小浪底水庫異重流排沙效率分析

萬柳明，張東鋒，徐梓斐，劉勇進

（黃河水利職業技術學院，河南 開封 475000）

1999年10月，小浪底水庫開始蓄水，水庫初期蓄水階段基本可以攔截三門峽水庫出庫的全部泥沙，小浪底水庫主要利用異重流排沙。合理利用在水庫底部運動的異重流可以把泥沙排走，減少水庫淤積，這是水庫減淤的重要途徑。黃河含沙量大，在庫底縱比降較大的情況下，就容易產生異重流，并且形成的異重流有足夠的能量運行到壩前，只要進行合理調度，異重流排沙就可以取得明顯效果。小浪底水庫的多次調水調沙都產生了異重流，2004—2010年小浪底水庫平均排沙比為42.1%，2013年水庫排沙比達到169.7%，但2014年小浪底水庫保持高水位，產生的異重流運行時間較短，開始時間為7月5日10:00，7月9日00:00 結束，排沙比為36%，低于往年的平均排沙比。

1 小浪底水庫進出庫水沙情況

1.1 小浪底水庫入庫水沙過程

2014年7月5日00:00，三門峽水庫開始加大流量下泄清水；7月5日06:00，流量增大到3 110 m/s；7月5日09:00，流量增大到4 020 m/s；7月5日11:54，流量增大到5 350 m/s。此后持續按5 000 m/s下泄至7月6日06:00，此階段最大流量為5 430 m/s（5日22:06）。7月6日12:00 以后，三門峽水庫下泄流量減少到小于2 000 m/s，直至水庫泄空。7月6日00:00 開始，拉沙下泄產生異重流，最大含沙量為340 kg/m（6日12:00）。

從小浪底水庫出庫日平均流量來看，7月5日為1 800 m/s，7月6日為2 580 m/s，7月7日為2 450 m/s，7月8日為2 140 m/s，7月9日為1 060 m/s。7月5日15:20，小浪底水庫排沙出庫，7月5日15:48，其含沙量為1.52 kg/m，此時含沙量較小，隨著大流量下泄形成的異重流排沙出庫，5日16:36，含沙量為11.2 kg/m，5日18:00 為37.8 kg/m，7月6日02:00 為43.0 kg/m，7月6日05:00 達到最大，為58.8 kg/m。而后，隨著三門峽水庫排沙，小浪底水庫出庫含沙量為30 ～40 kg/m。7月8日以后，出庫含沙量開始減小。7月9日00:00，排沙洞關閉。

1.2 小浪底水庫出庫水沙過程

根據水沙調度方案，小浪底水庫出庫日平均流量為2 010 m/s，最大出庫流量為3 500 m/s（7月5日06:24）。5日異重流到達壩前后，排沙洞隨即打開，異重流開始排沙出庫，最大含沙量出現在7月6日05:00，為58.8 kg/m。7月9日08:48，小浪底水庫出庫流量為1 120 m/s，含沙量已降至1.61 kg/m，異重流排沙結束。在整個調水調沙過程中，各水文站特征值如表1 所示。

表1 小浪底水庫調水調沙期間的進出庫水沙情況

2 水庫運行情況

2.1 異重流測驗斷面布設

下面根據《2014年汛前黃河調水調沙預案》的目標和要求，分析庫區淤積形態和調水調沙庫水位變化情況。小浪底水庫潛入點靠近大壩，測驗斷面變少。2014年，小浪底庫區布設了2 個異重流基本測驗斷面和2 個異重流輔助測驗斷面?；緶y驗斷面為桐樹嶺斷面與HH04 斷面，輔助測驗斷面為HH06 斷面與潛入點斷面，距壩里程如表2 所示。潛入區域實測的斷面根據潛入點和水位變化情況上移或者下移。

表2 2014年異重流測驗斷面布設情況

2.2 異重流測驗情況

調水調沙期間，小浪底水庫人工塑造異重流的過程可分為兩個階段。第一個階段是三門峽水庫開閘泄水，下泄水流對下游河道產生沖刷，使水流的含沙量迅速增加，其進入水庫回水末端，形成異重流。第二階段為三門峽水庫開始拉沙下泄，產生異重流，因為下泄水流含沙量較大，本階段異重流使第一階段形成的異重流得到持續。經監測，小浪底水庫人工塑造的異重流已潛入，潛入后迅速增大增強，潛入點往下遷移，三門峽水庫大流量下泄水流產生的異重流快速向下游推進，能量迅速增強。隨著異重流峰頭的推進，其運行至壩前并出庫。

水庫異重流按其在水庫中的不同演進部位可劃分為潛入點區、庫內演進區與壩前區三部分。含沙水流進入水庫后，異重流開始從潛入點形成，在潛入點附近，入庫水流由普通的含沙明渠水流轉化為異重流。對異重流潛入點位置進行查勘確定和對影響潛入點位置變化的要素進行分析是研究異重流規律的一項重要任務。

2.3 異重流潛入點測驗

7月5日10:30，在HH09 斷面上游400 m 處 首次監測到異重流潛入點，最大測點流速達到0.44 m/s，最大含沙量為74.7 kg/m；7月5日14:30，HH01 斷面監測到異重流，最大測點流速達到0.68 m/s，最大含沙量為380 kg/m，表明三門峽水庫下泄的小流量異重流排沙出庫。7月5日17:00，HH09 斷面下游305 m 處監測到異重流潛入點，潛入點處水深為6.1 m，渾水厚度為4.69 m，最大測點流速為1.53 m/s，異重流層平均含沙量達到43.0 kg/m，渾水的流速與厚度明顯增大，可認為異重流在小浪底水庫形成，其潛入點的位置隨著流量的增大逐漸向下移動。

7月6日07:10，HH06 斷面上游1 126 m 處監測到異重流潛入點，潛入點處水深為10.5 m，渾水厚度為6.3 m，最大測點流速為1.07 m/s，異重流層平均含沙量達到21.3 kg/m，渾水厚度增大，異重流潛入點位置繼續下移。

7月7日07:15，HH07 斷面上游580 m 處監測到異重流潛入點，潛入點處水深為11.5 m，渾水厚度為5.3 m，最大測點流速為0.48 m/s，異重流層平均含沙量達到4.99 kg/m，三門峽水庫排沙對小浪底水庫異重流形成持續作用，但是，隨著三門峽水庫下泄流量減小，異重流流速也相對減小，異重流強度減弱，潛入點向上游遷移。

7月8日07:12，HH7+3 斷面上游處監測到異重流潛入點，潛入點處水深為9.1 m，渾水厚度為1.01 m，最大測點流速為0.50 m/s，異重流層平均含沙量達到4.84 kg/m，上游三門峽水庫下泄流量與含沙量都減小，小浪底水庫異重流厚度明顯減小，異重流減弱直至消失。

3 異重流排沙效果分析

3.1 各斷面的含沙量變化

從圖1 可以看出，各測驗斷面最大平均含沙量多出現在7月6日，主要原因是三門峽水庫下泄高能量水流沖刷小浪底水庫庫尾，前期庫尾自然河道部分處于相對干涸的狀態，水流下泄所受阻力較小，保持大量水能，所以攜沙能力強，使得上游各斷面平均含沙量較大。但隨著異重流繼續向壩前運動，沿途受到的阻力不斷增加，使異重流平均含沙量減小。之后，隨著水庫庫尾水位的上漲，三門峽水庫下泄水流速度降低，能量逐漸減小，攜沙能力也相對減小，加上前期河道已經被沖刷過，各異重流測驗斷面平均含沙量減小，直到三門峽水庫開始排沙。但是，此時的水庫下泄流量減小，維持在2 000 m/s 左右，使得異重流形成一個持續狀態，表現為各斷面異重流平均含沙量保持相對平衡。

圖1 各斷面主流線異重流層平均含沙量變化

3.2 異重流平均含沙量的沿程變化

從圖2 可以得出，7月5日初期產生的異重流上游各斷面含沙量較大，因為三門峽水庫下泄水流沖刷小浪底水庫的河道泥沙。隨著異重流的持續，各斷面的異重流平均含沙量保持相對均衡。壩前斷面含沙量增加，原因是小浪底水庫大流量下泄，異重流運行到大壩前，受大壩阻擋，其在壩前形成擁堵，表現為異重流厚度增大，含沙量也相應增大。

圖2 異重流平均含沙量的沿程變化

3.3 異重流在壩前的表現

水庫異重流在潛入點形成后，經過在庫區內的運行，到達壩前區，之后，異重流斷面雍水高度、厚度和含沙量增大，其通過排沙洞排出水庫。在整個演進過程中，沿程異重流層與清水層會有部分泥沙的交換，運行到壩前區的異重流對水庫排沙有重要意義。HH01 斷面在橫向上基本等高，異重流厚度橫向分布比較均勻。7月5日14:30，異重流在HH01 斷面形成，斷面異重流厚度為2.15 m，但隨著前期的異重流到達峰頂，異重流厚度在斷面橫向上趨于增強，厚度增加26.1 m，其中最大厚度達到27.9 m。從壩前表現來看，本次異重流斷面高程大多介于188 ～214 m。斷面壅水高度和厚度增加是異重流在壩前的一個重要特征，這一點可以從歷年壩前斷面異重流測驗成果中看出。由于壩前異重流斷面壅水高度和厚度的增加，異重流攜帶大量泥沙，使得排沙持續時間延長，有利于水庫排沙，排沙比顯著增加。

4 水庫排沙比的影響因素分析

2014年塑造異重流過程中，小浪底水庫的排沙比僅為36%，相比2013年的169.7%而言顯著減小。經分析，排沙比減小的原因主要有兩點。一是2014年由于水沙調度，異重流潛入點距壩較遠，多在HH07、HH09 斷面附近出現，而2013年潛入點在HH06 斷面附近，2014年異重流潛入點距壩里程遠大于2013年。隨后，異重流往壩前運行，沿途受到水的阻力增大，異重流平均含沙量減小，水庫庫尾自然河道水位上漲，三門峽水庫下泄水流的能量受阻，挾沙能力也相對減小，導致水庫異重流排沙比降低。二是與往年相比，2014年調水調沙時間較短，異重流產生時水庫水位較高，對水沙的搭配較為不利，到第二階段三門峽水庫下泄流量減小，異重流流速也相對減小，異重流強度減弱，挾沙能力降低，潛入點向上游遷移，異重流層含沙量較小。

5 結語

經過精心準備和合理調度，在水量總體不大的有限水流條件下，小浪底水庫人工塑造異重流取得成功，為進一步研究水庫異重流規律和減淤排沙提供了寶貴的經驗。