小浪底水库水沙调控对淤积形态影响的数值模拟

假冬冬 江恩慧 王远见 邵学军

摘 要：水库淤积形态是影响水沙调节效率的一项关键因素。为优化水库调度方式，采用考虑细颗粒淤积物流动特性的水库淤积形态数值模型，开展了小浪底水库淤积形态对水沙调控响应的模拟分析工作。研究结果表明：三角洲形态及顶点位置随着水库的运行调控而发生变化，三角洲顶点附近顶坡段的冲淤调整和水库运行低水位与三角洲顶点高程之间存在较明显的关联性，当水库低水位低于三角洲頂点高程时三角洲顶坡段出现冲刷，当水库低水位高于三角洲顶点高程时三角洲顶坡段出现淤积;淤积形态为同等淤积量的锥体时，库区上段受河道边界影响有冲有淤，中下段库区淤积明显，且淤积量较三角洲淤积形态的大;考虑人工清淤措施时，清淤量与水库淤积总量相比占比非常小，因此淤积形态总体变化与不考虑人工清淤时基本类似，仅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定变化。

关键词：淤积形态;水沙调控;数值模拟;小浪底水库

中图分类号：TV856;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.007

引用格式：假冬冬，江恩慧，王远见，等.小浪底水库水沙调控对淤积形态影响的数值模拟[J].人民黄河，2022，44（2）：32-35，44.

Abstract： Sedimentation pattern is one of the critical factors， which has great impact on the efficiency of water and sediment regulation in reservoirs. In order to improve the reservoir operation， the responses of sedimentation patterns of the Xiaolangdi Reservoir to water and sediment regulation were simulated by a mathematical model considering the effect of fine-grained sediment deposits movement. The simulation results indicate that the delta sedimentation pattern is adjusted during the process of reservoir operation. The variation pattern of the top of the delta depends on the relationship between the lowest water level of reservoir operation and the top elevation of the delta. Erosion occurs when the lowest water level is lower than the elevation of delta top， otherwise deposition will be occurred. Compared with the delta deposition morphology， the sedimentation volume of cone deposition morphology is larger with the same method of water and sediment regulation. The variation of sedimentation pattern considering dredging in the vicinity of the top of the delta is very small， except for the location of dredging.

Key words： sedimentation pattern;water and sediment regulation;numerical simulation;Xiaolangdi Reservoir

基于水库枢纽工程的水沙关系调节，是保障黄河长久安澜的重要手段，而水库淤积形态则是影响水沙调节效率的一项关键因素。水库淤积形态是水库泥沙运动的结果[1]，与入库水沙条件、水库自身特点及其运行调度方式等因素相关。与此同时，水库淤积形态又会影响库区水沙输移过程以及库容分布，影响水库设计功能的正常发挥。深入研究水沙调控对水库淤积形态的影响过程与规律，不仅可以丰富水库泥沙研究内容，也可以为水库优化调度提供科技支撑，具有重要的理论价值和实际意义。

关于水库淤积形态的不同类型与判别方法，我国学者提出了水库三角洲淤积形态的具体判别方法，还在理论上给出了锥体淤积剖面近似于直线的结论，并分别提出了三角洲、锥体及带状3种典型淤积形态的判别方法[1-2]。小浪底水库是黄河干流水沙调控的重要控制性工程，针对其水库泥沙问题，许多学者开展过大量研究工作。在异重流潜入条件判别方面，李书霞等[3]通过改进描述异重流运动的动量方程，给出了潜入条件判别的新计算公式，并采用多组实测资料对该判别条件进行率定与验证。在水库降水库区溯源冲刷方面，李涛等[4]利用小浪底水库的实体模型，对溯源冲刷过程开展了多个组次的试验，分析了侵蚀基准面、水量等因素与水库溯源冲刷量之间的关系。张俊华等[5]通过建立小浪底水库准二维数学模型，对水库运用初期的淤积过程进行了模拟分析。在水库排沙比方面，张帅等[6]基于小浪底水库实测资料，研究了汛期排沙比与进出库平均流量、入库平均含沙量、平均库容等因素之间的关系，并建立了拟合精度较高的排沙比计算公式。随着小浪底水库的持续运行以及实测资料的不断积累，孙东坡等[7]分析了入库水沙过程以及库区泥沙淤积的变化特点。王婷等[8]对小浪底水库运用至2016年的库区淤积分布以及粒径特征等进行了统计分析。张俊华等[9]从干支流倒灌机制、异重流潜入与运动规律、水库高效输沙调度原则、异重流高效排沙试验等方面，总结分析了小浪底水库高效输沙理论与调控的关键技术。随着小浪底水库泥沙研究的深入进行，细颗粒淤积物自身的流动特性因对淤积形态存在较明显的影响而开始受到关注[10]。水库淤积形态是影响水沙调控效率的一项重要因素，其对水沙调控，尤其是对泥沙动态调控（如人工清淤等）的响应规律如何，还有待进一步深入研究。为此，笔者采用考虑细颗粒淤积物流动特性的水库淤积形态数值模型[10]，针对三角洲和锥体两种典型淤积形态，开展了小浪底水库淤积形态对典型水沙调控响应的模拟分析，以期为水库淤积形态演化机理和水库优化调度的深入研究提供科技支撑。

1 小浪底水库淤积形态数值模型简介

1.1 小浪底水库概况

小浪底水利枢纽工程是黄河水沙调控的关键控制性工程，在黄河治理与保护中具有重要战略地位。枢纽工程位于黄河中游最后一个峡谷段的出口，控制流域面积约69.4万km2，占黄河流域面积的92.3%，上距三门峡水利枢纽约130 km。小浪底庫区平面形态狭长弯曲，入汇支流较多，如图1所示。水库设计正常蓄水位275 m，原始库容127.5亿m3，长期有效库容51亿m3。该水库主体工程于1994年9月开工，1999年10月开始下闸蓄水，2000年5月正式运行。小浪底水库运行以后，实测资料表明库区泥沙淤积显著，2015年4月与1999年9月相比，水库累计淤积的泥沙为30.49亿m3（断面法计算），约为设计拦沙库容的42.1%[6]。

1.2 考虑细颗粒淤积物流动的淤积形态数值模型简介

小浪底水库近坝段淤积的泥沙粒径较小，中值粒径在0.008～0.015 mm之间[7，10]，此类淤积物未密实前具有明显的流动性，是影响库区淤积形态的重要因素之一。因此，对于小浪底水库淤积形态的准确模拟而言，一方面要考虑传统的水沙输移过程，另一方面还要模拟分析已落淤的细颗粒淤积物自身的流动过程[10]。本研究所采用的小浪底水库数值模型，模拟黄河干流河道长约123 km，即上游HH56断面到小浪底水库大坝。模型基于传统泥沙输移的三维动力学模型以及细颗粒淤积物运动模式，可较好地模拟水库细颗粒泥沙淤积形态，通过2010年淤积形态冲淤变化的验证表明，实测结果与计算结果吻合较好，可用于模拟淤积形态对水沙调控的响应过程，模型情况详见文献[10]。

2 水沙调控对小浪底水库淤积形态的影响

本研究所指的水库淤积形态为纵向淤积形态，即水库沿纵向淤积的剖面形态。水库的淤积形态外形比较复杂，其中三角洲淤积形态和锥体淤积形态是较为常见的两种类型。水库泥沙淤积形态与水沙调控方式（运行方式）密切相关，为此，本节采用数学模型计算的研究方法，分析三角洲淤积形态和锥体淤积形态对泥沙动态调控的响应。

小浪底水库实测淤积形态为三角洲淤积形态，锥体淤积形态设置则以实际水库泥沙淤积量为基础，在同等淤积量且库尾比降与三角洲淤积形态相当的前提下概化出锥体淤积形态。

2.1 计算水沙条件

不同水沙调控方式对水库淤积形态的影响有所不同。结合2010年和2013年汛期小浪底水库水沙调控过程，计算和分析淤积形态对水沙调控的响应。2010年汛期入库平均流量为1 127 m3/s、入库平均含沙量为29.27 kg/m3，2013年汛期入库平均流量为1 640 m3/s、入库平均含沙量为22.65 kg/m3，对应两个年度的汛期坝前水位调控过程如图2所示。

2.2 三角洲淤积形态响应分析

2010年水库调度运行方式的三角洲淤积形态变化如图3所示，由图3可见，水库的调度运行使三角洲淤积形态及其顶点位置发生变化。汛前（4月），三角洲顶点位置在距坝约24 km处，高程约为219.6 m。汛期水库坝前水位降低运行（最低水位约211.6 m），三角洲洲面出现较明显的冲刷，坝前段与前坡段则出现明显的淤积。汛后（10月），三角洲顶点向下游推进到距坝约19.6 km的位置，三角洲顶点高程较汛前高程降低约4.0 m，为215.6 m。

2013年水库调度运行方式的三角洲淤积形态变化如图4所示，由图4可见，随着水库的调度运行，三角洲淤积形态及其顶点位置发生变化。汛前（4月），三角洲顶点位置在距坝约14 km处，高程约为210.0 m。汛期水库坝前水位降低运行（最低水位约212.8 m），水库上游河段产生冲刷，下游河段产生淤积。汛后（10月），三角洲顶点位置没有发生明显变化，仍在距坝14 km处附近，三角洲顶点高程约为214.0 m，较汛前高程淤高约4.0 m。

水沙调度过程分析表明：小浪底水库三角洲淤积形态在汛期水沙调控阶段存在周期性的冲淤过程。水沙调控初始阶段，坝前水位降低，库区上游河段开始产生冲刷，下游河段产生淤积。当水位继续下降时，冲刷河段逐渐向下游发展，三角洲前坡段向前淤积推进。三角洲顶点附近顶坡段的冲淤调整和水库运行低水位与三角洲顶点高程之间存在较明显的关联性，当水库低水位低于三角洲顶点高程时三角洲顶坡段出现冲刷（如2010年汛前三角洲顶点高程约为219.6 m，汛期坝前最低水位约为211.6 m），当水库低水位高于三角洲顶点高程时三角洲顶坡段出现淤积（如2013年汛前三角洲顶点高程约为210.0 m，汛期坝前最低水位约为212.8 m）。

此外，从2010年典型断面冲淤变化（见图5）来看，近坝段模拟的断面淤积形态均较为平坦，主要原因是近坝段淤积泥沙颗粒较细，此类淤积物在密实前流动性较强，平衡坡降很小，数值模拟过程中对细颗粒淤积物自身的失稳流动特性进行了考虑，这一模拟结果与实际观测结果基本一致。对于淤积物粒径相对较大的库区上段，数值模拟过程中不考虑淤积物自身的流动特性，断面坡度则略大（如断面HH44），实际情况与此基本一致。

除了上述传统水沙调控外，泥沙动态调控还包括人工扰动和辅助清淤等相关措施。本节计算对人工清淤因素进行了考虑，清淤部位不同，对淤积形态的影响也不同，本次计算方案假定在水库三角洲顶点对应位置进行汛前集中清淤，清淤范围为三角洲顶点及上游2 km的范围，清淤厚度为2 m，宽度平均约1.5 km，清淤泥沙约600万m3。

各工况计算结果基本类似，以2010年三角洲淤积形态为例，分析其淤积形态对泥沙动态调控的响应，模拟结果如图6所示。由图6可见，由于人工清淤量与实际水库淤积量相比占比较小，因此淤积形态总体变化情况与不考虑人工清淤时基本类似，未发生明显变化，仅在清淤疏浚河段及附近有一定变化，具体表现为：从高程看，以清淤段为中心，河床向坝前和库尾方向高程略有降低，但影响范围较小，基本为清淤长度的3倍左右;从局部河床比降变化看，在影响范围内，清淤上段比降略有变陡，下段坡降变缓。

2.3 锥体淤积形态响应分析

锥体淤积形态设置以2010年4月实际水库泥沙淤积量为基础，在同等淤积量且库尾比降与三角洲淤积形态相当的前提下概化出锥体淤积形态，如图7所示。

2010年水库调度运行方式的锥体淤积形态冲淤变化如图8所示。由于锥体淤积形态的水流流速沿程减小较明显，因此库区上段受河道边界影响有冲有淤，总体冲淤变化较小，中下段库区淤积明显，尤其是下段河道较宽处，最大淤积厚度可达10 m，坝前因汛期水位降低运行而略有冲刷。水库排沙比由三角洲淤积形态时的35%左右降低至锥体淤积形态时的27%左右，因此锥体淤积形态的水库淤积总量增加约8%。

本节计算对人工清淤因素进行了考虑，人工清淤方案与三角洲淤积形态时一致，即假定在水库三角洲顶点对应位置进行汛前集中清淤，清淤泥沙同样约为600万m3。锥体淤积形态对泥沙动态调控的响应模拟结果如图9所示。由图9可见，由于人工清淤量与实际水库淤积量相比占比非常小，因此淤积形态总体变化情况与不考虑人工清淤时基本类似，未发生明显变化，僅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定变化，具体表现为：从高程看，以清淤段为中心，河床向坝前和库尾方向高程略有降低，但影响范围较小，基本为清淤长度的3倍左右;从局部河床比降变化看，在影响范围内，清淤上段比降略有变陡，下段坡降变缓。这一变化特征与三角洲淤积形态基本一致。

需要指出的是，本文计算中假定在水库三角洲顶点对应位置进行汛前集中清淤，而水库清淤部位不同，对淤积形态的影响可能也会不同，本文仅对此问题进行了初步探讨，还需结合水库泥沙清淤利用的可能性等，开展进一步研究。此外，笔者仅在2010年、2013年汛期调度条件下进行了研究，水库泥沙运动机理复杂，水库淤积形态对水沙调控的响应规律还有待进一步研究。

3 结 论

采用考虑细颗粒淤积物流动特性的水库淤积形态数值模型，针对三角洲和锥体两种典型淤积形态，开展了小浪底水库淤积形态对水沙调控响应的模拟分析。

（1）三角洲淤积形态及顶点位置随着水库的运行调控而发生变化。随着汛期坝前水位降低运行，库区上游河段开始产生冲刷，下游河段产生淤积;当水位继续下降时，冲刷河段逐渐向下游发展，三角洲前坡段向前淤积推进。三角洲顶点附近顶坡段的冲淤调整和水库运行低水位与三角洲顶点高程之间存在较明显的关联性，当水库低水位低于三角洲顶点高程时三角洲顶坡段出现冲刷，当水库低水位高于三角洲顶点高程时三角洲顶坡段出现淤积。

（2）淤积形态为锥体时，水流流速沿程减小较明显，库区上段受河道边界影响有冲有淤，中下段淤积明显，尤其是下段河道较宽处淤积厚度较大。淤积形态为锥体时淤积量较三角洲淤积形态增加约8%。

（3）考虑人工清淤措施时，由于清淤量与水库淤积总量相比占比非常小，因此淤积形态总体变化情况与不考虑人工清淤时基本类似，仅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定变化，具体表现为：从高程看，以清淤段为中心，河床向坝前和库尾方向高程略有降低，但影响范围较小，基本为清淤长度的3倍左右;从局部河床比降变化看，在影响范围内，清淤上段比降略有变陡，下段坡降变缓。

参考文献：

[1] 韩其为.水库淤积[M].北京：科学出版社，2003：1-30.

[2] 韩其为，杨小庆.我国水库泥沙淤积研究综述[J].中国水利水电科学研究院学报，2003，1（3）：5-14.

[3] 李书霞，夏军强，张俊华，等.水库浑水异重流潜入点判别条件[J].水科学进展，2012，23（3）：363-368.

[4] 李涛，张俊华，夏军强，等.小浪底水库溯源冲刷效率评估试验[J].水科学进展，2016，27（5）：716-725.

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[6] 张帅，夏军强，李涛.小浪底水库汛期排沙比研究[J].人民黄河，2018，40（1）：7-11.

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[8] 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.

[9] 张俊华，马怀宝，夏军强，等.小浪底水库异重流高效输沙理论与调控[J].水利学报，2018，49（1）：62-71.

[10] 假冬冬，王远见，江恩惠，等.小浪底水库淤积形态数值模拟[J].水科学进展，2020，31（2）：240-248.

【责任编辑 张 帅】