萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)沖淤演變特征分析

侯素珍，胡 恬，楊 飛

（1.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 2.水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003）

1 引 言

萬(wàn)家寨水利樞紐工程位于黃河北干流托克托至龍口河段峽谷內(nèi)，壩址左岸為山西省偏關(guān)縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗，工程主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)峰，兼有防洪、防凌作用。 壩址上距頭道拐水文站130 km，控制流域面積為39.5 萬(wàn)km2，水庫(kù)總庫(kù)容為8.96 億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為4.45 億m3，最高蓄水位為980.00 m，正常蓄水位為977.00 m，校核洪水位為 979.10 m，汛限水位為966.00 m，最低發(fā)電水位為952.00 m，水庫(kù)采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式，排沙期運(yùn)用水位為 952.00 ～957.00 m［1］。水庫(kù)整體處于峽谷地帶，平面形態(tài)狹長(zhǎng)彎曲，沿程有楊家川、黑岱溝、龍王溝以及渾河4 條支流匯入。 1998年10月水庫(kù)投入運(yùn)用后，庫(kù)區(qū)淤積、庫(kù)容減少［2］，調(diào)節(jié)庫(kù)容小于設(shè)計(jì)值；2011年后采取排沙運(yùn)用方式，入庫(kù)水量偏枯，排沙量有限，淤積繼續(xù)發(fā)展；2018—2019年黃河上游來(lái)水偏豐，水庫(kù)降低水位進(jìn)行沖沙運(yùn)用，部分庫(kù)容得以恢復(fù)。 庫(kù)區(qū)沖淤及庫(kù)容變化規(guī)律與水庫(kù)的蓄水排沙運(yùn)用方式直接相關(guān)。 已有大量學(xué)者對(duì)水庫(kù)排沙方式進(jìn)行研究，總結(jié)了不同排沙方式的排沙經(jīng)驗(yàn)公式［3-8］。 任紅俊等［1］、程立軍等［2］對(duì)萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用初期的泥沙淤積及三角洲淤積形態(tài)進(jìn)行了深入分析。 然而，2011年水庫(kù)排沙運(yùn)用后庫(kù)區(qū)沖淤過(guò)程和河床形態(tài)發(fā)生調(diào)整，對(duì)防洪庫(kù)容產(chǎn)生了較大影響，目前仍缺乏對(duì)庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)變化的系統(tǒng)研究。 本文以萬(wàn)家寨水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)水沙資料和庫(kù)區(qū)淤積資料為基礎(chǔ)，針對(duì)庫(kù)區(qū)沖淤量的時(shí)空分布、淤積形態(tài)的變化特征及其對(duì)庫(kù)容的影響展開研究，以期為萬(wàn)家寨水庫(kù)今后的排沙調(diào)度以及運(yùn)用管理提供科學(xué)參考。

2 水庫(kù)運(yùn)用及排沙過(guò)程

萬(wàn)家寨水庫(kù)非汛期蓄水運(yùn)用，上游來(lái)沙基本淤積在庫(kù)內(nèi)，汛期7月16 日—10月15 日按庫(kù)水位不超過(guò)汛限水位966.00 m 運(yùn)用。 8—9月為排沙期，水庫(kù)保持低水位運(yùn)用，入庫(kù)流量小于800 m3／s 時(shí)庫(kù)水位控制在952.00～957.00 m 進(jìn)行發(fā)電調(diào)峰運(yùn)用；入庫(kù)流量大于800 m3／s 時(shí)庫(kù)水位保持在952.00 m 運(yùn)用；當(dāng)水庫(kù)淤積嚴(yán)重難以保持日調(diào)節(jié)庫(kù)容時(shí)，在入庫(kù)流量大于1 000 m3／s的情況下，庫(kù)水位短期降至948.00 m 進(jìn)行沖沙運(yùn)用。萬(wàn)家寨水庫(kù)實(shí)際運(yùn)用過(guò)程分為2 個(gè)階段：2010年以前水庫(kù)以攔沙運(yùn)用為主，汛期平均運(yùn)用水位為965.82 m，最低運(yùn)用水位為954.94 m；2011年以后水庫(kù)以排沙運(yùn)用為主，汛期平均運(yùn)用水位為960.41 m，最低運(yùn)用水位為923.38 m。

1999—2010年多年平均入庫(kù)水量、沙量分別為151.5億 m3、0.415 億 t，多年平均出庫(kù)沙量?jī)H 0.105 億 t，排沙比為25%；2011—2017年多年平均入庫(kù)水量、沙量分別為 173.6 億 m3、0.384 億 t，多年平均出庫(kù)沙量為0.260 億 t，排沙比為 68%；2018—2019年水量豐沛，年均入庫(kù)水量、沙量分別為 331.3 億 m3、1.200 億 t，年均出庫(kù)沙量為1.681 億t，排沙比達(dá)140%。 1999—2019年萬(wàn)家寨水庫(kù)排沙過(guò)程見(jiàn)圖1，2011年以前水庫(kù)排沙主要在非汛期，2000年凌汛期水庫(kù)最低水位降至930.00 m進(jìn)行排沙；2007—2010年桃汛期水庫(kù)進(jìn)行補(bǔ)水運(yùn)用，最低水位降至952.00 m 進(jìn)行排沙。 2011年以后水庫(kù)排沙主要在汛期，每年8—9月水庫(kù)最低水位降至952.00 m 以下進(jìn)行排沙。 2015—2017年入庫(kù)流量較小，排沙量很小。 2018年和2019年入庫(kù)流量較大，水庫(kù)水位降至948.00 m，短時(shí)間泄洪沖沙，汛期排沙量分別達(dá)2.072億、1.200億t，排沙比分別為276%、116%。

圖1 1999—2019年萬(wàn)家寨水庫(kù)出庫(kù)沙量

3 庫(kù)區(qū)沖淤量的時(shí)空分布

3.1 沖淤發(fā)展過(guò)程

由萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)斷面測(cè)驗(yàn)資料可知，自水庫(kù)開始運(yùn)用至 2019年 10月累計(jì)淤積量為 3.330 億 m3，2016年汛后淤積量最大（為4.679 億m3）。 期間水庫(kù)經(jīng)歷了連續(xù)淤積和沖刷過(guò)程，2013年之前水庫(kù)均表現(xiàn)為泥沙淤積，2006年淤積量最大（為 0.649 億 m3）；2014年之后水庫(kù)以沖刷為主，年際間沖淤交替，2018年沖刷量最大（為 1.378 億 m3）。

萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)歷年沖淤過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)歷年沖淤過(guò)程

從年內(nèi)沖淤分布來(lái)看，水庫(kù)非汛期以泥沙淤積為主，多年平均淤積量為 0.090 億 m3。 1999—2002年水庫(kù)運(yùn)用水位較低，非汛期沒(méi)有發(fā)生淤積；2006年開展桃汛洪水沖刷降低潼關(guān)高程試驗(yàn)后，水庫(kù)降低水位進(jìn)行補(bǔ)水運(yùn)用；2007—2010年水庫(kù)最低水位降至952 m進(jìn)行排沙，該時(shí)段非汛期總體表現(xiàn)為沖刷，淤積量減小。 水庫(kù)汛期分為泥沙淤積和沖刷2 個(gè)階段：2010年以前水庫(kù)表現(xiàn)為泥沙淤積，多年平均淤積量為0.278億m3；2011年后注重水庫(kù)排沙使淤積量減小，多數(shù)年份水庫(kù)表現(xiàn)為沖刷，汛期多年平均沖刷量為0.254億m3，2018年汛期沖刷量最大（為 1.573 億 m3）。

從干支流沖淤分布來(lái)看，水庫(kù)淤積總量為3.330億m3，支流淤積量?jī)H0.117 億m3，對(duì)萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)泥沙淤積或有效庫(kù)容的影響較小。

3.2 沿程沖淤量分布

采用斷面法統(tǒng)計(jì)萬(wàn)家寨水庫(kù)沿程沖淤量分布，見(jiàn)圖3（以水庫(kù)建成前1997年沖淤量數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)），其分段沖淤量及占比見(jiàn)表1。 可以看出，自萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用至2019年汛后，庫(kù)區(qū)淤積總量沿程總體呈下多上少的特征，WD42 斷面以下（距壩址約41 km 以內(nèi)）淤積量占庫(kù)區(qū)淤積總量的 94.66%；WD42 斷面—WD54 斷面淤積量較小，占庫(kù)區(qū)淤積總量的4.98%；WD54 斷面—WD64 斷面年際間有沖有淤；WD64 斷面—WD72 斷面表現(xiàn)為沖刷。

圖3 不同時(shí)段萬(wàn)家寨水庫(kù)沿程沖淤量分布

表1 萬(wàn)家寨水庫(kù)分段沖淤量及占比

根據(jù)水庫(kù)排沙運(yùn)用以及年內(nèi)沖淤變化將水庫(kù)沖淤過(guò)程分3 個(gè)階段。 第一階段：2010年之前水庫(kù)進(jìn)行攔沙運(yùn)用，庫(kù)區(qū)累計(jì)淤積，淤積末端約在WD58 斷面，91.2%的淤積量集中在WD42 斷面以下，WD54 斷面—WD64斷面表現(xiàn)為微沖，WD64 斷面—WD74 斷面表現(xiàn)為微淤。第二階段：2011—2017年8月、9月水庫(kù)降低水位排沙運(yùn)用，庫(kù)區(qū)沖淤分布發(fā)生較大變化，呈上沖下淤的特征，WD23 斷面以下表現(xiàn)為淤積，淤積量為0.523 億 m3，WD23 斷面—WD54 斷面表現(xiàn)為沖刷，沖刷量為0.145億m3，WD56 斷面以上庫(kù)區(qū)以淤積為主。 第三階段：2018—2019年水庫(kù)降低水位沖沙運(yùn)用，庫(kù)區(qū)整體表現(xiàn)為沖刷，沿程淤積分布呈下多上少的特征，WD42 斷面以下沖刷量為1.185 億m3（占該時(shí)段庫(kù)區(qū)沖刷總量的91.0%），WD42 斷面—WD54 斷面沖刷量為0.104 億 m3（占該時(shí)段庫(kù)區(qū)沖刷總量的8.0%）。

從不同河段來(lái)看，WD42 斷面以下受水庫(kù)運(yùn)用和入庫(kù)沙量的影響，該河段是蓄水淤積和降水沖刷的集中河段；WD42 斷面—WD54 斷面為過(guò)渡河段；WD54斷面以上河段有沖有淤，但沿程變化特征基本不受水庫(kù)蓄水后溯源淤積的影響，主要取決于入庫(kù)水沙過(guò)程。

3.3 不同高程區(qū)間的庫(kù)區(qū)沖淤量及庫(kù)容變化

不同高程區(qū)間的庫(kù)區(qū)沖淤量隨來(lái)水來(lái)沙特性和水庫(kù)運(yùn)用方式的變化而變化，把庫(kù)區(qū)沖淤過(guò)程分為3 個(gè)時(shí)段，各時(shí)段的庫(kù)區(qū)沖淤量見(jiàn)圖4，庫(kù)容淤積比見(jiàn)圖5。1997年 7月—2010年 9月為庫(kù)區(qū)淤積階段，980 m 高程以下庫(kù)區(qū)淤積總量為4.114 億m3，966 m 高程以下庫(kù)區(qū)淤積量占淤積總量的93.2%，不同高程區(qū)間庫(kù)區(qū)庫(kù)容淤損率為43%～83%，高程越低庫(kù)容損失率越大。2010年9月—2017年10月汛期水庫(kù)排沙運(yùn)用，入庫(kù)流量較小使庫(kù)區(qū)繼續(xù)淤積，948 m 高程以下庫(kù)區(qū)淤積量占淤積總量的76%，948 ～957 m 高程區(qū)間庫(kù)區(qū)有少量淤積，957 m 高程以上庫(kù)區(qū)有沖有淤。 2018年和2019年汛期入庫(kù)流量為1 000 m3／s 的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，水庫(kù)降低水位沖沙運(yùn)用，各高程區(qū)間庫(kù)區(qū)均發(fā)生不同程度的沖刷，2018年和2019年980 m 高程以下庫(kù)區(qū)沖刷總量為1.365億m3，其中966 m 高程以下庫(kù)區(qū)沖刷量占沖刷總量的92.3%。 從庫(kù)容淤積比變化來(lái)看，948 m高程以下庫(kù)容恢復(fù)21.85%，948～952 m 高程區(qū)間庫(kù)容恢復(fù)33.84%，發(fā)電最低水位952 m 至汛限水位966 m庫(kù)容恢復(fù)20.2%，966 ～977 m 高程區(qū)間庫(kù)容僅恢復(fù)3.7%，正常蓄水位977 m 以上庫(kù)尾段水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)為沖刷狀態(tài)。

圖4 不同高程區(qū)間的庫(kù)區(qū)沖淤量

圖5 不同高程區(qū)間的庫(kù)區(qū)庫(kù)容淤積比

綜上，從沿程沖淤分布來(lái)看，WD42 斷面以下是庫(kù)區(qū)淤積的主要位置，WD54 斷面以上庫(kù)區(qū)沖淤量變幅很小，基本不受水庫(kù)運(yùn)用的影響。 從分級(jí)高程的庫(kù)區(qū)淤積量及庫(kù)容變化來(lái)看，977 m 高程以上庫(kù)區(qū)以沖刷為主，966 m高程以下庫(kù)區(qū)淤積集中，降水沖刷時(shí)庫(kù)容恢復(fù)率相對(duì)較高。 從歷年沖淤過(guò)程來(lái)看，2018年和2019年降低水位排沙運(yùn)用可以沖刷庫(kù)區(qū)淤積泥沙，恢復(fù)部分有效庫(kù)容，因此加強(qiáng)降水沖沙調(diào)度是維持萬(wàn)家寨水庫(kù)防洪庫(kù)容的有效運(yùn)用方式。

4 淤積形態(tài)變化

4.1 淤積縱剖面變化

水庫(kù)蓄水后水位升高，含沙水流自天然河道進(jìn)入水庫(kù)后，水庫(kù)回水頂托作用使水流受阻，挾沙水流處于過(guò)飽和狀態(tài)，在回水末端附近很快落淤，淤積體縱向發(fā)展和形態(tài)特征主要取決于入庫(kù)水沙特性、水庫(kù)運(yùn)用水位等。

萬(wàn)家寨水庫(kù)運(yùn)用初期水位逐漸升高，庫(kù)區(qū)泥沙呈帶狀淤積，隨著回水變動(dòng)區(qū)落淤量的增大，形成三角洲淤積體并向壩前發(fā)展。 根據(jù)庫(kù)區(qū)深泓高程的變化，將淤積發(fā)展過(guò)程分3 個(gè)階段。 第一階段（1999—2009年）是三角洲形成及發(fā)展階段（見(jiàn)圖6（a）），到2003年形成明顯的三角洲淤積形態(tài)，三角洲頂點(diǎn)位置距壩址約30 km；隨著淤積不斷發(fā)展，三角洲向壩前推進(jìn)，頂坡段淤積抬高，到2009年三角洲頂點(diǎn)距壩址約14 km，上游淤積末端距壩址55 km（WD54 斷面），頂坡段部分河段的河床深泓高程已經(jīng)高于壩前淤積平衡后的河底高程，影響水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容。 第二階段（2010—2013年）前坡段繼續(xù)向壩前推進(jìn)（見(jiàn)圖6（a）），頂坡段沖刷調(diào)整。2011年后注重水庫(kù)排沙運(yùn)用，8月、9月運(yùn)用水位下降，頂坡段洲面高程降低，但三角洲頂點(diǎn)繼續(xù)向壩前推進(jìn)，到2013年10月三角洲頂點(diǎn)距壩址僅約3.9 km。第三階段（2014年后）三角洲前坡段沖刷調(diào)整（見(jiàn)圖6（b）），頂點(diǎn)位置后退，頂坡段淤積抬升。 2018年汛期水庫(kù)較長(zhǎng)時(shí)間低水位運(yùn)行，庫(kù)區(qū)沖刷量大，沖刷后深泓點(diǎn)高程大幅度降低，最大降幅約20 m（WD8 斷面—WD14 斷面），距壩址37 km（WD38 斷面）以下深泓點(diǎn)高程降幅均超過(guò)10 m，向上游深泓高程降幅逐漸減小，距壩址58 km（WD58 斷面）以上平均下降0.6 m，三角洲形態(tài)較不明顯。 2018年10月河底平均比降為7.4‰，較2013年汛后頂坡面比降（2.2‰）顯著增大，距壩址14 km以內(nèi)河段深泓高程基本恢復(fù)到2006年開展桃汛試驗(yàn)初期的深泓高程，壩前690 m 范圍河床呈小漏斗形態(tài)，距壩址14 km 以上河段沖刷后深泓高程更低。2019年汛后深泓高程有所抬升，距壩址6～43 km 平均抬升2.6 m，萬(wàn)家寨水庫(kù)淤積縱剖面形態(tài)總體沒(méi)有發(fā)生變化。

圖6 庫(kù)區(qū)深泓高程變化

從歷年深泓高程變化情況來(lái)看，自水庫(kù)運(yùn)用至2009年淤積抬升發(fā)展到WD54 斷面附近，之后沖淤調(diào)整向下發(fā)展，沒(méi)有出現(xiàn)淤積上延和“翹尾巴”現(xiàn)象。

三角洲的形成和發(fā)展與庫(kù)區(qū)淤積程度密切相關(guān)，2017年之前汛后三角洲發(fā)展特征與庫(kù)區(qū)累計(jì)淤積量的關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖7 三角洲發(fā)展特征與累計(jì)淤積量的關(guān)系

由圖7 可以看出，隨著庫(kù)區(qū)累計(jì)淤積量的增加，三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn)，累計(jì)淤積量約4.5 億t 時(shí)三角洲頂點(diǎn)距壩址5～12 km。 三角洲頂點(diǎn)高程在水庫(kù)運(yùn)用初期逐漸抬升，累計(jì)淤積量為2 億t 以上時(shí)，隨著累計(jì)淤積量增大和三角洲向壩前推進(jìn)，三角洲頂點(diǎn)高程下降。 2018年水庫(kù)汛期沖刷量為1.573 億m3，三角洲形態(tài)調(diào)整不明顯。

4.2 橫斷面沖淤調(diào)整

庫(kù)區(qū)淤積過(guò)程中不同時(shí)期的橫斷面形態(tài)變化過(guò)程有一定差異。 在水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)連續(xù)淤積時(shí)段內(nèi)，河床淤積面水平抬升，WD42 斷面以下均具有這種特征；在排沙時(shí)段內(nèi)河床沖刷形成河槽，河床淤積面基本呈水平下降，中間段形成高灘深槽，灘地沖刷難度大，庫(kù)尾段河槽形態(tài)基本不變。

典型斷面的變化過(guò)程見(jiàn)圖 8。 2013年汛后到2014年汛前WD4 斷面為三角洲頂點(diǎn)位置，淤積面最高，該斷面以下的前坡段河床淤積面水平抬高，沖刷期床面基本平行下降并可以發(fā)展到整個(gè)河寬。 WD6 斷面—WD42 斷面間河段在連續(xù)淤積期河床淤積面基本平行抬升，在沖刷過(guò)程中形成包含主槽和灘地的斷面形態(tài)，河槽形態(tài)由 U 形演變成 V 形，河寬縮窄。 從2006年凌汛期排沙開始到2013年三角洲繼續(xù)發(fā)展，灘面淤高，主槽位置穩(wěn)定；2018年汛期沖刷后，多數(shù)斷面沖深展寬，至2019年汛后基本維持穩(wěn)定，如典型斷面WD11 表現(xiàn)出這種特征。 WD43 斷面—WD54 斷面受蓄水和彎曲性河道形態(tài)的影響，凸岸不斷淤積抬升、凹岸維持主槽，或兩岸淤積、河寬縮窄，如典型斷面WD44 表現(xiàn)出這種特征。 水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)WD55 斷面以上原始河槽形態(tài)基本維持不變，年際間有沖淤調(diào)整，總體沒(méi)有累計(jì)淤積，基本不受水庫(kù)運(yùn)用方式影響，如典型斷面WD56 表現(xiàn)出這種特征。

圖8 典型斷面變化過(guò)程

5 結(jié) 論

萬(wàn)家寨水庫(kù)自1998年運(yùn)用以來(lái)，庫(kù)區(qū)經(jīng)歷了淤積發(fā)展和沖刷調(diào)整過(guò)程。 根據(jù)斷面地形資料對(duì)萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)沖淤演變特征進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

（1）截至2019年10月全庫(kù)區(qū)累計(jì)淤積3.330 億 m3，非汛期多為淤積過(guò)程，汛期由淤積轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷。 從水庫(kù)沿程沖淤量分布來(lái)看，94.66%的淤積量集中在WD42 斷面（距壩址約41 km）以下，WD54 斷面以上河段有沖有淤，但沿程變化特征基本不受水庫(kù)蓄水后溯源淤積的影響，主要取決于入庫(kù)水沙過(guò)程。 從分級(jí)高程的淤積量及庫(kù)容變化來(lái)看，汛限水位966 m 以下庫(kù)區(qū)淤積量占淤積總量的93.2%，977 ～980 m 水位之間庫(kù)區(qū)總體表現(xiàn)為沖刷。 2018年和2019年受汛期降低水位、沖沙運(yùn)用的影響，河床淤積面沿程普遍發(fā)生沖刷，沖刷集中在WD42 斷面以下和966 m 高程以下。

（2）庫(kù)區(qū)干流縱剖面呈三角洲淤積形態(tài)，1999—2009年為三角洲形成及發(fā)展階段，頂坡段接近淤積平衡剖面高程；2010—2013年三角洲頂點(diǎn)繼續(xù)向壩前推進(jìn)，頂坡段洲面高程沖刷降低；2014年開始三角洲頂點(diǎn)后退，2018年沖刷后三角洲形態(tài)消失。 橫斷面多表現(xiàn)為水平淤積抬升，沖刷后斷面形態(tài)由U 形演變成V形，形成高灘深槽。

（3）從淤積發(fā)展過(guò)程來(lái)看，WD54 斷面以上年際間發(fā)生沖淤調(diào)整，沒(méi)有產(chǎn)生累計(jì)淤積，淤積末端基本穩(wěn)定，萬(wàn)家寨庫(kù)區(qū)不存在“翹尾巴”現(xiàn)象。