小浪底水库高水位异重流出库条件及排沙影响因素分析

王 婷，王远见，闫振峰，任智慧，王子路

（1.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003）

2021年8月下旬至10月月底，黄河流域遭遇罕见的华西秋雨，发生了新中国成立以来极为罕见的秋汛洪水。受持续降雨影响，黄河干流共发生3场编号洪水，支流出现多场洪水过程。潼关站10月7日洪峰流量达8 360 m3／s，为1979年以来最大；支流多站出现建站以来最大流量。黄河水利委员会通过科学部署、精细调度，夺取了2021年秋汛洪水防御工作的全面胜利［1］。小浪底水利枢纽是一座以防洪（防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电的综合性枢纽工程［2－3］，自投入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［4－6］。在本次秋汛洪水过程中，小浪底水库以拦洪削峰运用为主，库水位持续抬升，从8月20日至10月31日，平均运用水位为257.5 m，运用水位在270 m以上的时间达20 d，最高运用水位273.5 m，为水库运用以来最高值。高水位运用期间，库区蓄水量较大，淤积较多，但仍出现排沙现象。8月20日至10月31日，入库沙量2.274亿t，出库沙量0.196亿t。本文主要针对小浪底水库高水位运用期间异重流出库条件及排沙影响因素进行分析，以期为今后的水库调度提供一定的技术支撑。

1 高水位异重流排沙情况

小浪底水库运用以来的实测资料表明，水库排沙主要集中在低水位运用期间。洪水期间，较低的水库运用水位有利于排沙出库，尤其是运用水位在225 m以下（见图1）。水库运用以来，水位225 m以下运用历时占总历时的17.9%，排沙13.163亿t，占水库总排沙量的79.2%。在较高的运用水位条件下，水库蓄水量较大，回水较长，异重流排沙较少。但在一定的条件下，高水位运用期间仍然存在排沙的可能性，例如：小浪底水库水位235 m对应回水长度一般在60 km以上，位于库区峡谷型库段，排沙机会较少。水位235 m以上运用历时占总历时的70.2%，排沙2.178亿t，占水库总排沙量的8.9%。为此，以近期汛限水位235 m作为下限值，对高水位运用条件下小浪底水库异重流排沙情况进行研究。

图1 小浪底水库运用以来各级运用水位出库沙量对比

小浪底水库运用以来，运用水位在235 m以上仍排沙的洪水出现过多场，典型的高水位运用排沙一般出现在8月20日以后，如2021年（见图2）。小浪底水库高水位运用时，蓄水量较大，回水较长，入库水流动力一般以沿程衰减为主，对于上年淤积在库区的泥沙，一般难以发生沿程冲刷。水库排出的泥沙主要为当年入库的泥沙，或者前期洪水滞留在库区的悬沙或疏松凝聚状态的泥沙，出库含沙量一般不大。2021年秋汛洪水小浪底水库排沙5次，最大平均出库含沙量9.5 kg／m3，最高平均库水位271.7 m，见表1。

图2 2021年后汛期小浪底水库进出库水沙过程

表1 2021年秋汛小浪底水库各场次洪水进出库水沙量及排沙比

2 高水位异重流出库条件

异重流形成后，能否持续运动到坝前，还要看它是否满足持续运动的条件，即在一定的水库地形条件下，入库洪水能维持异重流在水库中持续向前运动到达坝址而排出水库所要满足的条件。异重流持续运动条件主要包括上下游边界条件与库区边界条件，即入库流量和洪水持续时间、库底坡降、地形条件、异重流有效重力、闸门调度等。

针对小浪底水库运用以来场次洪水，考虑来水流量、含沙量、悬沙组成、洪水历时、水库调度等主要因素，选取运用水位接近或高于235 m、入库含沙量大于5 kg／m3的场次洪水，分析小浪底水库高水位异重流持续运动条件。图3为基于小浪底水库高水位运用发生异重流时的入库水沙资料点绘的小浪底入库流量与含沙量的关系，从点群分布状况可大致划分A、B、C 3个区域。

图3 高水位运用发生异重流时入库流量与含沙量的关系

A区为满足异重流持续运动至坝前的区域。在该区域，小浪底入库洪水过程需满足历时不小于3 d、细泥沙含量高于40%，同时还要满足下列条件之一：①入库流量Q入≥4 000 m3／s，且入库含沙量S入＞13.0 kg／m3；②1 700 m3／s≤入库流量Q入＜4 000 m3／s，且入库含沙量S入＞86－0.018Q入。相应地，入库流量Q入＝1 700 m3／s时，入库含沙量S入须大于55.0 kg／m3，则出库含沙量S出＞0。

C区为异重流不能排沙的区域。在该区域洪水一般具有如下特征之一：①入库流量Q入＜1 700 m3／s；②入库含沙量S入＜13.0 kg／m3；③1 700 m3／s＜入库流量Q入＜3 500 m3／s时，入库含沙量与流量的关系为S入≤75－0.017Q入。

B区为能排沙出库与不能排沙出库两者的临界区域，可作为判断异重流能否输移到坝前的标准。

就2021年5场秋汛洪水而言，8月23日、9月18日、9月27日以及10月5日左右入库的4场洪水，入库流量较大或者含沙量较高，均在A区，均发生明显的排沙过程。而9月6日左右的洪水，平均入库流量3 006 m3／s、含沙量26.5 kg／m3，运用水位245.8 m，位于B区，出库含沙量过程非常弱，日均出库含沙量为1.35 kg／m3，最大瞬时出库含沙量12.3 kg／m3。

3 高水位异重流排沙影响因素

水库排沙效果与入库水沙过程及水库运用方式等因素关系密切。研究表明［7］，水库壅水排沙期间，进出库流量的比值越小，意味着水库的拦蓄作用越小，水库排沙效果越好，排沙比η越大；或者说越大，意味着水库的拦蓄作用越大，则排沙效果越差，排沙比η越小。蓄水体积与出库流量的比值越小，意味着水库泄空时间越短，则排沙效果越好，排沙比η越大。水库排沙比η与影响因素存在如下关系：

表2统计了小浪底库区地形条件接近的2020年和2021年秋汛洪水期间小浪底水库6场洪水相关参数，图4给出了相应的水库排沙比η与之间的关系。结果表明，2021年秋汛前4场洪水期间，均大于2，说明水库的拦蓄作用较大，排沙比较小，尤其是第2场洪水，达到7.11，水库基本不排沙。而第5场洪水为1，排沙比相对较高，达到19.4%。这6场洪水期间，水库均为高水位运用，均较大，水库排沙比整体较小，均低于20%。

表2 2020年和2021年秋汛小浪底水库6场洪水参数统计

图4 水库排沙比与·关系

除水库运用方式外，入库水流动力过程也是影响水库排沙的重要因素。异重流排沙水流动力主要指流量、含沙量、细颗粒泥沙含量等因素的综合作用，其中入库输沙率能够在一定程度上代表入库水流动力。小浪底水库高水位运用期间异重流能够运行至坝前且产生明显的排沙过程一般需要3 d的入库洪水过程。根据小浪底水库运用以来实测资料，计算水库高水位运用异重流排沙时入库最大连续3 d输沙率，并选取运用水位接近时的水库排沙情况进行对比，见图5（图中标注（x1，x2，x3），x1、x2为进出库流量，x3为库水位）。可以得到，当运用水位接近时，最大连续3 d入库输沙率越大，水流动力越强，排沙效果越好。

图5 最大连续3 d平均入库输沙率与排沙比的关系

4 结 论

基于实测资料，分析了小浪底水库高水位运用条件下异重流出库需要满足的水沙条件，研究了高水位异重流排沙效果影响因素。

（1）小浪底水库高水位（235 m以上）运用期间异重流运行至坝前需满足两个条件：①入库洪水过程不小于3 d、细泥沙含量高于40%；②入库流量Q入≥4 000 m3／s且 入 库 含 沙 量S入＞13.0 kg／m3，或 者1 700 m3／s＜入库流量Q入＜4 000 m3／s且入库含沙量S入＞86－0.018Q入。

（2）水库排沙效果与入库水沙过程及水库运用方式等因素关系密切。水库壅水排沙期间，进出库流量的比值越小，意味着水库的拦蓄作用越小，水库排沙效果越好，排沙比η越大；或者说越大，意味着水库的拦蓄作用越大，则排沙效果越差，排沙比η越小。蓄水体积与出库流量的比值越小，意味着水库泄空时间越短，则排沙效果越好，排沙比η越大。

（3）最大连续3 d入库输沙率越大，水流动力越强，排沙效果越好。