多泥沙河流防洪水库泄洪排沙规模研究——以陕西省王瑶水库为例

郭世兴，王 健，吕 莎

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001)

1 研究背景

河流上修建水库，都有泥沙淤积问题，控制泥沙淤积是水库运行的主要矛盾。合理的运行方式是获得良好排沙效果的重要途径，而水库泄流规模的大小又是获得良好排沙效果的先决条件[1]。目前对水库泄流能力研究多集中在低含沙水流或清水试验。高含沙水流由于含沙量高和粘性颗粒的存在，使浑水发生絮凝，水流由中、低含沙量的牛顿流体变为宾汉流体，产生宾汉极限切应力，水流粘性系数也发生改变[2]。通过对张瑞瑾低含沙水流挟沙力公式的修正，韩其为[3]、张红武[4]、张红艺[5]等引入宾汉切应力，考虑不同影响因子建立各自的高含沙水流挟沙力公式。

黄科院[6]采用浑水试验分析形成宾汉体临界含沙量为81 kg/m3，形成一相流的临界含沙量为300 kg/m3，且颗粒越细，宾汉体极限切应力越大[7]。多泥沙河流汛期泄洪由于含沙量对粘滞性和摩阻系数的影响，按清水试验确定的堰流流量系数偏大，计算泄流量偏高。陈上群[8]通过高含沙宾汉体流变方程分析，孔流浑水流量系数大于清水流量系数，按清水流量模数偏于安全。文献[9]在中表孔泄流试验及三门峡泄流[1]验证了相同水位浑水流量偏小。泄流能力方面，文献[10-12]分析不同供水水库的泄流规模，提出水库对应各级特征水位要求的泄流规模。对于多泥沙河流上的防洪水库，需要按照防洪调度规则滞蓄天然洪水来削减洪峰和错峰，洪峰过后在满足下游安全前提下，尽快下泄所蓄洪水，则水库要有一定的泄洪排沙规模。本文通过延安市王瑶水库水沙特性分析和运行观测资料的分析，提出多泥沙河流上防洪水库合理的泄流排沙规模。

2 王瑶水库概况

王瑶水库位于陕西省延安市境内延河支流杏子河上，控制流域面积820 km2。水库于1970年10月动工修建，1972年9月竣工。原设计(“三边工程”)是一座以防洪为主，兼有灌溉、发电、供水等综合效益的二等大(2)型水利枢纽。由于延安市城市供水水源贫乏，1997年开始蓄清排浑运用给延安市供水，设计日供水量5.0万m3，设置汛期限制水位1 180.5 m，工程首要任务是防洪，采用固定泄量法调度，非王新宏[13]所述为供水水库。

王瑶水库由大坝、Ⅰ号和Ⅱ号泄洪洞、输水洞和电站等组成。大坝为均质土坝，最大坝高55 m，校核洪水位1 188.02 m，对应初始库容2.03亿m3。Ⅰ号泄洪洞位于左坝肩，进口洞底高程1 145.7 m，2.6 m内径的67.3 m圆形压力洞接628.6 m城门洞型(3.2 m×3.75 m)明流洞，最大泄量79 m3/s。1979年12月完工投入运行；Ⅱ号泄洪洞进口洞底高程1 150 m，3 m内径圆形压力洞39.8 m接城门洞型609 m明流洞(3.6 m×4.4 m)，最大泄量116 m3/s，2007年7月投入运行。输水洞采用菠萝型放水塔分层取水，1980年投入运行[14]。

3 杏子河水沙特性及王瑶水库实测淤积分析

3.1 杏子河水沙特性分析

杏子河为延河右岸一级支流，流域面积1 483 km2。流域为黄土丘陵沟壑区，植被差，水土流失严重。统计王瑶水库坝址1958年～2014年(1962年和1967年缺测)的55年水沙系列，多年平均的径流量为0.35亿m3，输沙量为846万t，多年平均含沙量236 kg/m3，其中汛期7月、8月来沙量占多年平均入库沙量的80%，汛期平均含沙量413 kg/m3。年最大入库径流量、沙量分别为0.67亿m3和3 000万t，年最小入库径流量、沙量分别为0.17亿m3t和140万t；日平均最大含沙量1 301 kg/m3。入库水沙呈年际年内分配不均，含沙量高，小流量带大沙，洪水猛涨猛落，峰高量小历时短，来沙集中等特征。统计实测洪水过程，大于50 m3/s的洪峰一般持续3～5 h，日平均含沙量500 kg/m3对应流量集中在10 m3/s。从表1可以看出，日平均大于10 m3/s的天数为4.96 d，径流量占全年的34.1%，输沙量占全年的77.8%；日平均大于30 m3/s的天数接近1 d，径流量占全年的29.4%，输沙量占全年的44.7%；从表2输沙率统计分析，输沙率大于17.36 t/s(150万t/d)的天数出现1.2 d，输沙量占全年的45%，径流量占全年的17.6%。根据水沙过程集中的特性，只要泄流设施合理，控制水库每年泄流1～4 d就可以把大量的泥沙排出库外。依据杏河站用粒径计测算的悬移质颗粒级配资料，d50=0.014 mm，d≤0.025 mm占65.1%，d≤0.05 mm占84.1%。历年不同流量级入库水沙量统计见表1，历年输沙率分级水沙成果统计见表2。

表1 历年不同流量级入库水沙量统计

3.2 王瑶水库泥沙淤积分析

王瑶水库1973年1月～1979年12月蓄洪拦沙，淤积总量占总库容29.4%，坝前淤积厚30 m；1980年1月～1984年12月虽Ⅰ号泄洪洞竣工，但只进行了几次滞洪排沙，总淤积量占总库容39%，坝前淤积厚度34.6 m；1985年6月24日～7月14日泄空排沙，汛期又经过几次空库敞泄排沙，排沙量842万m3(年入库沙量502万m3)，淤积滩面平均比1984

表2 历年输沙率分级水沙成果统计

年下降了0.8 m，初步在平行抬升的床面上形成了槽库容。据1988年实测，主槽已形成704万m3槽库容，至1990年12月淤积总量占总库容37.5%；1991年1月～1995年12月蓄洪拦沙，排沙比19.9%，淤积总量占总库容52.9%；1996年汛期泄空排沙2个月，冲出槽库容；1997年至今给延安市供水，采用蓄洪排沙运用，2015年实测坝前淤积高程1 176.6 m，水库泥沙淤积总量1.45亿m3，占总库容的71.4%，坝前淤积厚40.9 m，已高出泄洪洞进口30.9 m，一旦提闸放水，周围淤泥极易下滑而堵塞压力洞段，给大坝运行安全造成威胁。

依据实测断面资料，王瑶水库淤积面基本平行抬高，在泄洪洞前形成明显的排沙漏斗，2015年实测Ⅰ号泄洪洞进口漏斗深28.3 m，洞口上下游比降基本对称为38.7%，平行坝轴线的沟道方向比降为30.95%；Ⅱ号泄洪洞进口漏斗深24 m，洞口上游侧比降为7.39%，洞口下游侧比降为25.73%(近坝侧)。自1997年蓄洪排沙运用后，坝前5 km淤积面抬升明显，坝址处由1 154.2m抬高到1 176.6 m，河段比降0.209%，其中坝上游2.3 km以上滩槽分明；库区6～12 km滩面抬高至汛限水位，河段比降0.018%。

3.3 王瑶水库防洪作用

王瑶水库作为防洪水库，控制流域面积占延安市防洪控制断面的20.4%，从“777”洪水王瑶水库未泄洪仍然造成延安市主城区淹没损失惨重的事实，说明其防洪作用有限。对“777”典型洪水过程和现有泄流曲线进行水库调洪计算，对于百年一遇的天然洪水组成，王瑶水库的削峰量占防洪控制断面天然洪峰的15.7%～34%；对于五十年一遇的洪水组成，王瑶水库的削峰量占防洪控制断面天然洪峰的15.5%～32.7%。

4 水库合理的泄洪排沙规模

王瑶水库受泄流规模的限制，洪峰过后无效拦蓄过多，泥沙大量在库内淤积，加之1997年后成为延安市唯一的骨干地表水源，蓄清排浑运用使水库淤积进一步加剧，2016年实测正常蓄水位以下库容0.21亿m3。为缓解王瑶水库的淤积，2004年在下游支沟建成红庄反调节水库，设计在王瑶空库敞泄排沙期及蓄水初期(7月1日～8月20日)由红庄水库800万m3调蓄库容供水，但延安市的供水需求日益增长，供水管道一直满负荷运行，红庄水库只能依靠低坝抽取延河水和自身径流进行调蓄，王瑶水库无法空库排沙，管理部门由于近年枯水期持续的水荒采用限时供水，更无法承担泄空排沙的供水风险，且原设计的泄洪洞汛期敞泄，没有考虑王瑶的防洪要求，更没有考虑不协调的水沙出库对下游河道的淤积，增大下游堤防的防洪风险。故在延安引黄工程通水缓解市区供水压力后，王瑶水库具备了扩容改造和改变运行方式的条件，以下从水沙分析、经验公式计算及工程类比等方面进行分析，研究王瑶水库的合理泄流规模。

4.1 不利含沙量要求的最小泄流能力

不利含沙量指某一级含沙量在一年中出现的几率最大，对水库淤积量最为不利[15]。根据王瑶坝址历年含沙量按等级划分并统计各年中出现各级含沙量的几率，计算其乘积，统计结果见表3。小于等于日平均含沙量50 kg/m3出现的几率最大，乘积最大值相对应的流量12 m3/s即为初定泄量的下限。对于丰枯变化大的杏子河，多年平均洪峰流量560 m3/s，而坝址汛期7月～8月的日平均流量1.66 m3/s，洪峰流量是日平均流量的337倍，不利含沙量对陡涨陡落的中小河流不适用。

表3 历年含沙量与出现几率统计及乘积

4.2 水沙特性分析需要的泄流能力

依据参证站资料按照矩法计算统计参数、目估适线的王瑶水库各频率洪水特征值见表4，利用钱意颖公式[1]计算的造床流量为118 m3/s。统计历年实测资料，年最大洪峰流量小于200 m3/s的有13 a，在200～560 m3/s之间的有28 a，大于560 m3/s的有9 a。现有最大泄流规模197 m3/s明显不足，滞蓄洪水造成漫滩淤积。

杏子河输沙量主要集中在汛期的几场洪水，考虑坝址和防洪控制断面区间洪水的组成，在区间洪峰过后，以不造成下游淤积为前提，把大水大沙年的汛期浑水在满足下游防洪要求下排出，就可减少库内淤积。根据杏子河的天然水沙关系，实测流量350～580 m3/s对应的含沙量在780～940 kg/m3，持续时间1～1.5 h，实测流量大于580 m3/s对应的含沙量在810～1 010 kg/m3，持续时间0.5 h。考虑冲沙时间和挟沙能力，初步分析泄流量应在580 m3/s以上。

表4 王瑶水库各频率洪水特征值

4.3 经验公式计算的泄流能力

文献[16]从保持长期有效库容兴利的角度，建议多泥沙河流水库的排沙水位泄流规模取1.5倍～2.0倍造床流量或两年一遇洪峰流量，对应王瑶水库需要的泄量为177～236 m3/s或310 m3/s。目前王瑶水库校核洪水位时最大泄量为197 m3/s，汛期限制水位对应的泄量176 m3/s，泄量偏小，最大泄量应大于310 m3/s。王瑶水库已运行48年，库区形成稳定的冲淤比降和淤积床面，利用新建水库的泄流公式确定已成水库的泄流规模不尽合理。泄洪排沙洞前高差20余米的漏斗，改造时应空库拉出稳定的河槽，控制汛期洪水不上滩落淤，在不考虑槽库容调洪条件下，水库平滩水位(或汛限水位)泄流规模取10%～5%的洪峰流量，对应王瑶水库洪峰流量为1 260～1 780 m3/s，其中底洞泄量按滞蓄洪水3～4 h考虑为510～680 m3/s。

4.4 工程类比的泄流能力

甘肃省蒲河上的巴家咀水库坝址多年平均含沙量225 kg/m3，存在与王瑶水库类同的泄洪能力小，滞洪时间长等问题，水库因淤积问题多次加坝扩容[17]。1998年水库泄洪量按大于天然河道造床流量增建隧洞，最大泄洪量由137 m3/s增为642 m3/s，采用“蓄清排浑，空库迎洪”运行方式[18]汛限水位对应泄量为最大泄量一半，仍不能满足泄洪要求，2004年有效库容淤积损失61.1%，改建加高坝体和增设开敞式溢洪道，采用“蓄清排浑，空库迎洪，峰后蓄水”运行方式。按照泥沙设计要求，王瑶水库主汛期限制水位的泄流规模应相当于频率p=33%～20%的洪峰流量(493～782 m3/s)或多年平均洪峰流量(560 m3/s)。巴家嘴改造时取p=33%洪峰实际运行偏小，故王瑶水库限制水位的泄流量应大于560 m3/s。

4.5 防洪控制断面允许的王瑶下泄流量

延安市现有堤防工程考虑了王瑶水库滞洪削峰作用，要进一步提高市区防洪标准，需要延河干流规划的龙安水库和王瑶水库作为并联防洪水库，错开无控区间同频的洪峰Q2%=3 902 m3/s，下泄洪水演进到防洪控制断面和区间洪水过程叠加，满足中心城区的防洪要求。即洪峰时刻控制下泄397 m3/s，峰后根据泥沙调度结合防洪调度确定下泄流量。

综上所述，王瑶水库作为防洪水库采用“蓄清排浑”运用，为了减小洪水携带的及前期蓄水阶段淤积在库内的泥沙影响，需要规模较大的泄流排沙设施，也有利于错峰泄洪后腾出库容迎接下一场洪水。土石坝现有的泄洪排沙规模偏小，应增大无压隧洞的泄洪规模不小于580 m3/s，结合增设溢洪道，控制平滩水位的泄量不小于1 780 m3/s。

5 结 论

(1)北方中小河流丰枯变幅大，洪水历时时间短，高含沙存在的宾汉极限切应力，使相同的孔流规模，水流泄流量明显偏低。

(2)不利含沙量对北方多沙河流陡涨陡落型河流适用性差，水库泄流排沙规模要充分利用已有水库的原型观测资料和水沙系列进行分析，并通过类比同类工程的设计运行经验合理取舍，多泥沙河流考虑和谐的水沙关系，泄流规模应不小于多年平均洪峰流量，水库平滩水位泄流规模取10%的洪峰流量。

(3)防洪水库在错峰调度后适时加大下泄流量，使泥沙在库内落淤少，保持有效库容发挥长期综合效益。泥沙调度和防洪调度结合、防洪体系中并联水库的库容优化配置及协调的水沙关系都需要进一步研究。