小浪底水库拦沙初期调控异重流方式初步研究

小浪底水库拦沙初期调控异重流方式初步研究

曲少军 韩巧兰 孙赞盈 汪大鹏

(黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003 )

摘要：小浪底水库拦沙运用初期，黄河中游来的峰高、量小、沙多又不够一次调水调沙过程的洪水（在考虑水库前期可调水量之后）入库后一般会形成异重流，且出库沙量大、粒径细，因此水库应及时排出；但如果水沙搭配不好，也会使下游河道发生淤积，且呈现沿程均淤的特点；随着排沙期平均流量的增大，全下游淤积比不断减小，并可以由淤积转为冲刷。针对这类洪水，推荐以下游河道不淤积的关系式进行水沙调控，可以在水库适当补水的情况下实现下游河道少淤甚至不淤的排沙效果。

关键词：水库异重流 调水调沙 高含沙小洪水 减淤 水沙搭配

小浪底水库拦沙初期是指水库泥沙淤积达到21～22亿m3之前的时期，该淤积量与起始运行水位210m以下原始库容接近。通过长期大量而系统的研究，确定了这一时期调水调沙运用的调控指标[1]，具体分为：（1）调控流量。包括调控上限流量和调控下限流量，调控上限流量按控制花园口断面流量不小于2600m3/s、历时不小于6天，调控下限流量按花园口断面流量不大于800m3/s控制；（2）下限运用水位。采用起始运行水位210m；（3）调控库容。基本满足调水调沙运用要求的调控库容不小于8亿m3。由此看出，通过小浪底水库调水调沙调度，控制花园口断面流量小于800m3/s或大于2600m3/s，尽量避免出现800～2600m3/s之间的流量过程。另外，黄河调水调沙试验结果表明，实施一次调水调沙过程的洪水历时一般为9天以上。

小浪底水库投入运用以来，汛期中游时常发生峰高、量小、沙多的洪水（简称中游高含沙小洪水，下同），但在考虑水库前期可调水量之后仍不够一次调水调沙过程所需的水量，因这类洪水进入小浪底水库后，一般会形成异重流并运行至坝前，如果将异重流泄放出库，因流量小、含沙量高从而引起下游河道淤积，不利于下游主槽行洪排沙能力的尽快恢复，近几年类似的排沙情况已出现多次。从小浪底水库运用安全和减少水库淤积两方面考虑，水库实施排沙运用是基本合理的，因此，研究如何通过水库对出库水沙过程进行调节以实现下游河道少淤或不淤的目标具有重要意义。

1小浪底水库运用以来几次引起下游河道淤积的异重流排沙实例

1.1 2001年8月

2001年8月下旬，发生在中游的高含沙洪水在小浪底库区产生了异重流，并部分排出1

库外，时间为8月21日~9月17日，历时28天，最大日均含沙量为149kg/m3，排沙量为0.171

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基金项目：国家自然科学基金和水利部黄河水利委员会联合资助重点项目（50239040）

作者简介：曲少军（1963－），男，河南陕县人，教授级高级工程师，主要从事河床演变、河流模拟及水库运用方式研究.

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亿t，出库泥沙颗粒组成很细，d50仅为0.006~0.008mm。小浪底水库在异重流排沙期间基本为蓄水运用，出库流量除最后4天外均小于320m3/s，排沙期出库流量呈缓慢增大趋势，出库含沙量变幅较大。因排沙期流量小、含沙量高，导致下游河道淤积。鉴于本次小流量异重流排沙过程演进至孙口以下与东平湖向黄河的加水相遇，这里仅给出孙口以上分河段的冲淤量（表1）。可以看出，孙口以上共淤积0.06亿t，淤积主要发生在高村以上河段，尤以夹河滩以上为甚，占72％。点绘排沙期各站水位流量关系发现，花园口、夹河滩断面在含沙量上升阶段，同流量水位有所升高，其中夹河滩站水位升高0.2m，至9月10日之后，两站的水位~流量关系恢复到异重流排沙前的水平。

表1 2001年8月小流量排沙期各河段冲淤量计算(等历时28天)

Table1: Erosion and deposition in the lower Yellow River during sediment ejection by

Xiaolangdi Reservoir (2001.8)

站名 小浪底 小黑武 花园口 夹河滩 高村 孙口 合计 开始时间 (月.日) 8.20 8.20 8.22 8.24 8.26 8.28 平均流量 (m3/s) 276 298 286 221 189 176 径流量 (亿m3) 6.67 7.21 6.92 5.35 4.58 4.25 输沙量 (亿t) 0.1705 0.1706 0.1437 0.0926 0.0673 0.0540 引水量 (亿m3) 0.2635 1.4086 0.6942 0.2999 2.6663 引沙量 (亿t) 0.0062 0.0291 0.0122 0.0045 0.0518 河段冲淤量 (亿t) 0.0206 0.0221 0.0131 0.0089 0.0648 1.2 2002年9月

小浪底水库于2002年9月5日16时～9月11日10时开启排沙洞排泄前期已形成的浑水水库，整个过程水库泄水3.3亿m3，排沙0.332亿t，排沙历时138小时，出库日均流量为492～522 m3/s，而相应日均含沙量却高达70～176 kg/m3，实测出库悬移质中值粒径d50为0.006～0.007mm。入海利津站最大流量仅64m3/s，最大含沙量67.9kg/m3。

点绘排沙期间沿程流量和含沙量的变化过程，可以看出，这次排沙流量比较小，流量涨落过程不明显；各站含沙量过程均表现为一个沙峰，夹河滩以上峰值沿程略有增加，夹河滩～孙口峰值沿程明显减小，孙口～泺口峰值变化不大，泺口～利津峰值明显减小。采用等历时法，并考虑区间引沙量，计算排沙期下游各河段冲淤量（表2）。可以看出，排沙期下游河道共淤积0.108亿t，其中花园口以上冲刷0.064亿t，花园口以下均为淤积，夹河滩～高村

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河段淤积最严重，达0.089亿t，高村～孙口河段以及泺口～利津河段次之，分别淤积0.031亿t和0.024亿t。

表2 2002年9月排沙期间沙量平衡法冲淤量计算

Table2: Erosion and deposition in the lower Yellow River during sediment ejection by Xiaolangdi Reservoir (2002.9)

开始时间 (月.日) 9.4 9.4 9.6 9.7 9.8 9.9 9.10 9.13 9.17 径流量 (亿m3) (等历时8天) 平均 输沙量 含沙量 (亿t) (kg/m3) 97.4 96.9 98.3 83.7 64.3 58.2 54.9 38.1 河段 引水量 3(亿m) 0.3118 0.5692 0.5801 0.3383 0.1120 1.3630 河段 引沙量 (亿t) 0.0000 0.0304 0.0518 0.0429 0.0207 0.0063 0.0634 0.2156 河段 冲淤量 (亿t) -0.0638 0.0130 0.0893 0.0313 0.0010 0.0134 0.0237 0.1079 站名 小浪底 小黑武 花园口 夹河滩 高村 孙口 艾山 泺口 利津 合计 3.302 0.3319 3.518 0.3319 3.977 0.3958 3.631 0.3523 2.998 0.2112 2.354 0.1370 1.978 0.1152 1.853 0.0955 0.339 0.0084 点绘排沙期下游各水文站同流量水位变化过程发现，高村、孙口、艾山三站同流量水位升高明显，最大达0.5m以上，但随后便很快下降并得以恢复（图1）。这也表明，小浪底水

高村流量500m3/s水位62.513662.413362.385.962.262.160.4624.464.7354.421.961.92002-7-13 0:002002-7-23 0:002002-8-2 0:002002-8-12 0:002002-8-22 0:002002-9-1 0:002002-9-11 0:002002-9-21 0:00

图1 “02.9“排沙期高村站同流量水位变化过程

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Figure1: The variation of water level under the same discharge at Gaocun in sediment

discharging period(2002.9)

库泄放极细高含沙小流量过程在通过夹河滩～艾山河段时发生了较明显的淤积，随着大河含沙量恢复至较低值后，主槽过流能力也迅速恢复至排沙以前的水平。 1.3 2004年8月（简称“04.8”洪水）

2004年8月22日8时～31日20时，三门峡水库泄放了一场最大流量为2960m3/s、最大含沙量542kg/m3的高含沙洪水过程。洪水期含沙量大于100kg/m3的持续历时达3.1天，整个洪水期三门峡站洪量9.22亿m3，沙量1.66亿t。本次洪水入库前，小浪底坝前就已存在浑水水库，浑水面高程约191m。受入库高含沙洪水、前期浑水水库，以及入库水流在库区三角洲明流段冲刷的共同影响，小浪底水库排泄异重流的含沙量也很高。小浪底排沙期出库的最大流量为2690m3/s，出库最大含沙量为346kg/m3。在小浪底水库排沙后的第三天，为减小花园口洪峰流量、防止下游大范围漫滩，小浪底水库下泄流量控制在1000m3/s以下约12h，使得9天洪水过程变为第一阶段历时约3d、第二阶段历时约6天的两个较为明显的洪峰过程。两阶段小浪底水库出库水量分别为4.39亿m3和9.2亿m3，分别占该次洪水总水量的32％和68％，第一阶段洪峰流量、含沙量都较高，第二阶段洪峰流量和含沙量相对较低。两阶段的最大含沙量分别为346kg/m3和156kg/m3，两阶段的沙量分别是0.83亿t和0.6亿t，分别占总排沙量的58％和42％。这次洪水期间，出库含沙量大于100kg/m3的时间约1.83d，小浪底水库补水约4.7亿m3，出库总水量13.59亿m3，沙量1.43亿t，平均含沙量105kg/m3，逐日悬移质中值粒径d50变化范围为0.008～0.012mm。小浪底水库排沙期间，东平湖累积向黄河加水约4.29亿m3。采用沙量平衡法计算，本次排沙期下游河道淤积0.13亿t，全下游排沙比达90.8％，取得了较佳的排沙效果。

2小浪底水库排泄中游高含沙小洪水的合理途径分析

通过上述实测排沙过程对下游河道冲淤影响的定量分析，可以看出，在小浪底水库拦沙运用初期，出库泥沙组成一般很细，对下游河道来说属冲泻质，但如果水沙搭配不好，也会使下游河道发生淤积，且呈现沿程均淤的特点，而1974年三门峡水库控制运用以来至小浪底水库运用前（1999年10月），进入下游河道同流量同含沙量级的排沙过程其淤积主要集中在夹河滩以上尤其是花园口以上[2]，这主要是由来沙级配明显不同所致。另外，排沙期流量越小河段排沙比也越小。点绘小浪底水库运用以来几次异重流排沙过程的全下游淤积比与排沙期进入下游的平均流量之间的关系，如图2所示，点据旁标注出排沙期进入下游的平均

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含沙量。可以明显看出，随着排沙期平均流量的增大，小浪底～利津河段淤积比不断减小，并可以由淤积转为冲刷。按照目前的认识，“04.8”洪水既排泄本次入库洪水形成异重流的泥沙，又排泄前期浑水水库的泥沙，并取得了微淤的好效果，可以设想，如果流量过程不变，前期坝前没有浑水水库，仅排泄本次入库洪水形成异重流运行至坝前的泥沙，这一出库水沙过程会使下游河道淤积更少。

10080604012.723.7图中标注为洪水期平均含沙量淤积比（%）200-20-40-60-80097.4394.7295001000150020002500流量（m3/s）

图2 小浪底水库排泄极细沙过程全下游淤积比与平均流量关系

Figure2: The relationship between deposition–sediment load ration and average discharge

during the very fine sediment ejection by XiaoLangdi reservoir

事实上，文献【3】在分析1960～1999年进入黄河下游河道的422场实测洪水资料后，发现使下游河道不淤积的水沙关系为：

Ｓ＝０．０３０８ＱＰ

１．５５１４

（１）

式中，Ｓ为花园口站含沙量，单位为kg/m3；Ｑ为花园口站流量，单位为m3/s，Ｑ＜3000m3/s；Ｐ为细泥沙（d<0.025mm）占全沙比例（百分数），范围为20％～92％。由上式可以清楚地看出，施放流量小于2600m3/s的洪水，如果来沙搭配合理，同样可使全下游不淤积。根据小浪底水库运用以来排泄异重流期间花园口断面实测悬移质级配资料，细泥沙占全沙比例一般大于85％，故暂取Ｐ=85%，按式（1）可以计算出不同流量对应的不淤含沙量，如表3所示。2003年9月初实施的黄河第二次调水调沙试验，小浪底水库以排泄异重流作为沙源，伊洛沁河来水为主要水源，在花园口断面进行了成功对接，这次调水调沙期，花园

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口站平均流量、平均含沙量分别为2394m3/s和31.1kg/m3，由于这场洪水在花园口断面的含沙量小于同流量的不淤含沙量，致使在来沙全部输移至利津以下的同时下游河道还发生了全程冲刷，这也从一个侧面验证了上述计算关系的合理性。

表3 不同流量相应的不淤含沙量（花园口断面，Ｐ=85%）

Table3: Non-silting sediment content in different discharge ( Huayuankou , p=85%

percent finer 0.025mm） 流量 （m/s） 不淤含沙量 （kg/m） 331000 24 1200 29 1500 36 1800 43 2000 48 2200 53 2500 60

基于以上分析，为了减少小浪底水库排泄中游高含沙小洪水给下游河道带来的淤积影响，在不考虑其它工程措施的前提下，拟通过调节小浪底出库水沙过程来实现，较好的办法就是适当增加出库流量（因水库可调水量不大），从而相对减少出库含沙量。因此，对于中游发生的这类洪水，小浪底水库原则上不拦蓄，使出库流量过程与入库流量过程接近，即使不满足调水调沙所需水量的要求，出库流量也应突破不能大于800m3/s的限制。鉴于小浪底水库前期仍有一定的蓄水可以调节，若保持进、出库流量平衡运用时出库含沙量依然很高，应适时补水，力争使出库含沙量基本满足式（1）的要求，促使下游河道淤积更少甚至冲刷。

3方案拟定与预测分析

通过分析三门峡水库控制运用以来发生的几十场高含沙小洪水资料，黄河勘测设计公司选择出典型的入库水沙过程，并给出了小浪底出库历时9天包括悬移质级配在内的水沙过程（表4）。需要说明的是，发生这类洪水时因不能实施调水调沙运用，此时要排泄异重流就只能以不大于800m3/s的流量下泄，故出库流量均为800m3/s。由表看出，在出库维持小流量的情况下，相应含沙量变幅很大，因出库泥沙为运行至坝前的异重流所挟带，故细沙占绝大部分。经统计，排沙期总输沙量达0.5255亿t。

以上述设计的出库水沙过程（简称方案1）为基础，又拟定了3个方案，分别为日均进、出库流量平衡运用方案（简称方案2）、日均出库流量比日均入库流量增加30％方案（简称方案3）、按下游河道不淤的计算关系式（1）确定出库流量方案（简称方案4），这3个方案的日均出库沙量以及逐日悬移质级配均与设计方案相同。各方案水沙条件详见表5所示。

采用2004年汛前下游河道实测大断面作为初始地形，为简化起见，未考虑伊洛河、沁河的加水，此外，还假定排沙期沿程不引水，运用水动力学泥沙冲淤数学模型[4]，对以上4个方案进行对比计算，计算结果见表6所示。可以看出，出库流量增加后的方案2、方案3

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表4 小浪底水库排泄小洪水的水沙过程及泥沙颗粒级配

Table4: the course of discharge and concentration and size distribution during sediment ejection by Xiaolangdi Reservoir

项目 （天） 1 2 3 4 方案1 5 6 7 8 9 (m/s) 800 800 800 800 800 800 800 800 800 3时间 日均流量 日均含沙量 (kg/m) 22.36 44.44 219.05 142.37 90.48 81.95 82.35 48.97 28.39 3小浪底站各粒径组沙重百分数％ 总水量 总输沙量 3<0.025mm 0.025～0.05mm >0.05mm （亿m） （亿t） 89.4 91.8 79.6 74.1 82.8 83.0 86.6 89.4 92.2 8.2 6.3 14.0 15.5 10.4 11.1 9.7 8.4 6.2 2.4 2.0 6.4 10.3 6.8 5.9 3.7 2.2 1.7 6.22 0.5255

表5 小浪底调水调沙计算水沙过程统计表

Table5: Schemes for water and sediment regulation in Xiaolangdi reservoir

项目 时间（天） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 总水量（亿m3） 流量 (m3/s) 957 900 840 1180 1610 1640 1870 1070 989 9.55 方案2 含沙量 (kg/m3) 18.69 39.50 208.62 96.52 44.93 39.98 35.23 36.61 22.96 流量 (m3/s) 1244 1170 1092 1534 2093 2132 2431 1391 1286 12.42 方案3 含沙量 (kg/m3) 14.38 30.39 160.48 74.25 34.56 30.75 27.10 28.16 17.67 流量 (m3/s) 831 1148 2847 2426 1775 1686 1635 1230 915 12.52 方案4 含沙量 (kg/m3) 21.53 30.97 61.55 46.95 40.78 38.88 40.29 31.85 24.82 7

与控制流量800m3/s排沙的方案1相比，全下游淤积量分别减少了0.0989亿t和0.156亿t，且各河段均减淤；水库适当补水后下游河道淤积会进一步减少，表明补水有明显的减淤作用；方案4与方案3相比，在总水量增加不多的情况下，按照使下游河道不淤积的原则进行水沙搭配，全下游淤积量方案4仅为方案3的一半，河道排沙比相应进一步提高。可以预期，照此原则进行水库实时调度，不断改进，能够取得排沙期下游河道基本不淤的好效果。

表6 各方案黄河下游各河段模型计算冲淤量 单位： 亿t Table6: Calculated results of different schemes unit: 108 t

项目 方案1 方案2 方案3 方案4 花以上 0.0022 0.0005 -0.0013 -0.0102 花～夹 0.0071 0.0007 -0.0024 -0.0094 夹～高 0.0918 0.0693 0.0513 0.0325 高～孙 0.0773 0.0554 0.0427 0.0386 孙～艾 0.0652 0.0467 0.0358 0.0283 艾～泺 0.0241 0.0105 0.0064 -0.0065 泺～利 0.0259 0.0116 0.0051 -0.0025 铁～利 0.2936 0.1947 0.1376 0.0708 排沙比(%) 44.14 62.95 73.82 86.51 4结语

（1）小浪底水库拦沙运用初期，出库泥沙组成很细，中值粒径一般小于0.01mm，对黄河下游河道来说属冲泻质，但如果水沙搭配不好，也会使河道发生淤积，且呈现沿程均淤的特点，对尽快恢复下游主槽过洪能力有不利影响；

（2）在小浪底水库异重流排沙期，随着平均流量的增大，下游利津以上河段的淤积比不断减小，并可以由淤积转为冲刷。因此，当水库排泄异重流的流量小于2600m3/s时，如果来沙搭配合理，同样可使下游河道不发生淤积；

（3）中游高含沙小洪水进入小浪底库区后，一般会形成异重流并运行至坝前，当不能实施调水调沙运用时，维持较小流量（一般不大于800 m3/s）排沙会使下游河道发生严重淤积；保持小浪底进、出库流量平衡运用以及在此基础上再适当补水（如日均出库流量比日均入库流量增加30％），则下游河道的减淤效果会越来越好；本文推荐按照使下游河道不淤积的关系进行水沙搭配，可以在增加水量不多的情况下实现下游河道少淤的好效果。

（4）黄河下游艾山～利津河段减淤至关重要，小浪底水库运用以来有几次异重流排沙过程适逢东平湖向黄河加水，遂对该河段少淤起有利的作用；另外，黄河下游沿程引水对排沙期河道冲淤也有较大的影响，这些还需进一步研究以便得出定量结果。

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参考文献

[1] 水利部黄河水利委员会，黄河首次调水调沙试验. 黄河水利出版社，2003年12月. [2] 赵文林，黄河水利科学技术丛书，黄河泥沙. 黄河水利出版社，1996年10月. [3] 李国英，基于空间尺度的黄河调水调沙. 人民黄河，2004年第2期.

[4] 钱意颖、曲少军、曹文洪等，黄河泥沙冲淤数学模型. 黄河水利出版社，1998年8月.

Analysis on the density current regulation mode in the initial operation

period of trapping sediment in Xiaolangdi Reservoir

(Institute of Hydraulic Research, YRCC, Zhengzhou, 450003)

Abstract:

In the initial operation period of trapping sediment in Xiaolangdi Reservoir, the flood will form the density current generally after coming into the reservoir ,which is high peak and low volume and hyper-concentration, but it can not supply enough water amounts for water and sediment regulation. Because the sediment amount output is high, the sediment grain size is fine, so the density current should be discharged in time. The density current make deposit with distance in the lower Yellow River if its combination of water and sediment is not good. as the average discharge is increasing, the delivery ration in the lower channel is also increasing. To this flood , it is recommended that the combination of water and sediment is made by a non-silting relationship. the effect of the little silt and even non-silting can realize in the lower Yellow River by making up water properly in the Xiaolangdi reservoir.

Key words:

density currents in reservoirs water and sediment regulation low volume flood at hyper-concentration composition of water and sediment

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/y66p.html