黄河小浪底水库运用以来的泥沙淤积特征分析

孙东坡;吴默溪

【摘 要】基于原型观测资料,分析了小浪底水库入库水沙、水库运用及相应库区泥沙淤积的变化特征.小浪底水库运用以来,平均入库水量为225.23亿m3,沙量为3.19亿t,入库水沙与历史多年平均值相比显著减少;汛限水位和运用水位则逐步抬高,目前,前汛期和后汛期汛限水位分别为230、248 m.至2015年4月,库区泥沙淤积总量为30.48亿m3,其中干流淤积量占总淤积量的80.9％;水库平均排沙比约为21.0％,库区淤积物从库尾至坝前沿程细化.库区干流淤积纵剖面基本呈三角洲形态,随着水库的运用,三角洲淤积形态缓慢向坝前推进;上窄下宽的特殊库区地形对调整库区淤积形态有利.库区横断面淤积形态初期为水平淤积抬升,后期宽河段库区则受坝前水位下降期脱离回水的影响,形成有滩、有槽的复式断面形态.库区支流淤积形式主要为干流倒灌淤积,纵剖面淤积形态总体呈锥体变化,横断面呈水平淤积抬升.分析库区泥沙淤积特征有助于小浪底水利枢纽的科学调度运用. 【期刊名称】《华北水利水电学院学报》 【年(卷),期】2018(039)002 【总页数】6页(P74-79)

【关键词】小浪底水库;泥沙淤积;三角洲;支流倒灌;淤积物组成 【作 者】孙东坡;吴默溪

【作者单位】华北水利水电大学,河南 郑州450045;华北水利水电大学,河南 郑州450045

【正文语种】中 文 【中图分类】TV731

小浪底水利枢纽地处黄河中游最后一个峡谷段的出口，上距三门峡水利枢纽130 km，控制流域面积69.4万km2，库区有大峪河、畛水河、亳清河等十多条大支流汇入，如图1所示。 图1 小浪底库区平面形态

小浪底水库开发任务是以防洪(包括防凌)、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，除害兴利，综合利用，是黄河水沙调控的关键工程。水库设计正常蓄水位275 m，千年一遇设计洪水位274 m，万年一遇校核洪水位275 m，总库容126.5亿m3。工程于1997年10月截流，1999年10月下闸蓄水运用，至2015年4月，水库累计淤积泥沙30.48亿m3(断面法)，处于拦沙后期第一阶段。

小浪底水库运用以来，在防洪(防凌)、减淤、供水、灌溉、发电等方面发挥了巨大作用，促进了当地经济社会的快速发展。目前，关于小浪底水库的研究较多，涉及小浪底水利枢纽防泥沙淤堵[1]、未来水库淤积预测[2-3]、拦沙初期运用和淤积分析[4-5]等。文中跟踪小浪底水库新的原型观测资料，在以往研究的基础上分析小浪底水库运用以来的泥沙淤积特征，对水库近期运用有参考价值。 1 入库水沙

小浪底水库的入库水沙主要来自黄河干流，代表水文站为三门峡站(1951年前为陕县站)，1919年7月—2015年6月实测多年平均水量为365.84亿m3，沙量为11.69亿t，含沙量为32.0 kg/m3。

入库水沙具有年际变化大的特点，最大年水量为1937年的659.13亿m3，约为最小年水量2002年120.30亿m3的5.4倍；最大年沙量为1933年的37.26亿

t，约为最小年沙量2008年1.11亿t的33.6倍。入库水沙年内分配不均，主要集中于汛期，多年平均汛期水量为207.17亿m3，占多年平均水量的56.6%，多年平均汛期沙量为10.06亿t，占多年平均年沙量的86.1%。

三门峡水文站水沙历年变化过程如图2所示。2000年7月至2015年6月，实测多年平均水量225.23亿m3、沙量3.19亿t、含沙量14.2 kg/m3。1919年7月至2000年6月，实测多年平均水量391.88亿m3、沙量13.27亿t、含沙量33.9 kg/m3。21世纪以来，小浪底水库的来水来沙明显减少，水量、沙量分别减少42.5%和72.0%。

图2 三门峡水文站历年水沙变化曲线 2 水库运用

小浪底水库运用分为拦沙初期、拦沙后期和正常运用期3个时期。拦沙初期是水库泥沙淤积量达到21亿～22亿m3以前；拦沙后期为拦沙初期完成之后至库区形成高滩深槽、坝前滩面高程达254 m时期，其中库区淤积量在42亿m3之前为拦沙后期第一阶段；正常运用期为保持254 m高程以上防洪库容前提下，利用254 m高程以下槽库容长期进行调水调沙运用时期。水库自1999年10月下闸蓄水后至2007年前为拦沙初期，目前处于拦沙后期第一阶段。

每年7月1日至10月31日为小浪底水库汛期防洪、减淤调度时期，其中7月1日至8月31日为前汛期，从8月21日起，水库水位向后汛期汛限水位过渡；9月1日至10月31日为后汛期；从10月21日起，水库水位向非汛期水位过渡。小浪底水库前汛期、后汛期的初期汛限水位分别为215、235 m；随着库区泥沙淤积的发展，前汛期汛限水位逐渐提高，2001年调整为220 m，2002年调整为225 m，2013年调整为230 m；后汛期汛限水位2002年调整为248 m。 每年11月1日至次年6月31日，小浪底水库为防凌、供水、灌溉、减淤调度时期，最高运用水位为275 m；2003年前，受移民等因素影响，控制运用水位为

265 m[6]。小浪底水库运用以来至2015年，坝前平均水位约241.1 m，水库最高运用水位为270.1 m，历年运用库水位变化如图3所示。 图3 小浪底水库历年运用水位变化 3 库区泥沙淤积特征 3.1 库区淤积总量及库容变化

小浪底水库1997年10月截流至2015年4月，采用断面法计算库区泥沙淤积，累计淤积30.48亿m3；其中干流淤积24.66亿m3，占总淤积量的80.9%；支流淤积5.82亿m3，占总淤积量的19.1%。小浪底水库设计拦沙库容75.5亿m3，由于近期来沙量较少，目前库区泥沙淤积量只占设计拦沙库容的40.0%。 根据截流前的1997年实测河道地形资料，按断面法推算，小浪底库区275 m以下库容为127.54亿m3，其中干流库容74.91亿m3，占总库容的58.7%。2015年调水调沙前，275 m以下库容为97.06亿m3，其中干流库容为50.25亿m3，占总库容的51.8%。小浪底水库近年来库容及库区冲淤量统计见表1。

表1 小浪底库容及冲淤量统计 亿m3时间干流库容总库容干流泥沙累计淤积量总累计淤积量1997年汛前74．91127．542007年汛前

56．39105．5918．5221．952015年汛前50．2597．0624．6630．48 3.2 库区干流淤积形态 3.2.1 淤积纵剖面形态

小浪底水库在拦沙期运用时蓄水水体较大，受水流对泥沙分选作用的影响，粗颗粒泥沙首先在水库回水末端附近落淤，较细泥沙潜入水下形成异重流向坝前运行。因此，水库上段的干流淤积形态为三角洲淤积体，三角洲以下的干流淤积形态由异重流和浑水水库沉降淤积体组成。随着水库的运用，干流淤积使三角洲的顶点逐渐向坝前推进，顶点高程随运用水位升高而升高，与运用水位关系密切。小浪底库区淤积三角洲顶点逐年变化情况如图4所示。

图4 小浪底库区淤积三角洲顶点变化

图4中显示，2014年汛前，库区三角洲顶点推进至距坝11 km处，顶点高程214.6 m；主要是因为相对于2013年，2014年汛期运用水位升高较多,2015年汛前淤积三角洲的顶点又后退上移至距坝约16 km处，顶点高程抬升至约220 m。 3.2.2 库区地形与河床淤积纵剖面形态

小浪底水库距坝67 km以上为峡谷河段，河谷宽度仅200～400 m；距坝67 km以下除八里胡同峡谷外河谷均较为开阔，这种特殊的库形对冲刷恢复库容、调整库区淤积形态是有利的。这样，当小浪底库区淤积面达到一定高程后，便可根据来水来沙条件，相机降低小浪底水库运用水位，利用三门峡水库泄放的持续大流量过程冲刷小浪底库区尾部段，实现恢复小浪底调节库容、调整库区泥沙淤积形态的目标。 2003年5月—2004年5月，受2003年秋汛洪水的影响，小浪底水库蓄水位较高。上游洪水挟带大量泥沙淤积在小浪底库区，库区距坝50～110 km库段内发生大量淤积，淤积三角洲顶点高程已经达到250 m以上。2004年，汛前黄河进行了第3次调水调沙试验，通过联合调度万家寨、三门峡、小浪底水库，有效地改善了小浪底库尾河段的淤积形态，降低了库区的淤积高程，汛前淤积高程如图5所示。

图5 不同年份小浪底库区汛前淤积形态变化

由图4和图5可知，在距坝70～110 km处，河床发生明显冲刷，至2005年4月，小浪底库尾淤积三角洲发生了明显的变化；三角洲顶部平均下降20 m，淤积三角洲顶点向下游移动超过30 km。 3.2.3 横断面淤积形态

整体看小浪底水库横断面淤积形态一般为水平淤积抬升，随着水库的淤积发展，横断面高程不断抬高。当库区淤积发展到一定程度，坝前水位下降时，淤积三角洲顶坡段脱离了库区回水影响，这时便出现明流输沙流态，冲刷成槽，淤滩刷槽，横断

面淤积呈现有滩、有槽的复式断面形态。

小浪底水库运用至今，距坝6.54 km处的HH5断面(如图6所示)始终位于淤积三角洲顶点以下，随着水库的淤积发展，横断面不断平行淤积抬高。距坝53.44 km处的HH32断面(如图7所示)，2005年前处于淤积三角洲前坡段或顶点附近，通过三角洲顶坡段输送的泥沙在此淤积，断面抬升较快；2005年后，随三角洲顶点下移和坝前水位升降，该断面有冲有淤，出现滩槽。距坝72.06 km处的HH41断面(如图8所示)，2003年10月处于淤积三角洲顶点处，该年汛期入库沙量大，坝前运用水位高，泥沙在该断面大量淤积，横断面深泓抬升至244.40 m高位；而2004年以后，随着淤积三角洲顶点不断向坝前推进，HH41断面又处于持续冲刷下降状态。

图6 小浪底水库库区干流横断面套绘(HH5断面) 图7 小浪底水库库区干流横断面套绘(HH32断面) 图8 小浪底水库库区干流横断面套绘(HH41断面) 3.3 支流淤积形态变化

大峪河(距坝约4.94 km)、畛水河(距坝约17.67 km)、亳清河(距坝约57.98 km)的实测纵剖面在不同时期的演变如图9—11所示。由图9—11中可看出，支流淤积形态总体呈锥体变化。 图9 大峪河纵剖面 图10 畛水河纵剖面 图11 亳清河纵剖面

离小浪底大坝最近的大峪河从2000—2002年由河口段淤积出现倒坡，2002—2005年倒坡又被淤平。畛水河口段从2000—2002年出现倒坡，2006—2009年倒坡也被淤平。亳清河从1999—2004年在河口段出现淤积倒坡，而后于2005—2006年倒坡基本淤平。

受干流淤积影响，支流口门在有些时段会形成一定高度的拦门沙坎，最高可达约10 m，如支流大峪河和畛水河。但随着时间推移，拦门沙坎在干支流淤积的共同作用下又被逐渐淤平，目前小浪底枢纽还未产生严重的拦门沙坎及衍生问题。 各支流的横断面淤积基本均呈平行抬升态势，大峪河和亳清河典型横断面形态分别如图12和图13所示，从图中横断面淤积发展趋势看，基本都是水平淤积抬升，未形成明显的滩和槽。 图12 大峪河DYH1断面套绘 图13 亳清河BQH1断面套绘 4 库区淤积物变化

库区淤积物沿程变化与库区地形和水库调度运用有关，总体变化趋势受超饱和输沙状态制约，为沿程细化。小浪底库区干流淤积物中值粒径沿程变化如图14所示。 图14 小浪底水库库区干流淤积物中值粒径沿程变化

图14中显示：从库尾至坝前沿程泥沙颗粒变细，符合淤积过程中泥沙分选的规律。坝前 4.55 km范围内泥沙粒径相对较细，中值粒径基本在0.01 mm以下；距坝4.55～20 km范围内，泥沙中值粒径在0.018 mm以下；距坝20～50 km范围内，泥沙中值粒径在0.050 mm以下；距坝50 km以上，泥沙粒径明显较粗，中值粒径一般为0.05～0.15 mm，有的甚至达0.200 mm以上。

库区淤积物组成还与上游来沙情况和水库调度情况有关。从来沙状况看，2000—2005年汛期，小浪底入库泥沙粒径小于0.025 mm的细沙占全沙的比例为40.1%～46.9%，故该时段坝前40 km范围内淤积泥沙都很细，中值粒径多在0.010 mm以下。2006年汛期，入库泥沙粒径小于0.025 mm，细沙含量高达全沙的56.3%，粒径大于0.050 mm的粗沙仅占全沙的23.7%。因此，当年库区淤积物非常细。

从水库调度状况看，2003年水库运用水位较高，回水末端上移，挟沙水流较早进

入库区壅水范围，水深流缓，挟沙能力迅速下降，更多细颗粒泥沙落淤。再加上当年汛期入库泥沙组成较细，粒径大于0.050 mm的粗沙占全沙比例仅为23.3%(一般年份粗沙比例多为26.2%～30.5%)，故当年库区淤积物很细，距坝70 km范围内的泥沙中值粒径均在0.020 mm以下。 5 结语

1)小浪底水库入库水沙具有年际变化大、年内分配不均匀的特点。2000年7月—2015年6月，实测多年平均水量、沙量分别为225.23亿m3、3.19亿t，比小浪底水库运用前分别减少了约42.5%和76.0%。

2)小浪底水库运用分为拦沙初期、拦沙后期和正常运用期，汛限水位和汛期运用水位逐步抬高。至2015年，水库平均运用水位241.1 m，最高运用水位270.1 m，2000年7月—2015年6月,平均排沙比为21.0%。

3)从1997年10月(截流)—2015年4月，小浪底库区累计淤积泥沙30.48亿m3(断面法)，其中干流淤积占总淤积量的80.9%。当前库区淤积量占水库设计拦沙库容的40.0%，水库运用还属于拦沙后期第一阶段。

4)小浪底库区干流淤积纵剖面形状基本为三角洲淤积形态，随着水库的运用，淤积三角洲顶点向坝前推进，水库上窄下宽的特殊库形条件对调整库区淤积形态有利。水库运用初期，横断面淤积形态一般为水平淤积抬升，当淤积发展到一定程度，较宽库区在脱离回水影响后，形成有滩、有槽的宽横断面淤积形态。库区支流淤积主要为干流倒灌淤积，有些时段，支流形成一定高度的拦门沙坎。但随着时间的推移，拦门沙坎又逐渐被淤平，虽然目前并未产生严重的衍生问题，但是也应引起高度重视。

5)库区淤积物从库尾至坝前沿程细化，其组成受来沙条件和水库运用条件影响。 参 考 文 献

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