小浪底水库拦沙初期泥沙淤积规律及运行方式探讨

【摘要】本文论述了小浪底水库采用了“调控水位、异重流排沙、相机降低水位排沙、调水调沙、拦粗排细”等综合调度运行方式，减少了水库和下游河道的泥沙淤积，在初期运行中取得了较好的效果、发挥了显著效益。

【关键词】 淤积；调水调沙；异重流 ； 拦粗排细；小浪底水库

小浪底水库位于黄河中游最后一个峡谷的出口处，是三门峡以下唯一能取得较大库容的控制性工程，控制黄河流域面积的92.3%和近100%的含沙量，開发目标以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电，水库总库容126.5亿m3，其中防洪库容41亿m3、调水调沙库容10亿m3、淤积库容75.5亿m3。为合理利用淤积库容，尽量延长淤积库容的使用年限、取得最大的减淤效益，合理的调度运用方式成为小浪底水库减淤运用的关键。

1、 小浪底水库水沙条件

小浪底库区为峡谷形态，原河床比降大，河床由粗沙、砾石、大孤石和基岩组成，河床阻力比较大。淤积以后河床组成变细，阻力相应减小，在采用“蓄清排浑”运用方式时，对排沙和保持可用库容非常有利。

当上游洪峰平均流量大于500 m3/s时，小浪底水库可能发生高含沙异重流，此时将会有大量泥沙排出库外。根据水库泥沙研究结果得知，高含沙异重流的排沙比可达到90%以上。高含沙异重流携带很多粗颗粒泥沙，如果小浪底排沙期下泄流量小于2600m3/s，对下游河道非常不利。为此，在研究水库淤积形态和排沙时要考虑水库的特殊条件及其对下游河道的影响。

2 、小浪底工程初期运行的泥沙问题

小浪底水库为不完全年调节水库，为充分发挥水库长期运行效益，保持长期有效库容将是水库运用的关键。在初期运行阶段，通过合理调度运行，尽量延长淤积库容使用年限，成为运行调度的重要课题。

2.1 尽量减少水库泥沙淤积，充分发挥淤积效率

小浪底水库运行初期，存在较大的拦沙库容，一是要尽量减少泥沙淤积，延长淤积库容使用年限；二是要拦粗排细，提高淤积库容的使用效率，并尽可能利用下游河道的输沙能力排沙入海，三是要合理淤积，避免在库尾及支流门口形成淤积，从而影响兴利库容。

2.2 合理调度运行方式，减少下游河床的泥沙淤积

小浪底水库拦沙初期下泄清水，将引起下游河槽和滩地的冲淤变化，通过合理的调度运行方式，将尽可能多的泥沙冲刷入海。

2.3 预防泥沙淤积影响工程运行

在多泥沙河流上修建水利枢纽，对泄水和输水建筑物的进水口，不论是开敞式或浅孔式进水口，或深孔式进水口，都应认真处理好进水口防泥沙淤堵问题。若处理不当就会给工程带来危害。

3 、小浪底水库针对泥沙淤积的初期运行方式

3.1 调控水位，使水库做到有序淤积

水库运行水位的高低直接影响到水库的淤积部位，水流挟沙力与水深成反比，水位越高，水流挟沙力越小，水库淤积部位越靠近库尾，损失兴利库容越大，对水库淤积不利。当水库敞泄运用时，水位很低，水流贴近河床流动，冲刷效果最佳，排沙比可高达70-90%，产生淤积的部位也靠近坝前，可使淤积库容做到合理有序排列。

小浪底水库入库水沙条件直接影响小浪底水库的冲淤变化。小浪底水库在入汛前期应和上游水库联合调度运用，当上游水库泄洪排沙时，小浪底水库应相应降低水位泄洪排沙，使泥沙淤积靠近坝前，避免在较高水位下雍水拦沙而产成库尾淤积。

同时，小浪底水库在长期拦沙运行期，应遵循从低到高逐步抬高运行水位的原则，这样有利于水库的有序淤积，可延长有效库容使用年限。在逐步抬高主汛期水位拦沙和调水调沙过程中，淤积体先在较宽阔的坝前产生，而后逐步向狭窄的上半段淤积，先淤满死库容，再逐渐向上淤占部分兴利库容，这样使各级库容都能得到充分利用。

3.2 利用异重流排沙，减少水库泥沙淤积

在多沙河流上蓄水拦沙的水库，异重流排沙是水库减淤的一种重要方法，当水库形成异重流后，下层为含沙量高的异重流，上层为清水，打开底部泄洪孔排出浑水，保留上部清水，可以做到既排沙又蓄水。通过多个水库异重流排沙数据分析，一次异重流排沙比可达40-90%，多次异重流平均排沙比可达30-60%，排沙效果相当可观。但如果异重流处理不当，会产生不利影响，异重流达到坝前如果未及时开启泄洪闸门，则异重流形成浑水水库，加速坝前泥沙淤积。

2004年8月黄河中游地区普降大雨，渭河流域和北干流地区形成洪水，小浪底入库流量达到2960m3/s，含沙量最高达542kg/m3。小浪底水库根据来水来沙情况防洪预泄，控制水库水位在汛限水位以下，使异重流很快运行到坝前，并通过排沙洞排到下游。此次调水调沙运用期间，小浪底下泄水量13.66亿m3，出库沙量1.5亿t，将大量泥沙通过异重流排到下游，排沙比达88%，减少了水库泥沙淤积。

小浪底水库的水沙条件，还受到下游河道输沙能力的制约，特别是要求下泄流量要适应下游河道的输沙能力，做到下游河床不淤积。试验得出使下游河床不淤的条件是保持花园口流量在2600m3/s以上持续6天时间，即在下泄洪水可能形成异重流时，小浪底水库低水位运行，使异重流潜入点靠下，达到小浪底坝前时，下泄流量控制花园口流量持续6天在2600m3/s以上，可保证下游河段不受淤积影响。

3.3 相机降低水位冲沙

在适当时机降低水库水位，利用水库的清水冲刷水库淤积。小浪底水库原河床比降较陡，约为1‰，水流挟沙力较大，库区淤积物容易被冲刷，具备降低水位冲沙的有利条件。每年汛前，小浪底水库利用降低水库水位、预留防洪库容的有利时机，采用清水冲刷淤积物。

降低水位冲刷具有一定的风险性，如果后汛期来水量不足，则对水库的供水发电效益产生不利影响。

3.4 调水调沙，冲刷下游河床

小浪底水库运用后，经过调水调沙运用，黄河下游主槽实现全线冲刷，行洪排沙能力显著提高，平滩流量从不足1800m3/s提高到4310m3/s。

除利用中游水库联合进行调水调沙调度，减少下游河道和小浪底库区淤积外，小浪底水库在拦沙初期阶段，截至2016年汛前共拦截泥沙31.13亿m3，从总量上减少了进入黄河下游的粗泥沙量。

3.5 拦粗排细，提高淤积库容利用率

小浪底水库拦沙是为了减轻下游河床的泥沙淤积，引起下游河床淤积的主要成份是粗颗粒泥沙，细颗粒泥沙一方面容易被水流带走入海，另一方面即使暂时淤积后，在适当的水流条件下，还可以被冲走，所以水库拦截泥沙的粗细颗粒成份直接关系到水库拦沙减淤效益，如果库内拦截的粗颗粒泥沙比例大，则出库的细颗粒泥沙比例大，拦沙库容的有效利用率高。根據以往研究，水库排沙比可以反映水库拦粗排细的程度，排沙比越大，则水库拦截粗颗粒（d>0.025mm）泥沙的比例越大，排沙比达到70%以上，可以使大部分粗沙拦截在库内，排出的泥沙大部分为细沙，且不会对下游河道产生淤积。

小浪底水库在初期蓄水拦沙阶段，即在起调水位EL.210m以下库容淤满前，采用异重流方式排沙，排沙比高，且异重流排出的大部分为细沙，粗沙大部被淤积在库内，不会对下游河床产生淤积，实现一定程度的拦粗排细效果。在起调水位以下库容淤满后，逐步抬高主汛期水位拦沙和调水调沙，控制低雍水，提高排沙能力，维持70%左右的排沙比，尽量避免高水位蓄水拦沙，实现水库拦粗排细运行，提高淤积库容利用率。

3.6 灵活运用泄流设施，维持“门前清”

为确保水库长期有效运行，除尽量减少库区淤积外，还应保证泄水建筑物的安全。确保泄水建筑物进口闸门的灵活启闭，维持“门前清”尤为重要，为此，小浪底水库所有泄洪、排沙及发电、灌溉引水口分十座进水塔集中布置在左岸风雨沟内，各进水口相互保护，形成底部排沙减淤、中部引水发电、上部排污排漂的空间格局。

为预防泥沙在进水塔前淤积，预防因停用时间过长造成闸门前淤积而启闭困难，应轮流开启排沙洞，维持一定的流量，加强进水塔前浑水面及淤积面的监测，准确把握轮流开启使用排沙洞的时机。同时根据不同水位、不同来水来沙条件下进水塔前逆时针汇流区的流速、流态及泥沙分布特点，启用不同位置的孔洞，尽量减少进水塔前泥沙淤积，确保泄水建筑物的“门前清”。

4、 结语

小浪底水库从1999年10月下闸蓄水至2016年6月，水库淤积量已达31.13亿m3；通过水库的合理调度和调水调沙运用，实现了黄河下游全线冲刷，下游河道主槽最小过流能力从1800m3/s增加至4310m3/s，行洪输沙能力显著提高，小浪底水库在黄河下游防洪、减淤方面发挥了巨大效益。

小浪底工程初期运行以来，库区泥沙基本按照设计做到有序淤积，没有影响建筑物的操作运行，各建筑物运行正常。

小浪底水库实际运用以来，黄河来水来沙、下游河道边界、两岸经济社会发展等条件都发生了较大变化，对水库运用和下游河道冲淤特性也有了更深入的认识，要根据不同的运行效果，适时对水库运用方式进行合理的调整和优化，确保枢纽长期综合效益的发挥。

作者简介：常婧华（1985-）， 女，汉族，籍贯：山东省莒县，硕士，中级工程师，主要从事水利水电工程运行管理工作。