小浪底水庫水沙調(diào)控對淤積形態(tài)影響的數(shù)值模擬

假冬冬 江恩慧 王遠見 邵學(xué)軍

摘 要：水庫淤積形態(tài)是影響水沙調(diào)節(jié)效率的一項關(guān)鍵因素。為優(yōu)化水庫調(diào)度方式，采用考慮細顆粒淤積物流動特性的水庫淤積形態(tài)數(shù)值模型，開展了小浪底水庫淤積形態(tài)對水沙調(diào)控響應(yīng)的模擬分析工作。研究結(jié)果表明：三角洲形態(tài)及頂點位置隨著水庫的運行調(diào)控而發(fā)生變化，三角洲頂點附近頂坡段的沖淤調(diào)整和水庫運行低水位與三角洲頂點高程之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，當水庫低水位低于三角洲頂點高程時三角洲頂坡段出現(xiàn)沖刷，當水庫低水位高于三角洲頂點高程時三角洲頂坡段出現(xiàn)淤積;淤積形態(tài)為同等淤積量的錐體時，庫區(qū)上段受河道邊界影響有沖有淤，中下段庫區(qū)淤積明顯，且淤積量較三角洲淤積形態(tài)的大;考慮人工清淤措施時，清淤量與水庫淤積總量相比占比非常小，因此淤積形態(tài)總體變化與不考慮人工清淤時基本類似，僅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定變化。

關(guān)鍵詞：淤積形態(tài);水沙調(diào)控;數(shù)值模擬;小浪底水庫

中圖分類號：TV856;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.007

引用格式：假冬冬，江恩慧，王遠見，等.小浪底水庫水沙調(diào)控對淤積形態(tài)影響的數(shù)值模擬[J].人民黃河，2022，44（2）：32-35，44.

Abstract： Sedimentation pattern is one of the critical factors， which has great impact on the efficiency of water and sediment regulation in reservoirs. In order to improve the reservoir operation， the responses of sedimentation patterns of the Xiaolangdi Reservoir to water and sediment regulation were simulated by a mathematical model considering the effect of fine-grained sediment deposits movement. The simulation results indicate that the delta sedimentation pattern is adjusted during the process of reservoir operation. The variation pattern of the top of the delta depends on the relationship between the lowest water level of reservoir operation and the top elevation of the delta. Erosion occurs when the lowest water level is lower than the elevation of delta top， otherwise deposition will be occurred. Compared with the delta deposition morphology， the sedimentation volume of cone deposition morphology is larger with the same method of water and sediment regulation. The variation of sedimentation pattern considering dredging in the vicinity of the top of the delta is very small， except for the location of dredging.

Key words： sedimentation pattern;water and sediment regulation;numerical simulation;Xiaolangdi Reservoir

基于水庫樞紐工程的水沙關(guān)系調(diào)節(jié)，是保障黃河長久安瀾的重要手段，而水庫淤積形態(tài)則是影響水沙調(diào)節(jié)效率的一項關(guān)鍵因素。水庫淤積形態(tài)是水庫泥沙運動的結(jié)果[1]，與入庫水沙條件、水庫自身特點及其運行調(diào)度方式等因素相關(guān)。與此同時，水庫淤積形態(tài)又會影響庫區(qū)水沙輸移過程以及庫容分布，影響水庫設(shè)計功能的正常發(fā)揮。深入研究水沙調(diào)控對水庫淤積形態(tài)的影響過程與規(guī)律，不僅可以豐富水庫泥沙研究內(nèi)容，也可以為水庫優(yōu)化調(diào)度提供科技支撐，具有重要的理論價值和實際意義。

關(guān)于水庫淤積形態(tài)的不同類型與判別方法，我國學(xué)者提出了水庫三角洲淤積形態(tài)的具體判別方法，還在理論上給出了錐體淤積剖面近似于直線的結(jié)論，并分別提出了三角洲、錐體及帶狀3種典型淤積形態(tài)的判別方法[1-2]。小浪底水庫是黃河干流水沙調(diào)控的重要控制性工程，針對其水庫泥沙問題，許多學(xué)者開展過大量研究工作。在異重流潛入條件判別方面，李書霞等[3]通過改進描述異重流運動的動量方程，給出了潛入條件判別的新計算公式，并采用多組實測資料對該判別條件進行率定與驗證。在水庫降水庫區(qū)溯源沖刷方面，李濤等[4]利用小浪底水庫的實體模型，對溯源沖刷過程開展了多個組次的試驗，分析了侵蝕基準面、水量等因素與水庫溯源沖刷量之間的關(guān)系。張俊華等[5]通過建立小浪底水庫準二維數(shù)學(xué)模型，對水庫運用初期的淤積過程進行了模擬分析。在水庫排沙比方面，張帥等[6]基于小浪底水庫實測資料，研究了汛期排沙比與進出庫平均流量、入庫平均含沙量、平均庫容等因素之間的關(guān)系，并建立了擬合精度較高的排沙比計算公式。隨著小浪底水庫的持續(xù)運行以及實測資料的不斷積累，孫東坡等[7]分析了入庫水沙過程以及庫區(qū)泥沙淤積的變化特點。王婷等[8]對小浪底水庫運用至2016年的庫區(qū)淤積分布以及粒徑特征等進行了統(tǒng)計分析。張俊華等[9]從干支流倒灌機制、異重流潛入與運動規(guī)律、水庫高效輸沙調(diào)度原則、異重流高效排沙試驗等方面，總結(jié)分析了小浪底水庫高效輸沙理論與調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)。隨著小浪底水庫泥沙研究的深入進行，細顆粒淤積物自身的流動特性因?qū)τ俜e形態(tài)存在較明顯的影響而開始受到關(guān)注[10]。水庫淤積形態(tài)是影響水沙調(diào)控效率的一項重要因素，其對水沙調(diào)控，尤其是對泥沙動態(tài)調(diào)控（如人工清淤等）的響應(yīng)規(guī)律如何，還有待進一步深入研究。為此，筆者采用考慮細顆粒淤積物流動特性的水庫淤積形態(tài)數(shù)值模型[10]，針對三角洲和錐體兩種典型淤積形態(tài)，開展了小浪底水庫淤積形態(tài)對典型水沙調(diào)控響應(yīng)的模擬分析，以期為水庫淤積形態(tài)演化機理和水庫優(yōu)化調(diào)度的深入研究提供科技支撐。

1 小浪底水庫淤積形態(tài)數(shù)值模型簡介

1.1 小浪底水庫概況

小浪底水利樞紐工程是黃河水沙調(diào)控的關(guān)鍵控制性工程，在黃河治理與保護中具有重要戰(zhàn)略地位。樞紐工程位于黃河中游最后一個峽谷段的出口，控制流域面積約69.4萬km2，占黃河流域面積的92.3%，上距三門峽水利樞紐約130 km。小浪底庫區(qū)平面形態(tài)狹長彎曲，入?yún)R支流較多，如圖1所示。水庫設(shè)計正常蓄水位275 m，原始庫容127.5億m3，長期有效庫容51億m3。該水庫主體工程于1994年9月開工，1999年10月開始下閘蓄水，2000年5月正式運行。小浪底水庫運行以后，實測資料表明庫區(qū)泥沙淤積顯著，2015年4月與1999年9月相比，水庫累計淤積的泥沙為30.49億m3（斷面法計算），約為設(shè)計攔沙庫容的42.1%[6]。

1.2 考慮細顆粒淤積物流動的淤積形態(tài)數(shù)值模型簡介

小浪底水庫近壩段淤積的泥沙粒徑較小，中值粒徑在0.008～0.015 mm之間[7，10]，此類淤積物未密實前具有明顯的流動性，是影響庫區(qū)淤積形態(tài)的重要因素之一。因此，對于小浪底水庫淤積形態(tài)的準確模擬而言，一方面要考慮傳統(tǒng)的水沙輸移過程，另一方面還要模擬分析已落淤的細顆粒淤積物自身的流動過程[10]。本研究所采用的小浪底水庫數(shù)值模型，模擬黃河干流河道長約123 km，即上游HH56斷面到小浪底水庫大壩。模型基于傳統(tǒng)泥沙輸移的三維動力學(xué)模型以及細顆粒淤積物運動模式，可較好地模擬水庫細顆粒泥沙淤積形態(tài)，通過2010年淤積形態(tài)沖淤變化的驗證表明，實測結(jié)果與計算結(jié)果吻合較好，可用于模擬淤積形態(tài)對水沙調(diào)控的響應(yīng)過程，模型情況詳見文獻[10]。

2 水沙調(diào)控對小浪底水庫淤積形態(tài)的影響

本研究所指的水庫淤積形態(tài)為縱向淤積形態(tài)，即水庫沿縱向淤積的剖面形態(tài)。水庫的淤積形態(tài)外形比較復(fù)雜，其中三角洲淤積形態(tài)和錐體淤積形態(tài)是較為常見的兩種類型。水庫泥沙淤積形態(tài)與水沙調(diào)控方式（運行方式）密切相關(guān)，為此，本節(jié)采用數(shù)學(xué)模型計算的研究方法，分析三角洲淤積形態(tài)和錐體淤積形態(tài)對泥沙動態(tài)調(diào)控的響應(yīng)。

小浪底水庫實測淤積形態(tài)為三角洲淤積形態(tài)，錐體淤積形態(tài)設(shè)置則以實際水庫泥沙淤積量為基礎(chǔ)，在同等淤積量且?guī)煳脖冉蹬c三角洲淤積形態(tài)相當?shù)那疤嵯赂呕鲥F體淤積形態(tài)。

2.1 計算水沙條件

不同水沙調(diào)控方式對水庫淤積形態(tài)的影響有所不同。結(jié)合2010年和2013年汛期小浪底水庫水沙調(diào)控過程，計算和分析淤積形態(tài)對水沙調(diào)控的響應(yīng)。2010年汛期入庫平均流量為1 127 m3/s、入庫平均含沙量為29.27 kg/m3，2013年汛期入庫平均流量為1 640 m3/s、入庫平均含沙量為22.65 kg/m3，對應(yīng)兩個年度的汛期壩前水位調(diào)控過程如圖2所示。

2.2 三角洲淤積形態(tài)響應(yīng)分析

2010年水庫調(diào)度運行方式的三角洲淤積形態(tài)變化如圖3所示，由圖3可見，水庫的調(diào)度運行使三角洲淤積形態(tài)及其頂點位置發(fā)生變化。汛前（4月），三角洲頂點位置在距壩約24 km處，高程約為219.6 m。汛期水庫壩前水位降低運行（最低水位約211.6 m），三角洲洲面出現(xiàn)較明顯的沖刷，壩前段與前坡段則出現(xiàn)明顯的淤積。汛后（10月），三角洲頂點向下游推進到距壩約19.6 km的位置，三角洲頂點高程較汛前高程降低約4.0 m，為215.6 m。

2013年水庫調(diào)度運行方式的三角洲淤積形態(tài)變化如圖4所示，由圖4可見，隨著水庫的調(diào)度運行，三角洲淤積形態(tài)及其頂點位置發(fā)生變化。汛前（4月），三角洲頂點位置在距壩約14 km處，高程約為210.0 m。汛期水庫壩前水位降低運行（最低水位約212.8 m），水庫上游河段產(chǎn)生沖刷，下游河段產(chǎn)生淤積。汛后（10月），三角洲頂點位置沒有發(fā)生明顯變化，仍在距壩14 km處附近，三角洲頂點高程約為214.0 m，較汛前高程淤高約4.0 m。

水沙調(diào)度過程分析表明：小浪底水庫三角洲淤積形態(tài)在汛期水沙調(diào)控階段存在周期性的沖淤過程。水沙調(diào)控初始階段，壩前水位降低，庫區(qū)上游河段開始產(chǎn)生沖刷，下游河段產(chǎn)生淤積。當水位繼續(xù)下降時，沖刷河段逐漸向下游發(fā)展，三角洲前坡段向前淤積推進。三角洲頂點附近頂坡段的沖淤調(diào)整和水庫運行低水位與三角洲頂點高程之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，當水庫低水位低于三角洲頂點高程時三角洲頂坡段出現(xiàn)沖刷（如2010年汛前三角洲頂點高程約為219.6 m，汛期壩前最低水位約為211.6 m），當水庫低水位高于三角洲頂點高程時三角洲頂坡段出現(xiàn)淤積（如2013年汛前三角洲頂點高程約為210.0 m，汛期壩前最低水位約為212.8 m）。

此外，從2010年典型斷面沖淤變化（見圖5）來看，近壩段模擬的斷面淤積形態(tài)均較為平坦，主要原因是近壩段淤積泥沙顆粒較細，此類淤積物在密實前流動性較強，平衡坡降很小，數(shù)值模擬過程中對細顆粒淤積物自身的失穩(wěn)流動特性進行了考慮，這一模擬結(jié)果與實際觀測結(jié)果基本一致。對于淤積物粒徑相對較大的庫區(qū)上段，數(shù)值模擬過程中不考慮淤積物自身的流動特性，斷面坡度則略大（如斷面HH44），實際情況與此基本一致。

除了上述傳統(tǒng)水沙調(diào)控外，泥沙動態(tài)調(diào)控還包括人工擾動和輔助清淤等相關(guān)措施。本節(jié)計算對人工清淤因素進行了考慮，清淤部位不同，對淤積形態(tài)的影響也不同，本次計算方案假定在水庫三角洲頂點對應(yīng)位置進行汛前集中清淤，清淤范圍為三角洲頂點及上游2 km的范圍，清淤厚度為2 m，寬度平均約1.5 km，清淤泥沙約600萬m3。

各工況計算結(jié)果基本類似，以2010年三角洲淤積形態(tài)為例，分析其淤積形態(tài)對泥沙動態(tài)調(diào)控的響應(yīng)，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，由于人工清淤量與實際水庫淤積量相比占比較小，因此淤積形態(tài)總體變化情況與不考慮人工清淤時基本類似，未發(fā)生明顯變化，僅在清淤疏浚河段及附近有一定變化，具體表現(xiàn)為：從高程看，以清淤段為中心，河床向壩前和庫尾方向高程略有降低，但影響范圍較小，基本為清淤長度的3倍左右;從局部河床比降變化看，在影響范圍內(nèi)，清淤上段比降略有變陡，下段坡降變緩。

2.3 錐體淤積形態(tài)響應(yīng)分析

錐體淤積形態(tài)設(shè)置以2010年4月實際水庫泥沙淤積量為基礎(chǔ)，在同等淤積量且?guī)煳脖冉蹬c三角洲淤積形態(tài)相當?shù)那疤嵯赂呕鲥F體淤積形態(tài)，如圖7所示。

2010年水庫調(diào)度運行方式的錐體淤積形態(tài)沖淤變化如圖8所示。由于錐體淤積形態(tài)的水流流速沿程減小較明顯，因此庫區(qū)上段受河道邊界影響有沖有淤，總體沖淤變化較小，中下段庫區(qū)淤積明顯，尤其是下段河道較寬處，最大淤積厚度可達10 m，壩前因汛期水位降低運行而略有沖刷。水庫排沙比由三角洲淤積形態(tài)時的35%左右降低至錐體淤積形態(tài)時的27%左右，因此錐體淤積形態(tài)的水庫淤積總量增加約8%。

本節(jié)計算對人工清淤因素進行了考慮，人工清淤方案與三角洲淤積形態(tài)時一致，即假定在水庫三角洲頂點對應(yīng)位置進行汛前集中清淤，清淤泥沙同樣約為600萬m3。錐體淤積形態(tài)對泥沙動態(tài)調(diào)控的響應(yīng)模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可見，由于人工清淤量與實際水庫淤積量相比占比非常小，因此淤積形態(tài)總體變化情況與不考慮人工清淤時基本類似，未發(fā)生明顯變化，僅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定變化，具體表現(xiàn)為：從高程看，以清淤段為中心，河床向壩前和庫尾方向高程略有降低，但影響范圍較小，基本為清淤長度的3倍左右;從局部河床比降變化看，在影響范圍內(nèi)，清淤上段比降略有變陡，下段坡降變緩。這一變化特征與三角洲淤積形態(tài)基本一致。

需要指出的是，本文計算中假定在水庫三角洲頂點對應(yīng)位置進行汛前集中清淤，而水庫清淤部位不同，對淤積形態(tài)的影響可能也會不同，本文僅對此問題進行了初步探討，還需結(jié)合水庫泥沙清淤利用的可能性等，開展進一步研究。此外，筆者僅在2010年、2013年汛期調(diào)度條件下進行了研究，水庫泥沙運動機理復(fù)雜，水庫淤積形態(tài)對水沙調(diào)控的響應(yīng)規(guī)律還有待進一步研究。

3 結(jié) 論

采用考慮細顆粒淤積物流動特性的水庫淤積形態(tài)數(shù)值模型，針對三角洲和錐體兩種典型淤積形態(tài)，開展了小浪底水庫淤積形態(tài)對水沙調(diào)控響應(yīng)的模擬分析。

（1）三角洲淤積形態(tài)及頂點位置隨著水庫的運行調(diào)控而發(fā)生變化。隨著汛期壩前水位降低運行，庫區(qū)上游河段開始產(chǎn)生沖刷，下游河段產(chǎn)生淤積;當水位繼續(xù)下降時，沖刷河段逐漸向下游發(fā)展，三角洲前坡段向前淤積推進。三角洲頂點附近頂坡段的沖淤調(diào)整和水庫運行低水位與三角洲頂點高程之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，當水庫低水位低于三角洲頂點高程時三角洲頂坡段出現(xiàn)沖刷，當水庫低水位高于三角洲頂點高程時三角洲頂坡段出現(xiàn)淤積。

（2）淤積形態(tài)為錐體時，水流流速沿程減小較明顯，庫區(qū)上段受河道邊界影響有沖有淤，中下段淤積明顯，尤其是下段河道較寬處淤積厚度較大。淤積形態(tài)為錐體時淤積量較三角洲淤積形態(tài)增加約8%。

（3）考慮人工清淤措施時，由于清淤量與水庫淤積總量相比占比非常小，因此淤積形態(tài)總體變化情況與不考慮人工清淤時基本類似，僅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定變化，具體表現(xiàn)為：從高程看，以清淤段為中心，河床向壩前和庫尾方向高程略有降低，但影響范圍較小，基本為清淤長度的3倍左右;從局部河床比降變化看，在影響范圍內(nèi)，清淤上段比降略有變陡，下段坡降變緩。

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【責任編輯 張 帥】