西霞院水库排沙控制水位优化研究

关键词：排沙控制水位；工程安全；累计淤积量；淤积形态；西霞院水库

0引言

西霞院水库是小浪底水库的反调节水库，由于库区水面宽、水深浅，因此具有滩地易淤积、库容淤损快的特点，若运用不当将影响其效益发挥。为了控制泥沙淤积速度、长期保持水库有效库容，在小浪底水库排沙时，西霞院水库一般维持较低的排沙控制水位。2018-2020年黄河遇连续丰水年，西霞院水库长时间“低水位、高含沙”敞泄排沙运用后，枢纽泄流排沙建筑物出现了挡墙损毁、铺盖掏空、干砌石冲垮等不同程度的冲刷破坏现象，对工程安全造成了一定程度的影响。

汛期合理的排沙控制水位是长期保持水库有效库容、充分发挥水库效益、确保工程安全运行的前提。在小浪底、西霞院水库联合调度方面相关学者开展了一些研究，但针对汛期排沙控制水位的研究较少。基于此，笔者根据西霞院水库工程特性以及实际调度经验，研究排沙控制水位对水库排沙效率的影响，结合设计水沙系列，计算分析不同排沙控制水位方案的泥沙冲淤变化，提出水库排沙控制水位优化方案，以期为水库排沙调度提供技术支撑。

1水库概况、方法及数据

1.1水库概况

西霞院水库位于黄河干流中游，在河南省洛阳市境内，坝址左、右岸分别为洛阳市的吉利区和孟津区，上距小浪底坝址16km，下距花园口水文站112km。控制流域面积69.46万km2，工程主要任务是以对小浪底水电站日内调峰发电下泄流量过程进行反调节为主，结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用。水库正常蓄水位134.0m，汛期限制水位131.0m，设计洪水位（100a一遇）132.56m，校核洪水位（5000a一遇）134.75m。正常蓄水位以下原始库容为1.45亿m3，设计淤积平衡库容为0.45亿m3。

1.2研究方法

采用一维恒定流悬移质不平衡输沙数学模型计算水库泥沙冲淤量，基本方程包括水流连续方程、水流运动方程、泥沙连续方程（或称为悬移质扩散方程）以及河床变形方程。该模型由黄河勘测规划设计研究院有限公司研发，在黄河流域得到广泛应用，被黄河水利委员会评定为应用级模型。

水流挟沙力计算采用张红武公式，该公式对高含沙洪水适应性较好，在黄河上应用广泛，计算公式如下：

1.3研究数据

黄河中游潼关水文站的水沙过程经三门峡和小浪底水库调节后，进入西霞院水库。其中三门峡水文站为三门峡水库的出库站，小浪底水文站为小浪底水库的出库站和西霞院水库的入库站，西霞院水文站为西霞院水库的出库站。以上各水文站均观测有流量、输沙率、含沙量、水位等资料，观测资料每年经黄河水利委员会水文局整编。此外，每年还会对西霞院库区进行大断面测量，断面平均间距为0.6km。

受气候变化和人类活动影响，近30a来黄河水沙量明显减少．1990年7月-2020年6月潼关站实测多年平均水沙量分别为245.54亿m3、4.22亿t，较1960年7月-1990年6月分别减少了37.8%、64.1%。目前对未来黄河年输沙量的预测结果一般为3亿～8亿t，具体数字尚有分歧。考虑近期黄河水沙变化情况，结合研究需要，笔者选取1991-2000年和2001-2010年潼关站实测水沙系列（简称1991系列和2001系列）作为设计水沙条件，其中1991系列潼关站实测年均水量、沙量分别为264.28亿m3、7.14亿t，2001系列潼关站实测年均水量、沙量分别为220.13亿m3、2.98亿t。

潼关站水沙过程经三门峡、小浪底水库调节后，得到进入西霞院水库的水沙过程。其中，三门峡水库汛期库水位不超305.0m，洪水期入库流量大于1500m3/S时敞泄排沙运用，非汛期最高运行水位不超过318.0m;小浪底水库运用方式采用《小浪底水库拦沙期防洪减淤运用方式研究》的成果。经计算，1991系列、2001系列进入西霞院水库即小浪底水文站的年均沙量分别为4.66亿t和1.37亿t。潼关、三门峡、小浪底水文站的水沙特征值见表1。

2结果与分析

2.1实测资料分析

根据收集到的2011-2022年西霞院水库人出库水沙及库水位资料，对比分析了不同排沙控制水位（128.5m以下、128.5～130.0m、130.0～131.0m、131.0～134.0m）对水库排沙比及冲淤量的影响，结果见图1～图2。

由分析结果可知：1）水库排沙控制水位131.0m以下时排沙比大多在60%以上，不同排沙控制水位之间相差不大，仅个别年份如2012年、2013年水库来沙量少，都仅为0.03亿t，水库排沙比较低，分别为34%、39%，相应的水库淤积量都仅为0.02亿t;2）水库排沙控制水位在131.0m以上时排沙比较小，基本在50%以下，相应水库淤积量也大，如2022年水库淤积量为1.70／亿t。

进一步分析了2019-2022年小浪底水库排沙期间，西霞院水库不同排沙控制水位对水库排沙比以及冲淤量的影响，结果见表2。2019年以来，小浪底水库排沙期间，西霞院水库平均排沙控制水位为130.06～131.50m，排沙比为75.9%～106.9%。整体上，随着排沙控制水位的降低，水库排沙比有所增大。

2.2数学模型计算

2.2.1计算方案设置

采用西霞院水库2023年汛前实测地形作为初始地形边界。截至2023年4月，水库正常蓄水位以下库容为0.75亿m3，水库累计淤积泥沙0.70亿m3。根据西霞院水库工程特性、运用条件以及水库排沙规律，拟定128.5、130.0、131.0 m共3个水库排沙控制水位方案，其中128.5m为最低发电水位、131.0m为汛限水位、130.0m为中间值（按照调度规则，汛期库水位不得超过汛限水位，因此最高排沙控制水位设置为131.0m）。汛期7-10月，当入库流量大于汛限水位131.0m相应的泄流能力时，水库敞泄滞洪运用，洪峰流量过后，库水位逐渐降到汛限水位以下；调水调沙时段，当入库流量大于2600m3/s或入库含沙量大于1kg/m3时，水库维持排沙控制水位运用；非调水调沙时段，库水位不超过汛限水位131.0m运行。汛期水库运用方式见表3。非汛期11月一次年6月，库水位不超过正常蓄水位134.0m。

2.2.2水库淤积量变化

利用数学模型计算得到的1991系列和2001系列西霞院水库累计淤积量变化过程见图3和图40从图3和图4可知，水库排沙控制水位越高，累计淤积量越大，但各方案间整体差别不大。1991系列排沙控制水位131.0、130.0、128.5m方案，西霞院水库分别于2029年、2029年、2030年进入正常运用期。进入正常运用期后，各方案有冲有淤，均可保持有效库容，计算期末（2033年）131.0m方案较130.0m方案、128.5m方案多淤0.02亿m3，相当于累计淤积量增加2070。2001系列来沙量较少，未来10 a水库仍处于拦沙期，计算期末（2033年）131.0m方案较130.0m方案、128.5m方案分别多淤0.04亿m3和0.09亿m3，相当于累计淤积量增加7%和13%。总体来看，1991系列和2001系列各方案水库淤积速度相差不大，且进入正常运用期后均可保持有效库容。因此，从避免排沙期间水位过低导致泄洪排沙建筑物被冲刷破坏的角度出发，推荐排沙控制水位为131.0m。

2.2.3水库淤积形态变化

利用数学模型计算得到的1991系列和2001系列计算期末（2033年）西霞院水库淤积形态（深泓线）如图5和图6所示。排沙控制水位越高，库区断面最低河底高程越高，但各方案整体差别不大。1991系列131.0m方案较130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2、0.5m; 2001系列131.0m方案较130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2、0.3m。总体来看，各方案水库淤积形态均在设计淤积平衡形态之下，不会影响水库正常运行。因此，推荐排沙控制水位为131.0m。

3结论

1）实UJql5waBCFxnek4fPQsiELuNz6SpKUkdPViMdhmJtxI=测资料分析表明，西霞院水库排沙控制水位在131.0m以下时排沙比较大，不同年份基本在60%以上，且水库淤积量小：水库排沙控制水位在131.0m以上时排沙比较小，不同年份基本在50%以下，相应水库淤积量较大。

2）水库排沙控制水位越高，水库累计淤积量越大，但排沙控制水位131.0m方案较130.0m方案、128.5m方案，水库淤积量增加有限。对于设计的1991系列和2001系列，计算期末（2033年）131.0m方案较130.0m方案、128.5m方案累计淤积量仅增大2%～13%。

3）水库排沙控制水位越高，库区断面最低河底高程越高，但各方案整体差别不大。对于设计的1991系列和2001系列，计算期末（2033年）131.0m方案较130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2～0.5m，均在设计淤积平衡形态以下。从工程安全的角度出发，推荐西霞院水库排沙控制水位为131.0m。