2019年汛期小浪底水库排沙运用效果及影响因素分析

王婷 高梓轩 蒋思奇 王子路

摘 要：2019年汛期黄河流域暴雨过程频繁，为应对渭河洪水、上游来水及洪水泥沙，小浪底水库科学实施水沙调控，取得了显著的防洪减淤效益。基于实测资料，分析2019年小浪底水庫运用及进出库水沙、库区淤积形态变化、冲淤分布、水库排沙影响因素。结果表明：汛期小浪底库区干流产生强烈冲刷，冲刷量为1.743亿m3，三角洲洲面段深泓点高程平均降低约4.6 m;水库全年排沙5.451亿t，库区冲刷2.654亿t，排沙比为194.9%;两次低水位排沙运用时段水库排沙5.334亿t，占全年排沙总量的97.9%，库区冲刷3.978亿t，排沙比为393.4%;洪水期排沙运用水位长时间处于较低水平，前期库区淤积泥沙较多，以及汛期较强的入库水流动力，是2019年汛期取得较好排沙效果的主要原因。

关键词：排沙;冲刷;水流动力;水库调度;小浪底水库

中图分类号：TV145

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.004

引用格式：王婷，高梓轩，蒋思奇，等.2019年汛期小浪底水库排沙运用效果及影响因素分析[J].人民黄河，2021，43（12）：18-22.

Abstract： In the flood season of 2019， the rainstorm process in the Yellow River Basin was frequent. In order to deal with the flood and sediment from Weihe River and its upstream， Xiaolangdi Reservoir had implemented scientific regulation of water and sediment and achieved significant flood control and deposition reduction. Based on the measured data， this paper analyzed the operation process of Xiaolangdi Reservoir in 2019， the deposition morphology and distribution， and the influencing factors of sediment discharge. The results show that during the flood season， strong scouring occurs in the main stream of the reservoir. The amount of scouring is 174.3 million m3， and the thalweg elevation in delta section decreases 4.6 m. The annual sediment discharge of the reservoir is 545.1 million tons， the amount of scouring is 265.4 million tons， and the sediment discharge ratio is 194.9%. During the period of two low water level sediment discharge operations， the sediment discharge is 533.4 million tons， accounting for 97.9% of the total annual sediment discharge， and erosion is 397.8 million tons， and the sediment discharge ratio is 393.4%. The main reasons for the better effect of sediment discharge in flood season in 2019 are that the water level in front of dam is at a lower level for a long time， more sediment is deposited in the early stage and strong inflow flow power in flood season.

Key words： sediment discharge; scouring; hydrodynamic; reservoir operation; Xiaolangdi Reservoir

小浪底水利枢纽是一座除害兴利的综合性枢纽工程，主要任务以防洪（防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电[1-2]。水库正常运用水位为275 m，原始库容为127.5亿m3，长期有效库容51亿m3，2000年5月正式投入运用。水库自运用以来，在保障下游防洪减淤及生活、生产、灌溉和生态用水安全等方面发挥了巨大的社会效益和经济效益[3-5]。2019年汛期黄河流域暴雨过程频繁，共出现4次编号洪水，小浪底入库水量为220.95亿m3。为应对渭河洪水、上游来水以及洪水泥沙，按照“统筹兼顾，泄蓄兼筹，科学调度，全力防控，确保安全”的原则[6]，小浪底水库科学实施水沙调控，取得了显著的防洪减淤效益。2019年小浪底进出库沙量分别为2.797亿、5.451亿t，排沙比为194.9%。及时对水库排沙效果及影响因素进行总结，能够为今后水库调度提供技术支撑。

1 水库运用及进出库水沙

2019年（水库运用年，上年11月1日至2019年10月31日）小浪底水库日均最高运用水位为269.96 m（2月16日），最低为210.10 m（7月24日）（见图1）。年内水库运用可分为3个阶段：第一阶段为2018年11月1日至2019年6月20日，水库以蓄水、防凌、供水为主;第二阶段为6月21日至8月11日，水库以防洪排沙运用为主;第三阶段为8月12日至10月31日，水库以蓄水防洪为主。水库排沙主要集中在第二阶段，下面重点对该阶段进行分析。

6月21日至8月11日，受中上游几次降雨过程影响，水库运用先后经历了汛前腾库迎洪运用、汛期首次低水位排沙运用及汛期二次低水位排沙运用3个过程。

汛前騰库迎洪运用（6月21日—7月6日）：为尽快将库水位降至汛限水位，同时应对上游来水，小浪底水库从6月21日开始加大泄量，进行汛前腾库迎洪运用。6月23日至7月6日，小浪底出库流量均大于3 200 m3/s，平均值为3 893 m3/s，最大为4 670 m3/s（6月30日），库水位从249.8 m降至229.8 m。该运用过程小浪底水库平均运用水位为239.53 m，进出库水量分别为23.83亿、52.46亿m3，进出库沙量分别为0.317亿、0.044亿t，库区淤积0.273亿t，排沙比为13.9%（见表1）。

汛期首次低水位排沙运用（7月7日—8月5日）：7月7日库水位降至228.30 m，小浪底水库维持大流量出库，开始汛期首次低水位排沙运用。7月7日出库含沙量11.76 kg/m3，为塑造有利水流条件挟沙出库，避免洪峰增大，11日至16日小浪底水库减小下泄流量至2 600 m3/s左右。14日库水位降至215.39 m，出库含沙量为140 kg/m3，15日出库含沙量为213 kg/m3，最大瞬时值为264 kg/m3。17日水库开始加大泄量，库水位持续下降，24日降至210.10 m，之后库水位维持在211.5 m附近运用至8月1日。8月2日入库流量减小，水库蓄水，8月5日库水位达到220.33 m，出库含沙量为2.45 kg/m3。该运用过程小浪底水库平均运用水位为215.85 m，进出库水量分别为61.73亿、76.41亿m3，进出库沙量分别为1.181亿、4.860亿t，库区冲刷3.679亿t，排沙比为411.5%。

汛期二次低水位排沙运用（8月6日—11日）：8月6日随着洪水入库，小浪底水库再次增大泄量至4 200 m3/s，进行汛期二次低水位排沙运用。8月9日库水位降至214.85 m，出库含沙量增至63.77 kg/m3，之后，入库流量减小，水库开始蓄水。8月11日出库流量降至800 m3/s，库水位达到220.48 m，出库含沙量为12.88 kg/m3。该运用过程小浪底水库平均库水位为218.22 m，进出库水量分别为14.98亿、16.32亿m3，进出库沙量分别为0.175亿、0.474亿t，库区冲刷0.299亿t，排沙比为270.9%。

2019年小浪底进出库水量分别为405.41亿、458.50亿m3，进出库沙量分别为2.797亿、5.451亿t，沙量全部集中在汛前腾库迎洪运用时段和汛期，库区冲刷2.654亿t，排沙比为194.9%。水库排沙主要集中在汛期两次低水位排沙运用时段（7月7日—8月11日），该时段历时36 d，入库沙量为1.356亿t，占全年入库沙量的48.5%，而出库沙量5.334亿t，占全年出库沙量的97.9%，库区冲刷3.978亿t，排沙比为393.4%。这表明，洪水期开展低水位排沙运用不仅能够输送洪水带来的泥沙，而且还有效地冲刷了库区前期淤积物，取得较好的排沙效果。

2 水库淤积形态

2.1 纵剖面

2019年汛期小浪底库区干流发生强烈冲刷（见图2），干流三角洲洲面段深泓点高程平均降低约4.6 m。与历年深泓点纵剖面对比可以发现，2019年汛后干流三角洲洲面HH10断面（距坝13.99 km）以上库段接近或略高于2013年汛前纵剖面，三角洲顶点附近库段与汛前相比变化不大，坝前HH05断面以下受泄流等影响，发生少量冲刷。三角洲顶点维持在2019年汛前的HH06断面（距坝7.74 km），顶点高程由汛前的212.93 m降低至212.66 m。

2.2 横断面

库区HH37断面以上库段。该库段河床狭窄，河势受两岸山体的制约蜿蜒曲折，河势稳定，汛期水库运用水位相对较低，该库段基本脱离回水影响。其中HH52断面以上库段河道比降较大，约为千分之二，且宽度较小，为200～250 m，河床多年变化不大。HH37—HH52之间库段河床调整主要受入库水沙条件影响，长期的小流量过程使河槽逐步萎缩。2019年汛期大流量入库时，虽然河槽横向展宽受上下游山嘴的制约，但河槽因下切刷深故仍得到较大扩展，如HH48断面，见图3（a）。该库段深泓点高程平均降低5.11 m。

HH06—HH37断面之间库段。该库段处于淤积三角洲洲面段，河道平行抬升淤积，滩槽状态交替出现，尚未形成固定滩槽。河床调整与入库水沙条件及水库调度过程关系密切。当汛期运用水位较高时，该库段在回水区，水沙以异重流形式运动，断面平行抬升淤积，滩槽不明显。2019年汛期入库水沙量较大且运用水位较低，该库段以河道状态呈现，河槽冲刷、滩地淤积，出现明显滩槽，如HH34、HH23和HH13断面，见图3（b）（c）（d）。该库段深泓点高程平均降低4.35 m，滩地抬升0.5～3.0 m。此外，该库段河槽形成与HH37断面以上库段有所不同，HH37断面以上以沿程冲刷为主，而该库段冲刷主要发生在低水位运用时段，库区冲刷为溯源冲刷和沿程冲刷的叠加。

HH06断面以下库段。该库段基本常年在回水区，河床变化主要受水库调度和上游来水来沙影响，大部分时段以淤积抬升为主。2019年汛期水库低水位运用时间较长，排沙洞长时间开启，使得坝前至三角洲顶点库段也出现明显滩槽，如HH01和HH05断面（见图4）。该库段深泓点高程平均降低1.15 m，滩地抬升2.0～5.0 m。该库段滩槽形成与三角洲顶点至HH37断面之间库段有所不同，主要是坝前泄流引起的河槽溯源冲刷以及异重流淤积引起的滩地抬升，而后者主要是由明流引起的淤滩刷槽。

支流受到高含沙水流倒灌的影响，大部分以淤积为主，如大峪河出现明显淤积，见图5（a）。部分支流因内部蓄水下泄，故在口门形成河槽，如畛水河，见图5（b）。计算表明，2019年汛期支流畛水河口冲刷泥沙4万m3，而支流内部仍表现为淤积，淤积量为40万m3。

3 库区冲淤量分布

2019年汛期小浪底库区干流发生强烈冲刷，冲刷量为1.743亿m3。其中：HH20—HH38冲刷最为剧烈，冲刷量为1.140亿m3;HH08—HH20和HH38—HH53库段分别冲刷0.243亿、0.424亿m3，其他库段发生少量淤积，见表2。

2019年汛期小浪底库区干流淤滩刷槽现象明显。根据小浪底水库运用以来历年断面套绘及河势变化，对2019年汛前汛后小浪底库区各断面进行滩槽划分并计算出滩地淤积量与河槽冲刷量，见表2、图6和图7（其中：图6为库区干流河槽冲淤量和滩地淤积量沿程分布情况;图7对图6中河槽冲淤量进一步细化，将河槽冲淤量分为因河槽下切而产生的冲刷量和因河槽展宽而引起的冲刷量两个部分，并给出两部分沿程变化情况）。由图7可以看出，2019年汛期库区干流河槽冲刷量为2.120亿m3，其中HH20—HH38库段河槽冲刷最为强烈，该库段河槽冲刷量为1.193亿m3，占河槽冲刷总量的56.3%。滩地共淤积泥沙0.377亿m3，主要集中在HH14断面以下库段。

2019年汛期小浪底库区干流河槽冲刷主要表现为河槽下切和河槽展宽两种情况。其中：河槽下切产生的冲刷量为1.524亿m3，是冲刷的主体，占河槽冲刷量的71.9%;河槽展宽产生的冲刷量为0.596亿m3，占河槽冲刷量的28.1%。

4 水库排沙影响因素

水库排沙效果与入库水沙条件、水库调度、库区淤积物状态、库区地形条件等多种因素有关。下面主要从沙源、水流动力以及水库调度3个方面分析各因素对2019年汛期排沙效果的影响[7]。

4.1 沙源

小浪底水库排出的泥沙主要为上游来沙和库区淤积的泥沙。研究表明[8]，淤积泥沙的干容重随泥沙淤积厚度和淤积时间的增加而增大，淤积体长时间受力固结，泥沙颗粒之间固结成整体，抗冲性强。相比较而言，库区沉积历时较短的泥沙相对容易起动并被排出库外。

2018年汛期，为应对黄河第1号洪水，7月3日小浪底水库实施降低水位排沙运用，至7月26日水库处于持续冲刷状态，7月27日库水位抬升至219.89 m，库区呈现淤积状态，直至汛期结束（见图8）。7月27日至汛期结束小浪底水库进出库沙量分别为3.167亿、0.531亿t，库区新增淤积泥沙2.636亿t，这部分泥沙沉积历时较短，在2019年洪水期水库冲刷时相对容易起动并被排泄出库。

由表1可知，2019年6月21日至8月11日小浪底入库泥沙1.673亿t，而该时段小浪底排沙5.378亿t，排沙量大于洪水期间来沙量与2018年水库回蓄之后淤积量之和（4.309亿t），说明该时段小浪底水库排出的泥沙不仅是2018年排沙结束后库区淤积的泥沙和2019年洪水期入库泥沙，还冲刷了2018年以前淤积在库区的1.069亿t泥沙。值得一提的是，2018年排沙结束后库区淤积的泥沙和三门峡水库输送的泥沙分别占该时段出库沙量的49.0%和31.1%，两者合计占该时段排沙总量的80.1%。也就是说，从泥沙供给角度来看，2019年小浪底水库排沙取得较好效果的原因，一是洪水期上游来沙较多，二是2018年冲刷结束后库区淤积泥沙较多，这些泥沙为提高水库排沙效果提供了大量沙源。

4.2 水流动力

水流动力条件是影响水库排沙效果的主要因素之一。小浪底水库运用以来排沙主要集中在7—8月。2019年7—8月小浪底入库水量为119.95亿m3，是水库运用以来同期入库水量最大的一年（见图9）。其中，7月、8月入库水量分别为63.69亿、56.26亿m3，7月入库水量位居同期第一，8月入库水量仅次于同期最大年份2012年的64.44亿m3。汛期两次低水位排沙运用时段入库水量为76.71亿m3，平均入库流量2 466 m3/s。因此，2019年小浪底水库7—8月较大的入库水量为水库取得较好的排沙效果提供了强大的水流动力。

4.3 水库调度

洪水期小浪底库区输沙流态一般分为明流均匀流输沙、壅水明流输沙和异重流输沙三种。洪水入库期间，小浪底水库坝前水位越低，回水长度越短，意味着明流段可冲刷距离越长，冲刷量越大，同时也会减少明流段壅水输沙距离和异重流输沙距离，从而加大异重流排沙出库的沙量。当坝前水位低于三角洲顶点时，库区产生强烈的溯源冲刷，库水位越低，冲刷强度越大，冲刷距离也越长[9]。2019年汛期小浪底水库排沙历时较长，累计排沙57 d。其中汛期两次低水位排沙运用大部分时段坝前水位在三角洲顶点高程附近，最低为210.10 m，平均为216.24 m（见图10），相应回水长度13 km，为历年排沙运用期最小回水长度。因此，2019年汛期长时间低水位运用是造成库区强烈冲刷的又一个主要因素。此外，汛期两次低水位排沙运用时段出库水量92.73亿m3，明显大于入库水量76.71亿m3，说明洪水期库水位总体上处于下降过程，运行至坝前的高含沙水流能够及时排泄出库，減少坝前库区落淤，从而提高排沙效果。

综上，前期库区淤积泥沙较多、洪水期入库水流动力较强以及坝前低水位排沙运用时间较长等多种因素叠加，一是有利于库区三角洲洲面段产生自上而下的沿程冲刷，二是有利于三角洲顶点附近产生自下而上的溯源冲刷，三是有利于在近坝段形成异重流并及时排沙出库。因此，多种因素的综合作用，形成了小浪底水库2019年较高的排沙比与较大的出库沙量。

5 结 语

为应对入库洪水，2019年汛期小浪底水库科学实施水沙调控，开展了两次低水位排沙运用，历时36 d，取得了显著的防洪减淤效益。

（1）水库排沙主要集中在汛期两次低水位排沙运用时段。全年水库排沙5.451亿t，库区冲刷2.654亿t，排沙比为194.9%。其中两次低水位排沙运用时段水库排沙5.334亿t，占全年排沙总量的97.9%，库区冲刷3.978亿t，排沙比393.4%。

（2）汛期库区干流发生较强烈的淤滩刷槽，河槽冲刷量为2.120亿m3，滩地淤积0.377亿m3，合计冲刷量为1.743亿m3，三角洲洲面段深泓点高程平均降低约4.6 m。

（3）库区断面形态总体调整较大，各库段形态变化有所不同。HH52断面以上库段河道比降较大，约为千分之二，宽度较小，为200～250 m，河床变化不大。HH52—HH37断面之间库段以沿程冲刷为主，河槽因下切刷深而得到较大扩展，深泓点高程平均降低5.11 m。HH37—HH06断面（三角洲顶点）之间库段为溯源冲刷和沿程冲刷的叠加，河槽冲刷、滩地淤积，出现明显滩槽，深泓点高程平均降低4.35 m，滩地抬升0.5～3.0 m。HH06断面以下库段深泓点高程平均降低1.15 m，滩地抬升2.0～5.0 m。

（4）2019年汛期取得较好排沙效果的原因主要有：一是洪水期坝前低水位排沙运用时间较长，库区回水长度较短，两次低水位排沙运用时段水库最低运用水位210.10 m，平均运用水位216.24 m，回水长度13 km，为历年排沙运用期最小回水长度;二是前期库区新增淤积物较多，2018年排沙结束后库区新增淤积泥沙2.636亿t;三是汛期入库水流动力较强，7—8月入库水量119.95亿m3，位居小浪底水库运用以来同期第一，两次低水位排沙运用时段入库水量76.71亿m3，平均入库流量2 466 m3/s。

参考文献：

[1] 张俊华，陈书奎，李书霞，等.小浪底水库拦沙初期水库泥沙研究[M].郑州：黄河水利出版社，2007：1-5.

[2] 王婷，王远见，曲少军，等.小浪底水库运用以来库区泥沙淤积分析[J].人民黄河，2018，40（12）：1-3，20.

[3] 刘树君.小浪底水利枢纽调度运用回顾[J].人民黄河，2016，38（10）：137-141，144.

[4] 陈建国，周文浩，孙平.论小浪底水库近期调水调沙在黄河下游河道冲刷中的作用[J].泥沙研究，2009，34（3）：1-7.

[5] 王婷，馬怀宝，王远见，等.小浪底水库运用以来进出库泥沙分析[J].人民黄河，2019，41（1）：6-9，13.

[6] 黄河防汛抗旱总指挥部办公室.2019年汛期黄河洪水技术总结[R].郑州：黄河防汛抗旱总指挥部办公室，2019：11.

[7] 王婷，李小平，王方圆.2020年汛期小浪底水库调度运用指标[R].郑州：黄河水利科学研究院，2020：35-40.

[8] 韩其为.水库淤积[M].北京：科学出版社，2003：414-432.

[9] 王婷，曲少军，胡跃斌.2017年第1号洪水期间小浪底水库异重流分析[J].人民黄河，2017，39（12）：27-30.

【责任编辑 张 帅】