小浪底水库2018—2020年排沙运用效果研究

王 婷，马怀宝，王远见，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）

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［1－2］，水库运用以来，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］。水库拦沙初期排沙较少，2007年小浪底水库运用进入拦沙后期第一阶段，至2017年，洪水期虽然开展排沙运用，受来水来沙及水库调度影响，水库仍以拦沙运用为主，进入回水区的含沙水流以异重流形式向坝前运行，库区基本以平行抬升淤积为主，未形成明显滩槽，或在部分库段短暂出现较小滩槽。2018—2020年为丰水年份，小浪底水库进行了长历时低水位排沙运用，3 a累计排沙13.372亿t，库区塑造出较大滩槽。基于实测资料，笔者重点分析了2018—2020年洪水期小浪底水库低水位排沙运用过程及其效果，以及对后续水库调度的影响。

1 2018—2020年水库排沙调度过程［6］

1.1 2018年

为迎接黄河2018年第1号洪水，7月3日小浪底水库在洪水来临前加大下泄流量，实施降低水位排沙运用（见图 1）。7月4日，小浪底库水位降至223.81 m，三门峡水库敞泄运用，汛期洪水开始入库。7月5日入库洪水含沙量152 kg／m3，为汛期最大入库含沙量。小浪底水库继续加大下泄流量，7月13日库水位降至212.44 m，为汛期最低运用水位，出库含沙量为169 kg／m3。7月14日出库含沙量289 kg／m3，为汛期出库含沙量最大值。为了减小洪峰增值对下游造成的不利影响，7月14日小浪底水库开始压减出库流量，7月15日入库流量达到3 920 m3／s，为汛期入库流量最大值，库水位迅速抬升，7月17日库水位抬升至222.97 m，出库含沙量降至41.8 kg／m3。之后，水库加大下泄流量，库水位持续下降，至7月25日库水位降至213.84 m。之后，入库洪水流量减小，水库蓄水。

图1 2018年6—10月小浪底水库进出库日均流量、含沙量及水位过程

1.2 2019年

2019年6 月下旬至8月11日，受中上游几次降雨过程影响，小浪底水库先后开展了汛前腾库迎洪运用及汛期首次、汛期二次低水位排沙运用3个阶段（见图 2）。

图2 2019年6—10月小浪底水库进出库日均流量、含沙量及水位过程

汛前腾库迎洪运用（6月21日—7月6日）：小浪底水库从6月21日开始加大下泄流量，进行汛前腾库迎洪运用，出库流量基本在3 200 m3／s以上，最大4 670 m3／s，库水位从249.78 m降至229.83 m。

汛期首次低水位排沙运用（7月7日—8月5日）：7月7日开始，库水位降至228.3 m以下，小浪底水库开始汛期首次低水位排沙运用；7月14日库水位降至215.39 m，出库含沙量为140 kg／m3，7月15日出库含沙量达到213 kg／m3；后续根据进出库过程进行适时调整，至7月24日库水位降至210.1 m，出库含沙量为40.58 kg／m3，水库维持低水位排沙运用至8月1日之后开始蓄水，8月5日洪水排沙调度结束。

汛期二次低水位排沙运用（8月6日—8月11日）：8月6日随着洪水再次入库，小浪底水库再次加大下泄流量，开始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，随入库洪水流量减小，水库蓄水，8月11日出库流量降至800 m3／s，洪水排沙调度结束。

1.3 2020年

2020年6月24 至8月6日，受中上游降雨过程影响，小浪底水库经历了防洪实战演练、小浪底降低库水位排沙、小浪底库水位210 m以下排沙和三门峡水库敞泄3个运用过程，水库排沙主要集中在后面两个过程（见图 3）。

图3 2020年6—10月小浪底进出库日均流量、含沙量及水位过程

防洪实战演练运用（6月24日—7月3日）：小浪底水库从6月24日开始加大下泄流量，出库流量基本维持在4 200 m3／s以上，最大5 160 m3／s，库水位从248.48 m降至227.40 m。

小浪底降低库水位排沙运用（7月4日—20日）：7月4日开始，小浪底水库开始排沙，库水位持续下降。7月7日出库流量3 010 m3／s，库水位降至217.15 m，出库含沙量为200 kg／m3，为本年度最大日均出库含沙量。之后出库流量持续减小，含沙量逐渐降低，至7月20日23时，库水位降至209.82 m，出库含沙量11.0 kg／m3。

小浪底库水位210 m以下排沙和三门峡水库敞泄运用（7月21日—8月6日）：小浪底水库7月21日开始维持库水位210 m以下运用，三门峡水库7月23日8时开始加大泄量，17时水库开始敞泄运用，24日三门峡出库含沙量147 kg／m3，为本年度最大日均出库含沙量，小浪底水库同日出库含沙量为158 kg／m3。三门峡水库敞泄运用至8月1日，小浪底水库8月6日以后开始蓄水。

2 2018—2020年水库排沙分析

2018年小浪底进出库沙量分别为4.891亿、4.636亿t（见表 1），主要排沙时段集中在前汛期7月4—28日，出库沙量4.124亿t，占年出库沙量的89.0%。2019年小浪底进出库沙量分别为2.797亿、5.451亿t，主要排沙时段集中在前汛期7月7日—8月11日，出库沙量5.334亿t，占年出库沙量的97.9%。2020年小浪底进出库沙量分别为3.443亿、3.285亿t，主要排沙时段集中在前汛期7月4日—8月6日，出库沙量2.814亿t，占年出库沙量的85.7%。

表1 2018—2020年小浪底水库不同时段进出库沙量统计

2018—2020年3 a累计进出库沙量分别为11.132亿、13.372亿t，库区冲刷2.240亿t，水库排沙比为120.1%。其中，前汛期主要排沙时段累计95 d，进出库沙量分别为4.164亿、12.272亿t，分别占3 a相应沙量的37.4%、91.8%，分别占水库运用以来相应沙量的6.8%、51.7%，库区冲刷8.108亿t，排沙比为294.7%。

3 2018—2020年库区淤积形态调整

3.1 纵剖面变化

2018年7月4日至7月28日水库开展低水位排沙运用，期间库区发生强烈冲刷（见图 4）。库区部分测量断面表明低水位排沙运用时库区深泓点纵剖面大幅度下降，塑造出较深的河槽。之后水库蓄水，水位抬升，高水位运用时入库洪水所挟带大量泥沙在向坝前运行的过程中沿河槽不断落淤，使得前期塑造的河槽不断回淤，深泓点高程不断抬升。2019年、2020年低水位排沙运用使得库区干流深泓点纵剖面进一步冲刷下降。

图4 2018年汛前至2020年汛后小浪底水库深泓点纵剖面对比

总体来说，2020年汛后与2018年汛前相比，HH08—HH51库段（距坝10.32～101.61 km）明显冲刷，平均冲刷深度为9.07 m，最大冲刷深度为32.70 m（HH39，距坝67.99 km）。HH51断面以上的库尾段变化不大，HH10断面以下库段发生淤积，平均淤积厚度为3.74 m。由于坝前淤积，因此三角洲顶点由2018年汛前的HH11断面（距坝16.39 km）下移至HH04断面（距坝4.55 km），向坝前推进了11.84 km，顶点高程由222.36 m降低至203.47 m，降低了18.89 m。

3.2 横断面变化

2018年7月4日至28日水库低水位排沙运用期间，库区发生强烈冲刷，塑造出较大的河槽；之后库水位回升，洪水入库时运用水位较高，含沙水流沿程输移的过程中不断淤积，使得前期塑造的河槽过流能力逐渐减弱，当河槽过流能力不足以满足入库水流输移要求时，含沙水流上滩，滩地发生淤积抬升。2019年洪水期长历时低水位排沙运用，库区再次发生剧烈冲刷，河槽在2018年降水冲刷运用形成的河槽基础上进一步刷深，部分断面伴有河槽展宽现象，滩槽高差进一步增大，河槽过流能力进一步增强；后期高水位运用期间库区滩面虽有抬升，但整体变化不大。2020年的长历时低水位排沙运用，使库区滩槽高差进一步增大，河槽过流能力又得到增强；后期高水位运用期间泥沙主要沿河槽运行，淤积以河槽回淤为主，库区滩面整体变化不大。

2018—2020年小浪底水库排沙运用期间，库区干流滩槽冲淤受边界条件、水库运用及入库水沙条件影响，各库段表现不尽相同（见图 5）。

图5 2018—2020年小浪底库区横断面对比

库区坝前HH06断面以下库段滩槽均发生淤积，滩槽高差大幅度增大，如HH03；HH04—HH38库段（除八里胡同所在的HH16—HH18库段外）河槽在展宽刷深的同时，滩地淤积，如HH13、HH23和HH31；八里胡同以及HH38以上库段以河槽冲刷为主，如HH18和HH48。

经过2018—2020年3个汛期洪水期低水位运用，库区产生强烈冲刷，塑造出较大的河槽。库区除八里胡同及HH37断面以上库段受山体约束河槽展宽相对较小外，其他库段河槽均不断扩展，2020年汛后最大河槽宽度约930 m（HH9J 5）（见图 6）。

图6 2018年汛前至2020年汛后小浪底库区河槽宽度沿程变化对比

4 2018—2020年库区滩槽冲淤调整及槽库容

随着库区河槽的不断扩大，冲淤调整逐渐以河槽为主，滩面淤积量逐年减少。根据小浪底水库运用以来历年断面套绘及河势变化，对2018—2020年小浪底库区各断面进行了滩槽划分，计算出2018—2020年不同时段滩槽冲淤量沿程分布，见图7。

图7 2018—2020年不同时段小浪底库区干流滩槽冲淤量沿程分布

2018年汛期库区干流淤积泥沙0.583亿m3，其中河槽发生少量淤积，淤积量为0.001亿m3，滩地淤积0.582亿m3，主要集中在HH11以下库段。2019年汛期库区干流冲刷1.743亿m3，其中河槽发生剧烈冲刷，冲刷量为2.120亿m3，滩地淤积泥沙0.377亿m3，主要集中在HH14以下库段。2020年汛期库区干流冲刷0.610亿m3，其中河槽发生冲刷，冲刷量为0.703亿m3，滩地淤积泥沙0.093亿m3，主要集中在HH16以下和HH20—HH34库段。

考虑到非汛期密实等原因，2018年4月—2020年10月库区干流河槽共冲刷2.823亿m3，其中HH06以上库段河槽发生强烈冲刷，冲刷量为3.017亿m3，HH06以下库段河槽发生少量淤积，淤积量为0.194亿m3。库区干流滩地除小部分因滑塌等原因产生少量冲刷外（如HH13断面附近），其他均发生淤积，滩地共淤积泥沙0.868亿m3。

随着河槽的不断扩大，滩面淤积厚度逐年减小，受入库水沙和水库调度影响，不同库段抬升幅度不同，见图8。2018—2020年3 a累计滩面平均抬升3.0 m。其中：2018年抬升最大，平均为1.41 m，库区下段HH01—HH20库段滩面平均抬升1.16 m，库区中段HH20—HH38库段滩面平均抬升1.71 m；2019年平均抬升1.24 m，主要集中在库区下段HH01—HH20库段；2020年抬升最小，平均为0.34 m。

图8 2018—2020年汛期小浪底库区干流滩面抬升对比

受2018—2020年汛期排沙影响，2020年汛后库区HH38以下库段总体呈现明显滩槽，HH38以上库段为窄深型峡谷型河道，滩地较少，大流量时基本为全断面过流。根据库区地形，计算得到了库区槽库容沿程分布，见图9。可以得到，2020年汛后库区槽库容为5.212亿m3，其中大坝—HH20库段槽库容为1.705亿m3、HH20—HH38库段为1.677亿m3、HH38以上库段为1.830亿m3。

图9 2020年10月小浪底库区累计槽库容沿程变化

5 较大河槽对后续排沙的影响

2021年小浪底进出库沙量分别为2.640亿、0.785亿t，见表2。排沙主要集中在汛前调水调沙排沙期的初期（7月3—5日）。7月6日起小浪底库区开始呈现明显淤积，至10月31日，小浪底进出库沙量分别为2.611亿、0.273亿t，库区淤积2.338亿t。

表2 2021年小浪底水库汛期洪水调度排沙成果

由于2018—2020年3个汛期洪水期低水位运用，因此库区塑造出较大的河槽。较大的河槽意味着较大的过流能力，含沙水流漫滩机会及漫滩量减少，滩地淤积量也相应减少。根据小浪底库区2021年汛期断面资料计算出滩槽冲刷量，见图10。可以得到：2021年汛期泥沙主要淤积在河槽，淤积量为1.281亿m3；滩地，尤其是库区中下段较宽的滩地，因淤积物密实沉降等原因淤积面下降，冲刷0.022亿m3。河槽淤积主要集中在HH21以下和HH37以上库段，淤积量分别为0.561亿、0.922亿m3，河槽平均淤积厚度分别为1.57、5.04 m。

图10 2021年汛期小浪底库区滩槽冲淤量沿程分布

6 结 语

（1）2018—2020年为黄河丰水年份，小浪底水库前汛期、洪水期开展了较长时间低水位排沙运用，取得了较好的排沙效果。3 a汛期低水位排沙运用历时95 d，进出库沙量分别为4.164亿、12.272亿t，分别占3 a相应沙量的37.4%、91.8%，分别占水库运用以来相应沙量的6.8%、51.7%。

（2）3 a汛期低水位排沙运用，库区干流淤积形态调整剧烈。干流深泓点纵剖面大部分发生强烈冲刷，其中HH08—HH51库段深泓点降低9.07 m，最大降幅为32.70 m。全库区干流大部分库段呈现明显滩槽，其中：库区坝前HH06以下库段滩槽均发生淤积，滩槽高差大幅度增大；HH04—HH38库段（除八里胡同外）河槽展宽刷深，同时滩地淤积；八里胡同以及HH38以上库段以河槽冲刷为主。2018年4月—2020年10月库区干流河槽共冲刷2.823亿m3，库区干流滩地共淤积泥沙0.868亿m3。

（3）3 a汛期低水位排沙运用，库区塑造出较大的河槽。2020年汛后全库区呈现较大河槽，最大河槽宽度约930 m，2020年汛后库区干流槽库容为5.212亿m3。较大的河槽意味着较强的过流能力，含沙水流漫滩机会及漫滩量减少，滩地淤积量也相应减少。2021年汛期泥沙主要淤积在河槽，淤积量为1.281亿m3；滩地，尤其是库区中下段较宽的滩地，因淤积物密实沉降等原因淤积面下降，冲刷0.022亿m3。

（4）近几年调度实践表明，洪水期水库低水位运用时，库区塑造出较大河槽，较大的河槽在洪水期更有利于入库含沙水流的高效输移；高水位运用时，河槽淤积大幅度抬升，库区冲淤调整主要发生在河槽。随着河槽增大，滩地淤积逐年减少。因此，建议洪水期继续开展低水位排沙运用，长期保持库区较大河槽，有利于水库排沙，同时减缓滩面抬升速度。