小浪底水库异重流排沙效率分析

2022-06-06万柳明张东锋徐梓斐刘勇进

中国资源综合利用 2022年5期

万柳明，张东锋，徐梓斐，刘勇进

（黄河水利职业技术学院，河南开封 475000）

1999年10月，小浪底水库开始蓄水，水库初期蓄水阶段基本可以拦截三门峡水库出库的全部泥沙，小浪底水库主要利用异重流排沙。合理利用在水库底部运动的异重流可以把泥沙排走，减少水库淤积，这是水库减淤的重要途径。黄河含沙量大，在库底纵比降较大的情况下，就容易产生异重流，并且形成的异重流有足够的能量运行到坝前，只要进行合理调度，异重流排沙就可以取得明显效果。小浪底水库的多次调水调沙都产生了异重流，2004—2010年小浪底水库平均排沙比为42.1%，2013年水库排沙比达到169.7%，但2014年小浪底水库保持高水位，产生的异重流运行时间较短，开始时间为7月5日10:00，7月9日00:00 结束，排沙比为36%，低于往年的平均排沙比。

1 小浪底水库进出库水沙情况

1.1 小浪底水库入库水沙过程

2014年7月5日00:00，三门峡水库开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。此后持续按5 000 m/s下泄至7月6日06:00，此阶段最大流量为5 430 m/s（5日22:06）。7月6日12:00 以后，三门峡水库下泄流量减少到小于2 000 m/s，直至水库泄空。7月6日00:00 开始，拉沙下泄产生异重流，最大含沙量为340 kg/m（6日12:00）。

从小浪底水库出库日平均流量来看，7月5日为1 800 m/s，7月6日为2 580 m/s，7月7日为2 450 m/s，7月8日为2 140 m/s，7月9日为1 060 m/s。7月5日15:20，小浪底水库排沙出库，7月5日15:48，其含沙量为1.52 kg/m，此时含沙量较小，随着大流量下泄形成的异重流排沙出库，5日16:36，含沙量为11.2 kg/m，5日18:00 为37.8 kg/m，7月6日02:00 为43.0 kg/m，7月6日05:00 达到最大，为58.8 kg/m。而后，随着三门峡水库排沙，小浪底水库出库含沙量为30 ～40 kg/m。7月8日以后，出库含沙量开始减小。7月9日00:00，排沙洞关闭。

1.2 小浪底水库出库水沙过程

根据水沙调度方案，小浪底水库出库日平均流量为2 010 m/s，最大出库流量为3 500 m/s（7月5日06:24）。5日异重流到达坝前后，排沙洞随即打开，异重流开始排沙出库，最大含沙量出现在7月6日05:00，为58.8 kg/m。7月9日08:48，小浪底水库出库流量为1 120 m/s，含沙量已降至1.61 kg/m，异重流排沙结束。在整个调水调沙过程中，各水文站特征值如表1 所示。

表1 小浪底水库调水调沙期间的进出库水沙情况

2 水库运行情况

2.1 异重流测验断面布设

下面根据《2014年汛前黄河调水调沙预案》的目标和要求，分析库区淤积形态和调水调沙库水位变化情况。小浪底水库潜入点靠近大坝，测验断面变少。2014年，小浪底库区布设了2 个异重流基本测验断面和2 个异重流辅助测验断面。基本测验断面为桐树岭断面与HH04 断面，辅助测验断面为HH06 断面与潜入点断面，距坝里程如表2 所示。潜入区域实测的断面根据潜入点和水位变化情况上移或者下移。

表2 2014年异重流测验断面布设情况

2.2 异重流测验情况

调水调沙期间，小浪底水库人工塑造异重流的过程可分为两个阶段。第一个阶段是三门峡水库开闸泄水，下泄水流对下游河道产生冲刷，使水流的含沙量迅速增加，其进入水库回水末端，形成异重流。第二阶段为三门峡水库开始拉沙下泄，产生异重流，因为下泄水流含沙量较大，本阶段异重流使第一阶段形成的异重流得到持续。经监测，小浪底水库人工塑造的异重流已潜入，潜入后迅速增大增强，潜入点往下迁移，三门峡水库大流量下泄水流产生的异重流快速向下游推进，能量迅速增强。随着异重流峰头的推进，其运行至坝前并出库。

水库异重流按其在水库中的不同演进部位可划分为潜入点区、库内演进区与坝前区三部分。含沙水流进入水库后，异重流开始从潜入点形成，在潜入点附近，入库水流由普通的含沙明渠水流转化为异重流。对异重流潜入点位置进行查勘确定和对影响潜入点位置变化的要素进行分析是研究异重流规律的一项重要任务。

2.3 异重流潜入点测验

7月5日10:30，在HH09 断面上游400 m 处首次监测到异重流潜入点，最大测点流速达到0.44 m/s，最大含沙量为74.7 kg/m；7月5日14:30，HH01 断面监测到异重流，最大测点流速达到0.68 m/s，最大含沙量为380 kg/m，表明三门峡水库下泄的小流量异重流排沙出库。7月5日17:00，HH09 断面下游305 m 处监测到异重流潜入点，潜入点处水深为6.1 m，浑水厚度为4.69 m，最大测点流速为1.53 m/s，异重流层平均含沙量达到43.0 kg/m，浑水的流速与厚度明显增大，可认为异重流在小浪底水库形成，其潜入点的位置随着流量的增大逐渐向下移动。

7月6日07:10，HH06 断面上游1 126 m 处监测到异重流潜入点，潜入点处水深为10.5 m，浑水厚度为6.3 m，最大测点流速为1.07 m/s，异重流层平均含沙量达到21.3 kg/m，浑水厚度增大，异重流潜入点位置继续下移。

7月7日07:15，HH07 断面上游580 m 处监测到异重流潜入点，潜入点处水深为11.5 m，浑水厚度为5.3 m，最大测点流速为0.48 m/s，异重流层平均含沙量达到4.99 kg/m，三门峡水库排沙对小浪底水库异重流形成持续作用，但是，随着三门峡水库下泄流量减小，异重流流速也相对减小，异重流强度减弱，潜入点向上游迁移。

7月8日07:12，HH7+3 断面上游处监测到异重流潜入点，潜入点处水深为9.1 m，浑水厚度为1.01 m，最大测点流速为0.50 m/s，异重流层平均含沙量达到4.84 kg/m，上游三门峡水库下泄流量与含沙量都减小，小浪底水库异重流厚度明显减小，异重流减弱直至消失。

3 异重流排沙效果分析

3.1 各断面的含沙量变化

从图1 可以看出，各测验断面最大平均含沙量多出现在7月6日，主要原因是三门峡水库下泄高能量水流冲刷小浪底水库库尾，前期库尾自然河道部分处于相对干涸的状态，水流下泄所受阻力较小，保持大量水能，所以携沙能力强，使得上游各断面平均含沙量较大。但随着异重流继续向坝前运动，沿途受到的阻力不断增加，使异重流平均含沙量减小。之后，随着水库库尾水位的上涨，三门峡水库下泄水流速度降低，能量逐渐减小，携沙能力也相对减小，加上前期河道已经被冲刷过，各异重流测验断面平均含沙量减小，直到三门峡水库开始排沙。但是，此时的水库下泄流量减小，维持在2 000 m/s 左右，使得异重流形成一个持续状态，表现为各断面异重流平均含沙量保持相对平衡。

图1 各断面主流线异重流层平均含沙量变化

3.2 异重流平均含沙量的沿程变化

从图2 可以得出，7月5日初期产生的异重流上游各断面含沙量较大，因为三门峡水库下泄水流冲刷小浪底水库的河道泥沙。随着异重流的持续，各断面的异重流平均含沙量保持相对均衡。坝前断面含沙量增加，原因是小浪底水库大流量下泄，异重流运行到大坝前，受大坝阻挡，其在坝前形成拥堵，表现为异重流厚度增大，含沙量也相应增大。

图2 异重流平均含沙量的沿程变化

3.3 异重流在坝前的表现

水库异重流在潜入点形成后，经过在库区内的运行，到达坝前区，之后，异重流断面雍水高度、厚度和含沙量增大，其通过排沙洞排出水库。在整个演进过程中，沿程异重流层与清水层会有部分泥沙的交换，运行到坝前区的异重流对水库排沙有重要意义。HH01 断面在横向上基本等高，异重流厚度横向分布比较均匀。7月5日14:30，异重流在HH01 断面形成，断面异重流厚度为2.15 m，但随着前期的异重流到达峰顶，异重流厚度在断面横向上趋于增强，厚度增加26.1 m，其中最大厚度达到27.9 m。从坝前表现来看，本次异重流断面高程大多介于188 ～214 m。断面壅水高度和厚度增加是异重流在坝前的一个重要特征，这一点可以从历年坝前断面异重流测验成果中看出。由于坝前异重流断面壅水高度和厚度的增加，异重流携带大量泥沙，使得排沙持续时间延长，有利于水库排沙，排沙比显著增加。

4 水库排沙比的影响因素分析

2014年塑造异重流过程中，小浪底水库的排沙比仅为36%，相比2013年的169.7%而言显著减小。经分析，排沙比减小的原因主要有两点。一是2014年由于水沙调度，异重流潜入点距坝较远，多在HH07、HH09 断面附近出现，而2013年潜入点在HH06 断面附近，2014年异重流潜入点距坝里程远大于2013年。随后，异重流往坝前运行，沿途受到水的阻力增大，异重流平均含沙量减小，水库库尾自然河道水位上涨，三门峡水库下泄水流的能量受阻，挟沙能力也相对减小，导致水库异重流排沙比降低。二是与往年相比，2014年调水调沙时间较短，异重流产生时水库水位较高，对水沙的搭配较为不利，到第二阶段三门峡水库下泄流量减小，异重流流速也相对减小，异重流强度减弱，挟沙能力降低，潜入点向上游迁移，异重流层含沙量较小。