西霞院水库场次洪水排沙规律及影响因素

关键词：水库淤积；水库排沙；排沙比；含沙量；西霞院水库

0引言

水库淤积侵占水库有效库容，降低水库调蓄能力，减少兴利效益，影响水库使用寿命。而水库排沙是解决水库淤积问题、保持水库长期有效库容的重要手段，对水库功能的发挥具有重要的意义。水库排沙比可反映水库排沙能力，是研究水库泥沙淤积的重要指标，研究水库排沙能力对于减缓水库淤积具有重要意义。

水库排沙问题是水库管理部门关心的热点，国内外学者以拦沙率或排沙比表示水库的排沙能力。排沙比是反映水库拦沙程度的重要依据，排沙比越大，水库淤积程度就越低。Xu等认为三峡水库2003-2006年有60%入库泥沙被截留在库区，且主要集中在汛期。Liu等通过研究三峡泥沙淤积特性，得出淤积主要发生在弯道、分支河段和近坝段，关键影响因素是来沙量，并提出拦沙率计算公式。Fu等研究澜沧江干流漫湾水库拦沙率，其结果及方法也可估算中国西南其他水库的拦沙率。张启舜等通过研究国内外水库实测资料，得出排沙比与水库库容、入库流量之间的经验公式。Zheng等提出一种考虑水库蓄水时间的小浪底水库汛期排沙比计算方法。张帅等分析小浪底水库汛期排沙情况，使用洪水滞留系数、进出库平均流量变化系数、进库平均含沙量建立排沙比公式。袁晶等结合实测水文、河道地形资料，对三峡水库运行近20a来的泥沙淤积特性及水库排沙比进行了较为全面的分析研究。张红武等通过对泾河东庄水库排沙试验分析，研究不同水沙条件、河床边界条件及库区蓄水条件下的排沙情况，得出排沙比及排沙量与进出库流量、沙量、含沙量和初始库水位的关系。

水库排沙影响因素较多，研究水库排沙的影响因素有助于提升水库排沙能力。郑珊等通过小浪底水库多年水沙资料分析场次洪水排沙比影响因素，得出场次洪水排沙比受进出库水沙条件、水库运用及库区淤积形态变化的影响。杨源高等分析龚嘴水库排沙影响因素，认为排沙主要受汛期坝前水位及入库流量的控制。陈桂亚等分析三峡水库不同蓄水运用阶段水库排沙效果和影响因素，认为水库排沙比的主要影响因素为库区河道特性、入库水沙条件及坝前水位。高宇等通过分析三峡水库场次洪水排沙规律，得出场次洪水排沙比与坝前水位成反比、与进出库输沙率成正比。黄仁勇等采用逐步回归方法，提出便于实时调度决策的汛期洪水排沙比公式，认为三峡水库汛期调度应主要调节入库流量和坝前水位。王克志等通过对海勃湾水库排沙效果的研究，得出汛期排沙比主要受水沙条件、水库运行方式和地形影响。综上，国内外学者对于水库排沙能力的研究较多，水库排沙能力受多因素影响，主要包括水沙条件、水库运行方式、河道特性等，众多学者从汛期排沙、场次洪水排沙、汛期洪水排沙等诸多方面研究水库排沙规律。目前，西霞院水库呈现持续淤积的趋势，然而，对于西霞院水库排沙能力的研究尚未开展，对其排沙规律的认识有待进一步探讨。

本文选取2011-2022年西霞院水库实测水沙资料，基于对水库历年排沙过程及其规律的分析，通过相关性分析从水沙因子、库区形态因子、调度因子3个方面探讨水库排沙的主要影响因素，并建立排沙的经验公式，提出水库调度的建议，以期为优化西霞院水库排沙期运行方式提供指导。

1西霞院水库概况和水沙资料选取

1.1西霞院水库概况

西霞院水库是小浪底水库的反调节水库，位于小浪底水库坝址下游16km处的黄河干流上，开发任务是对小浪底水电站调峰发电的不稳定流进行再调节，同时结合发电，兼顾灌溉、供水等综合利用。西霞院水库设计总库容为1.62亿m3，其中防洪库容0.62亿m3，有效库容0.45亿m3，校核洪水位为134.75m，正常蓄水位为134.00m，汛期限制水位为131.00m，排沙水位为131.00m，死水位为125.00m，初始正常蓄水位时总库容为1.45亿m3。西霞院水库于2007年5月蓄水，同年6月第一台机组发电，2011年3月竣工验收。西霞院水库进出库站分别为小浪底水文站和西霞院水文站。

1.2水沙资料选取

研究采用小浪底站和西霞院站2011-2022年水沙日均实测数据以及西霞院水库坝前水位数据，数据来源于《黄河流域水文资料》。本文选取西霞院水库降水位排沙过程分析西霞院水库排沙能力。本文中针对西霞院水库降水位排沙过程的选取标准：1）坝前水位降至131.00m以下，具有完整的水位下降和上升过程；2）进出库平均含沙量均大于5kg/m3。选取14场降水位排沙过程，见表1，其中2015-2017年西霞院水库无排沙过程。

所选排沙过程坝前最低水位变化范围为123.49～130.10m，排沙比区间为72.85%～103.23%，入库平均流量区间为328～2945m3/S，入库平均含沙量区间为7.22～53.21kg/m3，出库平均流量区间为297～2997m3/s，出库平均含沙量区间为7.28～44.21kg/m3。2014年之前，西霞院水库坝前最低水位可降至124.00m左右，2015-2017年水库无排沙，而在2018年之后，坝前最低水位在127.00m以上，运用方式由敞泄排沙运用转变为控泄排沙运用。

2水库排沙比与影响因子的关系

2.1水库排沙过程分析

水库排沙效果影响水库淤积，历史水库排沙过程对于水库运行调度具有借鉴意义。通过对水库排沙过程的分析，探讨影响水库排沙的因素，基于2011-2022年西霞院水库排沙过程，分析水库历年排沙特征。本研究根据西霞院水库最低运行水位将运行时段分为两个阶段，第一阶段为2011-2014年，该阶段排沙期间采用敞泄运用：第二阶段为2015-2022年，该阶段排沙期间采用控泄运用。

在第一阶段，西霞院排沙期间采用敞泄运用，最低排沙水位可降至124.00m附近。图1为西霞院水库2011-2014年排沙期水沙及水位变化过程。2011年，自6月20日开始降水位运用，排沙期间水位最低降至123.49m，入库平均流量为2945m3/S，入库平均含沙量为7.22kg/m3，本次排沙过程平均流量大，平均含沙量较低，同时坝前运用水位在124.00m以下，水库排沙比为103.23%，排沙效果较好。2012年，两次降水位排沙，第一次排沙水位最低降至125.00m、排沙比为94.50%，第二次排沙水位最低降至124.24m、排沙比为87.81%，2012年汛期入库沙量为1.33亿t，出库沙量为1.19亿t，排沙比为89.47%，排沙效果较好。2013年，坝前最低水位降至125.00m，入库平均流量为2113m3/S，出库平均流量为1993m3/S，出库平均流量低于入库平均流量，排沙比为75.93%，排沙效果一般。2014年，坝前最低水位降至124.41m，水库排沙比为84.42%，汛期入库沙量为1822.61万t，出库沙量为1538.63万t，进出库沙量均较少，排沙效果较好。

在第二阶段，西霞院排沙期间采用控泄运用，最低排沙水位可降至128m附近。图2为西霞院水库2018-2022年排沙期水沙及水位变化过程。2018年，两次降水位排沙过程，坝前最低水位分别为128.74m和128.10m，排沙比分别为85.61%和87.63%，2018年之后水库坝前最低运用水位在127.00m以上，水库控泄排沙，2018年汛期入库沙量为4.64亿t，出库沙量3.97亿t，汛期排沙比为85.71%．尽管排沙比较高，但入库沙量较多，水库淤积也较多。2019年，两次排沙过程坝前最低水位分别为127.94m和128.83m．排沙比分别为72.85%和103.22%，入库平均含沙量分别为53.21kg/m3和7.62kg/m3，第一次降水位排沙过程平均含沙量远高于第二次排沙过程平均含沙量，2019年汛期入库沙量为5.45亿t，出库沙量为4.04亿t，汛期排沙比为74.17%，由于入库沙量较多，因此排沙效果一般。

2020年，水库降水位排沙过程坝前最低水位为130.10m，入库平均流量为2760m3/S，入库平均含沙量为21.43kg/m3，排沙比为81.69%，坝前最低运用水位在130.00m以上，排沙效果一般。2021年，两次排沙过程坝前最低运用水位分别为130.08m和129.69m，排沙比分别为73.11%和73.62%，入库平均流量分别为938m3/S和328m3/S，入库平均含沙量分别为25.61kg/m3和10.22kg/m3，流量较小，坝前水位及入库含沙量均较高，水库排沙效果不佳；2021年汛期入库沙量为0.785亿t，出库沙量为0.62亿t，汛期水库排沙比为79.46%。2022年，两次排沙过程坝前最低运用水位分别为128.00m和127.24m，排沙比分别为93.26%和92.82%，入库平均流量分别为1508m3/S和834m3/s．入库平均含沙量分别为41.93kg/m3和8.34kg/m3，流量较小，坝前水位及入库含沙量均较高，水库排沙效果不佳：2022年汛期入库沙量为1.89亿t，出库沙量为1.70亿t，汛期排沙比为90.20%．由于2021年水库排沙效果不佳．2022年降低坝前运用水位，因此水库排沙效果较好。

西霞院水库排沙受水库运用、来水来沙条件等多因素影响，2018年之后小浪底水库利用有利的来水条件调水调沙，西霞院水库入库沙量大量增加，2011-2014年汛期入库平均含沙量为7.69kg/m3，2018-2022年汛期入库平均含沙量为17.22kg/m3。其中：第6场排沙过程，入库平均含沙量为52.59kg/m3，最大入库含沙量为289.30kg/m3；第8场排沙过程，入库平均含沙量为53.21kg/m3，最大入库含沙量为213.24kg/m3；第13场排沙过程，入库平均含沙量为41.93kg/m3，最大入库含沙量为232.59kg/m3。第6、8、13场排沙过程入库平均含沙量大于40kg/m3，均为小浪底水库下泄的高含沙洪水，与其他场次洪水存在明uHxl/2LceprLXln5l91t7g==显差异，见图3。同时，2018年之后水库坝前最低水位在127.00m以上，水库处于控泄排沙运用。2018年之后小浪底水库下泄高含沙洪水时，由于西霞院水库处于控泄排沙运用，使高含沙洪水排沙规律明显不同于其他场次洪水，因此在本文排沙能力计算中不考虑第6、8、13场高含沙洪水。

2.2水库排沙比与影响因子的响应关系

水库排沙的主要影响因子可分为水沙因子、库区形态因子、调度因子3类。本文统计的水沙因子包括入库平均流量Q、洪水峰型系数Qmax/Qi。（Q…为最大入库流量）、入库平均含沙量S、最大入库含沙量S。入库流量和含沙量反映入库水沙特征，洪水峰型系数可反映入库洪水特征。统计的库区形态因子包括水库滞洪库容V、洪水滞留系数V/Q。库容可反映水库坝前水位的高低，也可反映水库的淤积情况，同时在一定程度上反映水库库区地形带来的影响。洪水滞留系数可以用来衡量水库对水流的滞留程度，一般而言，洪水滞留系数越大，对水流的调节能力越强，但过长的滞留时间可能会导致水库泥沙淤积，影响水库的寿命和安全。统计的调度因子包括坝前最低水位Z、坝前水位变化幅度AZ、出库平均流量Q、流量沿程变化系数Q/Q。出库流量的大小直接影响水库的冲刷能力，流量沿程变化系数表示水库调度过程中流量的变化情况。本文统计西霞院水库除第6、8、13场排沙过程以外的11场排沙过程，排沙比与单一影响因子线性相关性见表2。

2.2.1排沙比与水沙因子的响应关系

首先分析来水条件对排沙比的影响。西霞院水库降水位排沙过程中，入库平均流量Q范围为300～3000m3/S。由表2可见，排沙比与入库平均流量之间相关性弱，存在正相关关系，入库流量越大，水库排沙比越大，但单因子入库平均流量并非主要影响因素，部分小流量排沙过程也具有较高的含沙量。排沙比与洪水峰型系数Q。相关性相对较高，洪水特性对水库排沙比影响较大，洪水峰型系数大，流量变化范围大，库区冲淤变化不稳定，排沙比与洪水峰型系数之间负相关，相关系数R为-0.481，但P值为0.135，相关性并不显著。

其次分析来沙条件对排沙比的影响。入库平均含沙量S在5～30kg/m3之间，最大入库含沙量S在25～200kg/m3之间。由表2可见，排沙比与入库平均含沙量之间成显著线性负相关，相关系数R为-0.686，P值小于0.05，入库沙量是导致水库淤积的来源，来沙量越大，意味着将会淤积更多泥沙，排沙比相应越小。然而排沙比与水库排沙过程中的最大入库含沙量关系不明显，成微弱负相关。受小浪底水库水沙调控的影响，在小浪底水库排沙期间，起反调节作用的西霞院水库也相应地进行排沙。由于高含沙洪水时小浪底水库排沙效果好，西霞院水库排沙效果不一定好，同时水库排沙效果也受排沙历时的影响，因此西霞院水库排沙比与最大入库含沙量的关系不明显。

2.2.2排沙比与库区形态因子的响应关系

由表2可见，西霞院水库排沙比与水库滞洪库容V及洪水滞留系数V/Q之间均存在微弱相关性，相关性均不显著。水库库区形态会对排沙产生影响，然而西霞院水库运行以来基本处于淤积趋势，库区平面形态发生较大变化，库区流路持续演替，极大影响洪水滞留时间，使洪水滞留系数与水库排沙之间没有明显关系。同时根据西霞院水库实测资料，采用断面法与输沙率法计算的水库淤积量存在较大差异，水库滞洪库容V无法准确反映进出库水文站之间的输沙量关系。

2.2.3排沙比与调度因子的响应关系

坝前水位的变化会影响水库的运行方式，在洪水期间，坝前水位升高可能会改变水库的蓄水方式，从而影响泥沙的淤积和排沙效果。由表2可见，西霞院水库排沙比与坝前最低水位Z负相关，与坝前水位变化幅度AZ正相关，但相关性均较弱。西霞院水库坝前运用水位发生了明显变化，在2015年之前坝前最低水位可降至124.00m左右，2015年之后坝前最低水位为127.24m。降低水位可增加水库排沙能力，但近年来西霞院水库淤积的加剧及坝前运用水位的变化，使整体上场次洪水排沙过程中坝前水位与水库排沙比之间的相关性有所减弱。

西霞院水库排沙比与出库平均流量Q正相关，但并不显著。排沙比与流量沿程变化系数Q显著正相关，相关系数R为0.671，P<0.05，流量沿程变化系数Q。可反映水库的调控能力，其值越接近1，对水库排沙能力的影响越小。在入库流量一定的情况下，通过调节出库流量可以更好地控制水库的输沙能力，实现水库的有效排沙。

3水库排沙能力计算方法

由上述排沙比与单因素之间的相关关系，可以发现入库平均含沙量S和流量沿程变化系数Q。是影响西霞院水库降水位排沙的主要因素，排沙比与入库平均含沙量显著负相关，与流量沿程变化系数显著正相关，这也反映出水沙条件及水库的调度行为是水库排沙能力的关键影响因素。因此，选取流量沿程变化系数Q、入库平均含沙量S两个参数，通过多元回归建立水库排沙比计算公式：

实测排沙比与计算排沙比的关系如图4所示。由图4可见，流量沿程变化系数Q、入库平均含沙量S与降水位过程排沙比n回归精度较高，R2为0.79，同时P值小于0.01，大多数点据分布在45°线附近，表明这2个因素与水库排沙比相关性良好。因此，为提高水库排沙效率，从调度的可行性出发，排沙期间应降低坝前水位、增大出库流量。

4结论

1）西霞院水库排沙受水库运用方式、来水来沙条件等多因素的影响。西霞院水库降水位排沙过程排沙比与各影响因子响应关系分析表明：排沙比与流量沿程变化系数显著正相关，与入库平均含沙量显著负相关；排沙比与洪水峰型系数负相关，与坝前最低水位负相关，与水位变化幅度正相关，但相关性均不显著；排沙比与其他因素之间的关系散乱，没有明显的相关性。

2）选取西霞院水库流量沿程变化系数Q、入库平均含沙量S与排沙比n建立西霞院水库排沙比计算公式，R2为0.78，P值小于0.01。从调度的可行性出发，排沙期间应降低坝前水位、增大出库流量，以达到提高排沙比的目的。

3）本文在西霞院水库排沙比研究方面进行了初步尝试，但由于西霞院水库流路变化频繁、库区淤积形态变化复杂，因此本文并未充分考虑地形因素的影响，这可能是影响排沙比计算精度的一个重要原因。