小浪底水庫攔沙初期泥沙淤積規律及運行方式探討

【摘要】本文論述了小浪底水庫采用了“調控水位、異重流排沙、相機降低水位排沙、調水調沙、攔粗排細”等綜合調度運行方式，減少了水庫和下游河道的泥沙淤積，在初期運行中取得了較好的效果、發揮了顯著效益。

【關鍵詞】 淤積；調水調沙；異重流 ； 攔粗排細；小浪底水庫

小浪底水庫位于黃河中游最后一個峽谷的出口處，是三門峽以下唯一能取得較大庫容的控制性工程，控制黃河流域面積的92.3%和近100%的含沙量，開發目標以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發電，水庫總庫容126.5億m3，其中防洪庫容41億m3、調水調沙庫容10億m3、淤積庫容75.5億m3。為合理利用淤積庫容，盡量延長淤積庫容的使用年限、取得最大的減淤效益，合理的調度運用方式成為小浪底水庫減淤運用的關鍵。

1、 小浪底水庫水沙條件

小浪底庫區為峽谷形態，原河床比降大，河床由粗沙、礫石、大孤石和基巖組成，河床阻力比較大。淤積以后河床組成變細，阻力相應減小，在采用“蓄清排渾”運用方式時，對排沙和保持可用庫容非常有利。

當上游洪峰平均流量大于500 m3/s時，小浪底水庫可能發生高含沙異重流，此時將會有大量泥沙排出庫外。根據水庫泥沙研究結果得知，高含沙異重流的排沙比可達到90%以上。高含沙異重流攜帶很多粗顆粒泥沙，如果小浪底排沙期下泄流量小于2600m3/s，對下游河道非常不利。為此，在研究水庫淤積形態和排沙時要考慮水庫的特殊條件及其對下游河道的影響。

2 、小浪底工程初期運行的泥沙問題

小浪底水庫為不完全年調節水庫，為充分發揮水庫長期運行效益，保持長期有效庫容將是水庫運用的關鍵。在初期運行階段，通過合理調度運行，盡量延長淤積庫容使用年限，成為運行調度的重要課題。

2.1 盡量減少水庫泥沙淤積，充分發揮淤積效率

小浪底水庫運行初期，存在較大的攔沙庫容，一是要盡量減少泥沙淤積，延長淤積庫容使用年限；二是要攔粗排細，提高淤積庫容的使用效率，并盡可能利用下游河道的輸沙能力排沙入海，三是要合理淤積，避免在庫尾及支流門口形成淤積，從而影響興利庫容。

2.2 合理調度運行方式，減少下游河床的泥沙淤積

小浪底水庫攔沙初期下泄清水，將引起下游河槽和灘地的沖淤變化，通過合理的調度運行方式，將盡可能多的泥沙沖刷入海。

2.3 預防泥沙淤積影響工程運行

在多泥沙河流上修建水利樞紐，對泄水和輸水建筑物的進水口，不論是開敞式或淺孔式進水口，或深孔式進水口，都應認真處理好進水口防泥沙淤堵問題。若處理不當就會給工程帶來危害。

3 、小浪底水庫針對泥沙淤積的初期運行方式

3.1 調控水位，使水庫做到有序淤積

水庫運行水位的高低直接影響到水庫的淤積部位，水流挾沙力與水深成反比，水位越高，水流挾沙力越小，水庫淤積部位越靠近庫尾，損失興利庫容越大，對水庫淤積不利。當水庫敞泄運用時，水位很低，水流貼近河床流動，沖刷效果最佳，排沙比可高達70-90%，產生淤積的部位也靠近壩前，可使淤積庫容做到合理有序排列。

小浪底水庫入庫水沙條件直接影響小浪底水庫的沖淤變化。小浪底水庫在入汛前期應和上游水庫聯合調度運用，當上游水庫泄洪排沙時，小浪底水庫應相應降低水位泄洪排沙，使泥沙淤積靠近壩前，避免在較高水位下雍水攔沙而產成庫尾淤積。

同時，小浪底水庫在長期攔沙運行期，應遵循從低到高逐步抬高運行水位的原則，這樣有利于水庫的有序淤積，可延長有效庫容使用年限。在逐步抬高主汛期水位攔沙和調水調沙過程中，淤積體先在較寬闊的壩前產生，而后逐步向狹窄的上半段淤積，先淤滿死庫容，再逐漸向上淤占部分興利庫容，這樣使各級庫容都能得到充分利用。

3.2 利用異重流排沙，減少水庫泥沙淤積

在多沙河流上蓄水攔沙的水庫，異重流排沙是水庫減淤的一種重要方法，當水庫形成異重流后，下層為含沙量高的異重流，上層為清水，打開底部泄洪孔排出渾水，保留上部清水，可以做到既排沙又蓄水。通過多個水庫異重流排沙數據分析，一次異重流排沙比可達40-90%，多次異重流平均排沙比可達30-60%，排沙效果相當可觀。但如果異重流處理不當，會產生不利影響，異重流達到壩前如果未及時開啟泄洪閘門，則異重流形成渾水水庫，加速壩前泥沙淤積。

2004年8月黃河中游地區普降大雨，渭河流域和北干流地區形成洪水，小浪底入庫流量達到2960m3/s，含沙量最高達542kg/m3。小浪底水庫根據來水來沙情況防洪預泄，控制水庫水位在汛限水位以下，使異重流很快運行到壩前，并通過排沙洞排到下游。此次調水調沙運用期間，小浪底下泄水量13.66億m3，出庫沙量1.5億t，將大量泥沙通過異重流排到下游，排沙比達88%，減少了水庫泥沙淤積。

小浪底水庫的水沙條件，還受到下游河道輸沙能力的制約，特別是要求下泄流量要適應下游河道的輸沙能力，做到下游河床不淤積。試驗得出使下游河床不淤的條件是保持花園口流量在2600m3/s以上持續6天時間，即在下泄洪水可能形成異重流時，小浪底水庫低水位運行，使異重流潛入點靠下，達到小浪底壩前時，下泄流量控制花園口流量持續6天在2600m3/s以上，可保證下游河段不受淤積影響。

3.3 相機降低水位沖沙

在適當時機降低水庫水位，利用水庫的清水沖刷水庫淤積。小浪底水庫原河床比降較陡，約為1‰，水流挾沙力較大，庫區淤積物容易被沖刷，具備降低水位沖沙的有利條件。每年汛前，小浪底水庫利用降低水庫水位、預留防洪庫容的有利時機，采用清水沖刷淤積物。

降低水位沖刷具有一定的風險性，如果后汛期來水量不足，則對水庫的供水發電效益產生不利影響。

3.4 調水調沙，沖刷下游河床

小浪底水庫運用后，經過調水調沙運用，黃河下游主槽實現全線沖刷，行洪排沙能力顯著提高，平灘流量從不足1800m3/s提高到4310m3/s。

除利用中游水庫聯合進行調水調沙調度，減少下游河道和小浪底庫區淤積外，小浪底水庫在攔沙初期階段，截至2016年汛前共攔截泥沙31.13億m3，從總量上減少了進入黃河下游的粗泥沙量。

3.5 攔粗排細，提高淤積庫容利用率

小浪底水庫攔沙是為了減輕下游河床的泥沙淤積，引起下游河床淤積的主要成份是粗顆粒泥沙，細顆粒泥沙一方面容易被水流帶走入海，另一方面即使暫時淤積后，在適當的水流條件下，還可以被沖走，所以水庫攔截泥沙的粗細顆粒成份直接關系到水庫攔沙減淤效益，如果庫內攔截的粗顆粒泥沙比例大，則出庫的細顆粒泥沙比例大，攔沙庫容的有效利用率高。根據以往研究，水庫排沙比可以反映水庫攔粗排細的程度，排沙比越大，則水庫攔截粗顆粒（d>0.025mm）泥沙的比例越大，排沙比達到70%以上，可以使大部分粗沙攔截在庫內，排出的泥沙大部分為細沙，且不會對下游河道產生淤積。

小浪底水庫在初期蓄水攔沙階段，即在起調水位EL.210m以下庫容淤滿前，采用異重流方式排沙，排沙比高，且異重流排出的大部分為細沙，粗沙大部被淤積在庫內，不會對下游河床產生淤積，實現一定程度的攔粗排細效果。在起調水位以下庫容淤滿后，逐步抬高主汛期水位攔沙和調水調沙，控制低雍水，提高排沙能力，維持70%左右的排沙比，盡量避免高水位蓄水攔沙，實現水庫攔粗排細運行，提高淤積庫容利用率。

3.6 靈活運用泄流設施，維持“門前清”

為確保水庫長期有效運行，除盡量減少庫區淤積外，還應保證泄水建筑物的安全。確保泄水建筑物進口閘門的靈活啟閉，維持“門前清”尤為重要，為此，小浪底水庫所有泄洪、排沙及發電、灌溉引水口分十座進水塔集中布置在左岸風雨溝內，各進水口相互保護，形成底部排沙減淤、中部引水發電、上部排污排漂的空間格局。

為預防泥沙在進水塔前淤積，預防因停用時間過長造成閘門前淤積而啟閉困難，應輪流開啟排沙洞，維持一定的流量，加強進水塔前渾水面及淤積面的監測，準確把握輪流開啟使用排沙洞的時機。同時根據不同水位、不同來水來沙條件下進水塔前逆時針匯流區的流速、流態及泥沙分布特點，啟用不同位置的孔洞，盡量減少進水塔前泥沙淤積，確保泄水建筑物的“門前清”。

4、 結語

小浪底水庫從1999年10月下閘蓄水至2016年6月，水庫淤積量已達31.13億m3；通過水庫的合理調度和調水調沙運用，實現了黃河下游全線沖刷，下游河道主槽最小過流能力從1800m3/s增加至4310m3/s，行洪輸沙能力顯著提高，小浪底水庫在黃河下游防洪、減淤方面發揮了巨大效益。

小浪底工程初期運行以來，庫區泥沙基本按照設計做到有序淤積，沒有影響建筑物的操作運行，各建筑物運行正常。

小浪底水庫實際運用以來，黃河來水來沙、下游河道邊界、兩岸經濟社會發展等條件都發生了較大變化，對水庫運用和下游河道沖淤特性也有了更深入的認識，要根據不同的運行效果，適時對水庫運用方式進行合理的調整和優化，確保樞紐長期綜合效益的發揮。

作者簡介：常婧華（1985-）， 女，漢族，籍貫：山東省莒縣，碩士，中級工程師，主要從事水利水電工程運行管理工作。