“黑天鵝”“灰犀?！笔录?，切實筑牢保障人民群眾生命財產(chǎn)安全防線，2023年12月水利部印發(fā)的《水利部關(guān)于加強水庫庫容管理的指導意見》明確提出“對于水庫淤積或者侵占庫容問題突出，防洪、興利功能明顯萎縮的水庫，有關(guān)水行政主管部門、流域管理機構(gòu)要分類提出處置對策，有效恢復水庫庫容”。因此，系統(tǒng)探討萬家寨水庫運行以來調(diào)洪庫容變化規(guī)律及恢復措施意義重大，有利于全面提升水旱災害防御能力，為黃河流域經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展提供有力的水安全保障。

2萬家寨水庫沖淤演變及調(diào)洪庫容變化規(guī)律

2.1壩前水位變化

萬家寨水庫采用“蓄清排渾”運用方式，設計泥沙調(diào)度運用方式為8月、9月排沙，水庫保持低水位運行。萬家寨水庫1999-2023年歷年（按上年11月1日至當年10月31日統(tǒng)計，下同）日均水位變化情況見圖1。1999-2023年萬家寨水庫非汛期運行水位為952～980m。1999-2010年，汛期運行水位為950.9～967.2m;2011-2023年（除2016年外）水庫開展排沙調(diào)度，汛期庫區(qū)降低水位運用，特別是萬家寨、龍口水庫聯(lián)合排沙運用期間，庫水位最低降至921.6m。

2.2入庫水沙過程

萬家寨水庫1999-2023年入庫水沙量統(tǒng)計見圖2。萬家寨水庫多年平均入庫水量約為185.19億m3、沙量約為0.501億t，入庫最大年水量約為367.68億m3（2020年）、相應年沙量約為1.377億t，入庫最大年沙量約為1.434億t（2019年）、相應年水量約為349.94億m3。其中：2012年、2018-2020年為豐水年，多年平均入庫水量約為328.81億m3、沙量約為1.134億t；2001-2004年、2016-2017年水庫來水來沙偏枯，多年平均入庫水量約為118.81億m3、沙量約為0.218億t，比1999-2023年多年平均入庫水沙量分別減少35.8%、56.4%。

2.3出庫水沙過程

萬家寨水庫1999-2023年出庫水沙量統(tǒng)計見圖3。萬家寨水庫多年平均出庫水量約為180.70億m3、沙量約為0.363億t，出庫最大年水量約為364.63億m3（2020年）、相應年沙量約為1.478億t，出庫最大年沙量約為2.092億t（2018年）、相應年水量約為307.68億m3。2011年汛期之前來水來沙量較設計情況相對偏小，萬家寨水庫有較大的泥沙淤積庫容可利用，8月、9月排沙期水庫未按原設計方式運行，而是按照運行初期分期汛限水位控制運用，即前汛期按不超過966.0m控制、后汛期按不超過974.0m控制。1999-2011年多年平均出庫沙量為0.108億t;2011年汛后，萬家寨水庫開始每年8月、9月排沙期均進行排沙運用（除2016年外），出庫泥沙明顯增多，其中2018-2020年排沙效果尤其顯著，多年平均出庫水量約為339.00億m3、沙量約為1.613億t，比1999-2023年多年平均出庫水沙量分別增加87.6%、344.2%。

2.4水庫沖淤演變規(guī)律

2.4.1沿程沖淤量分布

采用斷面法計算萬家寨水庫泥沙沖淤量，沿程泥沙沖淤量分布見圖4。由圖4可知，萬家寨水庫庫區(qū)整體表現(xiàn)為泥沙淤積，淤積總量為2.859億m3。其中：大壩至37.2km庫段泥沙淤積量為2.566億m3，占庫區(qū)總淤積量89.8%：距壩37.2～58.5km庫段泥沙淤積量為0.315億m3，占庫區(qū)總淤積量11.0%；距壩58.5～76.6km庫段泥沙微量沖刷，沖刷量約為0.022億m3;距壩76.6～81.5km庫段泥沙淤積量僅為0.001億m3，占庫區(qū)總淤積量0.03%；距壩81.5km以上庫段基本為沖淤平衡狀態(tài)。

2.4.2縱剖面變化

水庫縱向淤積形態(tài)主要取決于上游來水來沙條件、庫區(qū)邊界條件以及水庫運用水位等。萬家寨水庫不同階段縱剖面變化情況見圖5。由圖5可知，與1997年7月建庫前相比，2010年汛后萬家寨水庫形成明顯的三角洲淤積形態(tài)，泥沙淤積縱剖面基本達到設計淤積平衡狀態(tài)。為減緩水庫泥沙淤積速度，萬家寨水庫2011年以后開展了排沙運用，2013年10月三角洲頂坡段洲面高程降低，但頂點繼續(xù)向壩前推進。經(jīng)過2014-2017年（除2016年外）排沙運用，至2017年10月萬家寨水庫三角洲前坡段沖刷調(diào)整，頂坡段淤積抬升。2018-2019年來水偏豐，萬家寨水庫庫區(qū)泥沙沖刷量大，沖刷后深泓點高程大幅度降低，其中距壩1.8～27.3km庫段深泓點高程下降最為顯著，平均降低14.3m。至2023年10月，萬家寨水庫距壩1.8～44.9km庫段深泓點高程進一步下降。

2.5水庫調(diào)洪庫容變化規(guī)律

萬家寨水庫1997年9月-2023年10月歷年汛后調(diào)洪庫容變化過程見圖6。由圖6可知，萬家寨水庫1997年9月-2010年9月調(diào)洪庫容呈減小趨勢，調(diào)洪庫容淤損0.295億m3：2010年9月-2013年10月萬家寨水庫實施排沙運用，2013年10月調(diào)洪庫容相比2010年9月恢復0.063億m3：2013年10月-2017年10月，調(diào)洪庫容不斷受到侵占，2017年10月相比2013年10月調(diào)洪庫容淤損0.065億m3：2018年入庫洪水流量大、歷時長，降低水位敞泄運用時庫區(qū)強烈沖刷，汛期實施敞泄排沙運用，比2017年汛后調(diào)洪庫容恢復了0.062億m3；2019年9月-2023年10月，調(diào)洪庫容得到進一步恢復并保持，2023年10月調(diào)洪庫容相比2018年10月恢復0.044億m3，有效減緩了調(diào)洪庫容淤損速度。

萬家寨水庫設計及現(xiàn)狀（2023年10月）調(diào)洪庫容沿程分布見圖7。由圖7可知，萬家寨水庫調(diào)洪庫容沿程總體呈中間庫段淤積、壩前和庫尾段基本沖淤平衡的特征，泥沙主要淤積在距壩28.9～42.4km、52.1～55.2km兩個庫段。

3萬家寨水庫調(diào)洪庫容恢復措施

水庫作為各級水網(wǎng)之“結(jié)”，不僅是提升流域水資源調(diào)控能力的關(guān)鍵節(jié)點，而且是提升國家水安全保障能力的重要基礎支撐。水庫壩址資源具有不可再生性，水庫淤積造成調(diào)洪庫容和興利庫容逐漸減小，不僅會影響防洪安全、水庫綜合效益發(fā)揮，而且會對流域生態(tài)環(huán)境造成一定損害，對織牢國家水網(wǎng)之“結(jié)”帶來不利影響。截至2023年10月，萬家寨水庫調(diào)洪庫容仍淤損0.191億m3，如何科學合理制定水庫調(diào)洪庫容恢復措施是萬家寨水庫管理單位目前亟待解決的問題。

3.1水力減淤措施

萬家寨水庫排沙受入庫水沙條件、運用水位、地形條件、排沙歷時等多種因素影響。入庫水沙條件是水庫排沙的動力，是影響水庫排沙效果的重要因素之一。2011年以來萬家寨水庫入庫短歷時小流量過程不利于降低水位敞泄運用排沙、入庫長歷時大流量過程有利于降低水位敞泄運用排沙。其中：2015年和2017年萬家寨水庫排沙期間流量較小，最大入庫流量不足800m3/S，短暫實施降水沖刷，庫區(qū)排沙量較少：2018年萬家寨水庫排沙期間入庫流量在2000m3/S以上的洪水持續(xù)40d，開展了2次降水沖刷，歷時共28d，第1次降水沖刷期間平均流量1721m/S，出庫沙量1.355億t，排沙比1046.8%；2020年降水沖刷期間平均入庫流量2919m3/S．降水沖刷歷時14d，出庫沙量1.070億t，排沙比737.9%；2021年和2022年排沙期入庫流量為1000m3/s左右，降水沖刷效果依然較好，不僅實現(xiàn)了年度內(nèi)沖淤平衡，而且有效恢復部分前期淤積庫容。

水庫運用水位是影響水庫排沙效果的另一重要因素。2002年以來萬家寨水庫排沙期日均出庫含沙量與運用水位的關(guān)系表明，壩前水位超過966.00m時水庫基本不排沙，壩前水位在966.00m以下時出庫含沙量與運用水位成負相關(guān)關(guān)系，尤其當壩前水位低于952.00m時出庫含沙量迅速增大，降低水位排沙初期表現(xiàn)尤為明顯。例如，2011-2021年汛期萬家寨水庫壩前水位為952.00～957.00m的運用歷時326d，累計排沙量1.743億t，平均出庫含沙量4.90kg/m3；而壩前水位在952.00m以下運用76d．累計排沙量達4.791億t，平均出庫含沙量44.89kg/m3，排沙量和出庫含沙量較水位為952.00～957.00m運用期間明顯增大。

萬家寨水庫降低水位敞泄運用排沙實踐表明，利用連續(xù)豐水年敞泄排沙，對于恢復水庫調(diào)洪庫容有一定作用，但是2018年汛期敞泄排沙運用以來調(diào)洪庫容基本維持不變，庫區(qū)中段已形成高灘深槽，灘地沖刷難度大，限于目前汛期較大流量出現(xiàn)的頻次較少、水庫淤積泥沙已堆至壩前以及淤積泥沙長期沉降逐漸密實，同時在黃河水量統(tǒng)一調(diào)度大背景下來水規(guī)模固定、大流量出現(xiàn)機會少，單純依靠水力減淤方式已無法有效恢復調(diào)洪庫容，極大影響樞紐工程正常運行和防洪安全，亟須采取機械清淤措1Lgc5+GSmjdpMm6DdpGNSQ==施盡快恢復調(diào)洪庫容。

3.2機械清淤措施

機械清淤是清除水庫淤積泥沙的一種直接、有效的方法，已在國內(nèi)外淤損水庫庫容恢復中實現(xiàn)規(guī)?；瘧谩Ｈf家寨水庫屬于峽谷型水庫，庫區(qū)淤積泥沙顆粒較細，因此可以選擇絞吸式和射流沖沙的方式進行清淤。絞吸式清淤原理是吸泥頭部配有鉸刀松土器，在專門的動力系統(tǒng)驅(qū)動下鉸刀在水下轉(zhuǎn)動，對淤積底泥進行切削、破碎、攪拌，最終在吸泥管的吸口附近制造出高濃度泥漿，隨后開動泥漿泵將泥漿輸送至合適區(qū)域。射流沖沙清淤原理是水泵抽吸河水泵送至高壓水倉，然后由噴嘴陣列噴出高速射流到淤積底泥，使泥沙不斷懸浮，逐漸變成水沙混合層，利用庫區(qū)河道水流的動力排沙出庫。萬家寨水庫可采用絞吸式和射流沖沙清淤方式，對966.0～979.1m高程之間淤積在調(diào)洪庫容中的泥沙進行清淤，清淤泥沙可隨水流動力排出庫區(qū)或輸送至岸上進行規(guī)?；C合利用，達到盡快恢復設計調(diào)洪庫容的目的。

3.3泥沙資源利用措施

《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》提出“探索泥沙資源利用新模式”要求，《中華人民共和國黃河保護法》規(guī)定國家鼓勵、支持開展黃河流域泥沙綜合利用等重大科技問題研究，推廣應用先進適用技術(shù)。黃河泥沙資源利用方向分為直接利用和轉(zhuǎn)型利用。直接利用是將泥沙作為工程原料使用，不改變泥沙的基本特性，主要包括建筑材料（建筑用砂、商品混凝土等）、農(nóng)園林業(yè)材料（溝壑充填、生態(tài)修復、土地改良、綠化種植土壤等）；轉(zhuǎn)型利用是將泥沙作為原材料經(jīng)加工后形成各類制品，主要包括建筑材料（如蒸壓磚、干混砂漿、陶粒、燒結(jié)磚、路沿石、免燒磚、透水磚、仿古磚、廣場磚等）、防洪工程材料（如人工防汛石材、堤防砌筑材料、河防工程填充料等）、工業(yè)材料（鑄造型砂、覆膜砂等）以及精細工藝品（如陶器、澄泥硯、微晶玻璃等）。

萬家寨水庫淤積泥沙中礦物組成主要為石英、長石、方解石等，主要化學成分為Si0、Al、Ca0、Fe203等。根據(jù)《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）、《河湖庫泥沙資源利用技術(shù)規(guī)范》（T/CHES 114-2023）、《膠結(jié)泥沙人工防汛石材》（T/CHES 23-2019）、《混合砂混凝土應用技術(shù)規(guī)程》（DBJ41/T 048-2016）等標準，萬家寨水庫清淤泥沙可用于地方基礎設施建設建筑材料、農(nóng)園林業(yè)材料、防洪工程材料等領(lǐng)域，助力地方經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。同時，萬家寨水庫沿岸25km范圍內(nèi)已建有城灣、黑岱溝等大型露天煤礦14座，未治理采煤沉陷區(qū)72.58km2，露天開采對環(huán)境最嚴重最直接的影響是對土地的破壞和占用，大多數(shù)礦區(qū)土體中重金屬含量高、土壤堅實、滲透性差、質(zhì)地差、有效水分和有機質(zhì)含量極低，不利于植物生長，必須進行土壤改良和熟化。因此，可利用萬家寨水庫清淤泥沙為礦區(qū)土地修復與生態(tài)恢復提供優(yōu)質(zhì)泥沙資源，促進生態(tài)保護修復與經(jīng)濟社會發(fā)展協(xié)同共贏。

4結(jié)論

本文系統(tǒng)梳理了1999-2023年萬家寨水庫入庫出庫水沙及沖淤演變規(guī)律、調(diào)洪庫容變化規(guī)律及恢復措施，主要結(jié)論如下：

1）萬家寨水庫1999-2023年非汛期運行水位為952～980m; 1999-2010年汛期運行水位為950.9～967.2m，2011-2023年（除2016年外）汛期降低水位運用后最低水位為921.6m。

2）萬家寨水庫1999-2023年多年平均入庫水量約為185.19億m3、沙量約為0.501億t，入庫最大年水量約為367.68億m3（2020年）、最大年沙量約為1.434億t（2019年）；多年平均出庫水量約為180.70億m3、沙量約為0.363億t，出庫最大年水量約為364.63億m3（2020年）、最大年沙量約為2.092億t（2018年）。

3）萬家寨水庫2010年汛后淤積縱剖面基本達到設計淤積平衡狀態(tài)，調(diào)洪庫容淤損0.295億m3；2011年以來水庫排沙運用，截至2023年10月980m高程以下庫容淤損2.859億m3、調(diào)洪庫容淤損0.191億m3。

4）萬家寨水庫入庫長歷時大流量過程有利于降低水位敞泄運用排沙：壩前水位低于952.00m時出庫含沙量迅速增大，壩前水位降至淤積面以下或泄空敞泄時，產(chǎn)生的溯源沖刷有利于提高輸沙效率。

5）單純依靠水力減淤調(diào)度方式，已無法有效恢復萬家寨水庫調(diào)洪庫容，可采用水力減淤與機械清淤相結(jié)合的方式聯(lián)合減淤，如可采用絞吸式和射流沖沙式清淤方式，對調(diào)洪庫容中淤積泥沙進行清淤，清淤泥沙可隨水流動力排出庫區(qū)或輸送至岸上進行規(guī)模化綜合利用。

6）萬家寨水庫淤積泥沙中礦物組成主要為石英、長石、方解石等，主要化學成分為Si02、Al2 03、Ca0、Fe203等；清淤泥沙可用于地方基礎設施建設建筑材料、農(nóng)園林業(yè)材料、防洪工程材料以及庫區(qū)沿岸煤礦土地修復與生態(tài)恢復。