册田水库泥沙入出库分析

刘淑红，邢 斌

（海河水利委员会科技咨询中心，天津 300170）

1 册田水库拦沙与官厅水库淤积的关系概述

册田水库位于永定河主要支流桑干河上，于1960年建成使用。官厅水库位于永定河干流上，于1953年建成使用。官厅水库是新中国成立后兴建的第一座大型水库，投入使用后虽然发挥了显著的防洪和兴利作用，但长期以来淤积严重。

官厅水库的淤积，主要受上游来沙系列变化影响，在此将官厅水库上游来沙系列划分为3个阶段来分析：

第一阶段为1953年以前，即官厅水库修建前。因设有官厅站，其来沙量直接引用官厅站实测值。

第二阶段为1953—1959年，即官厅水库建成后至册田水库修建前。其来沙量采用水利部天津水利水电勘测设计研究院（现为中水北方勘测设计研究有限责任公司）相关分析成果，由石匣里和响水堡两站之和加以计算，其相关式为：

式中：S官为官厅水库来沙量（t）；S石为石匣里站实测来沙量（t）；S响为响水堡站实测来沙量（t）。

此外，在册田水库下游不远处设立了尉家小堡站，该站可视作册田站，一方面实测了同期册田水库上游来沙量，另一方面通过相关分析获得了册田与石匣里两站间的年来沙量相关关系：

式中：S册为册田水库来沙量（t）；S石为石匣里站实测来沙量（t）。

第三阶段为1960年册田水库建成后至2004年。官厅水库入库沙量推算方法大体上和第二阶段相同，即1974—2004年间仍采用式 （1）计算；而1957—1973年间因设立了朝阳寺站，其计算相关式为：

式中：S官为官厅水库来沙量（t）；S朝为朝阳寺站实测来沙量（t）；S响为响水堡站实测来沙量（t）。

通过对以上连续3个阶段官厅入库泥沙的系列分析，可以看出，一方面册田水库建成后，官厅水库入库泥沙大幅度减少；另一方面册田水库以上来沙，在官厅流域总产沙量中占有较大的比重。1950—1959年间，其平均占官厅入库的41%，其中1953、1959年分别占53%和57%；平均占石匣里站的71%，其中1953、1959年分别占77%和94%；平均为石匣里、响水堡两站总和的52%，其中1953、1959年分别为64%和68%。而其流域面积仅为官厅的39.3%，石匣里的71.2%，石匣里和响水堡两站总和的44.3%。1960—1973年间，册田水库入库沙量是官厅水库入库沙量的1.18倍，是石匣里、响水堡两站输沙量总和的1.69倍，是石匣里站的3.54倍。

也就是说，如果在此期间没有册田水库或册田水库不拦沙，则官厅水库沙量将增加一倍多。可见，册田水库客观上发挥了官厅水库拦沙库作用，因此分析册田水库泥沙出入库对研究官厅水库泥沙问题十分必要。

2 册田水库泥沙入库分析

2.1 资料系列

为分析册田入库泥沙，搜集整理出1960—2004年共45年册田入库径流量系列和输沙量系列以及实测水库1964—1993年淤积系列，其中1960—1972年的入库水量及悬移质输沙量以册田水库上游5个控制站（包括屯儿站6 688 km2、顾关站 1 368 km2、观音堂站1 185 km2、孤山站2 619 km2、碗窑站148 km2）的实测量之和乘以册田水库流域面积（17 050 km2）与5站总计流域面积（12 008 km2）之比求得；1973—2004年的入库水量及悬移质输沙量以固定桥站实测量乘以册田水库流域面积与固定桥流域面积（15 803 km2）之比求得；1964—1993 年实测淤积量取自1994年4月册田水库管理局测淤报告。

2.2 入库水量—沙量相关分析

由于水流是泥沙的载体，有必要根据上述系列开展入库水沙量相关分析。经计算，1960—2004、1960—1979、1980—2004年3个时段册田水库入库径流量与入库悬移质之间的相关系数分别为0.88、0.88、0.81。由相关系数可以看出，两者之间总体上有较好的线性相关关系。

2.3 入库径流系列特征

经统计计算，得出册田水库45年入库年径流系列均值为3.06亿m3，变差系数为0.9。年径流最大值发生在1967年，入库径流量为13.13亿m3，最大1 d洪量为1.081亿m3，最大3 d洪量为1.756亿m3，最大5 d洪量为2.13亿m3。8月6日入库洪峰2 850 m3/s，相当频率10%。在整个系列中，不同年代径流量在逐渐减小，20世纪60年代平均入库径流6.99亿m3，70年代平均入库径流 3.17亿 m3，80年代平均入库径流1.67亿m3，90年代平均入库径流1.61亿m3、仅为60年代的23%；2000—2004年平均入库径流0.67亿m3，仅为20世纪60年代的9.6%。

2.4 入库泥沙系列特征

经统计计算，得出册田水库45年入库泥沙（悬移质、推移质之和）系列均值为1 041万t，变差系数为1.9。其中，最大来沙年亦发生在1967年，入库泥沙为12 041万t（其中，悬移质11 149万t，推移质892万t），占45年总入库沙量46 842万t（其中，悬移质43 372万t，推移质3 470万t）的25.7%。 从总的系列过程看，伴随不同年代入库径流量的逐渐减少，入库泥沙（悬移质、推移质之和）亦在逐渐减少，且减少幅度比径流量的减少幅度更大。20世纪60年代平均入库沙量3 203万t，70年代平均入库沙量855万t，80年代平均入库沙量342万t，90年代平均入库沙量263万t、为60年代的8.2%；2000—2004年平均入库沙量43万t，仅为20世纪60年代的1.3%，此减小幅度较年径流减小幅度大得多。

2.5 大沙年、大水年统计

在1960—2004年的45年系列中，前5位输沙量 依 大 小 排 序 依 次 为 1967、1969、1961、1962 和1964年，这5年共来沙2.56亿t，占45年总计来沙量4.68亿t的54.7%；前5位径流量依大小排序依次为 1967、1964、1969、1961 和 1968 年，这 5 年共计来水44.98亿m3，占45年总计来水量137.84亿m3的32.6%。这种情况说明一方面，在同步45年入库水沙量系列中，大沙年的来沙量较之大水年的来水量更为集中；另一方面，大沙年与大水年的出现并不完全一致，1962年是第4位的大沙年、但并不是前5位的大水年，1968年是第5位的大水年、但并不是前5位的大沙年。

2.6 实测淤积量与入库泥沙量的对比分析

截至2004年年底，累计入库泥沙总量4.68亿t（其中，悬移质4.34亿t，推移质以悬移质的8%计算为0.35亿t）。截至1993年年底，累计入库泥沙总量为4.51亿t（其中，悬移质4.18亿 t，推移质0.33亿t）；而截至1993年年底，实测淤积量为2.82亿t，与同期净入库沙量4.22亿t（即总入库—总出库）相比少1.4亿t，相当净入库沙量的33.2%、实测累计淤积量的49.6%。经初步分析，入库沙量与实测淤积量发生如此大的差异，主要原因在两方面：一是在1960—1972年的入库沙量计算中，因尚未设立入库站固定桥站而不得不以其上游5站资料推算，这5站流域面积共 12 008 km2，较固定桥站 （15 803 km2）少3 795 km2，即少24%，从而使计算精度相对较差。加之该时段为整个45年系列中主要来沙期，5个大沙年都发生在这个时段，其来沙量达到2.56亿t，占45年总来沙量4.68亿t的54.7%。同期，上游5站至库区间的约200 km河道冲淤演变比较剧烈，但不能对其加以考证估计。此外，计算中未能考虑库区塌岸的影响，也使成果产生一些误差。然而，所有这些误差因素究竟使成果偏大还是偏小，目前难以确定。二是实测淤积数据需要核实，实测方法也有必要加以研究。实测淤积资料中，不少年份的淤积量与来沙量很不相符，甚至在不少未排沙年份，如1970、1986、1988、1989、1990、1992、1993 年，实测淤积量均为负值，显得不甚合理，尤其是1992年为“-2 439万m3”，即为“-3 171万t”，显然与该年固定桥悬移质输沙量201万t和水库未排沙的事实不符。此外，有的年份来沙量很大或者较大，但实测淤积量却较小或很小，也不甚合理，如 1967、1969、1971、1974 年。

3 册田水库泥沙出库分析

册田水库自建库以来，分别在 1967、1969、1970、1974和1981年实施了排沙运用，以下逐年分析册田水库历次排沙运用实测水文资料情况。

3.1 1967年泥沙出库实测资料分析

3.1.1 排沙期全程特征分析

经计算整理，1967年册田水库的排沙期共20 d，分别发生于8月2—15日和8月28日—9月6日2个时段，其中前一时段排沙1 983万t、后一时段排沙228万t，2个时段共排沙2 211万t。排沙期平均出库含沙量43.6 kg/m3。最大出库流量1 510 m3/s，发生在8月11日7时30分—9时30分，库水位变化范围为943.8～947.2 m，对应蓄水量变化范围为3 110万～7190万m3。排沙期间上游来水65000万m3，来沙8 800万t，上游面雨量196 mm，上游最大点雨量323 mm。最大1 d出库沙量673万t，占排沙期总输沙量2 211万t的30%，占排沙期上游来沙量8 800万t的7.6%。排沙期总出库沙量占排沙期上游来沙量的25%。

3.1.2 沙峰特征分析

排沙期共产生2个沙峰。第1个沙峰发生在8月6—12日，历时7 d；第2个沙峰发生在8月31日—9月2日，历时3 d。2个沙峰期排沙量2 103万t，占排沙期总排沙量2 211万t的95%；对应出库水量37 557万m3，占排沙期上游来水量65 000万m3的57.8%；2个沙峰期平均含沙量56 kg/m3，为排沙期平均含沙量的1.28倍；发生在8月11日的最大日平均流量为1 140 m3/s，是排沙期日平均流量293.6 m3/s的3.88倍，相应石匣里站的日平均流量为556 m3/s、钱家沙洼站的日平均流量为22.2 m3/s。

3.1.3 排沙前及全年特征分析

本年排沙前（4—7月）上游总来沙量（悬移质和推移质之和）1 502万t，占全年总来沙量11 935万t的12.6%，占排沙期上游总来沙量9 504万t的15.8%；排沙前（4—7月）上游来水量19 680万m3，占全年来水量141 035万m3的14%，占排沙期上游来水量65 000万m3的30%；排沙期排沙量占全年上游来沙量的18.5%。

3.2 1969年泥沙出库实测资料分析

3.2.1 排沙期全程特征分析

1969年册田水库的排沙期共33 d，分别发生于 7月 8—16日和7月 28日—8月 20日 2个时段，其中前一时段排沙6.1万t、后一时段排沙353.4万t，2个时段共排沙359.5万t。排沙期平均出库含沙量23.4 kg/m3。最大出库流量366 m3/s，发生在7月 30日 10、12时，库水位变化范围为 945.15、945.20 m，对应蓄水量变化范围为942万、972万m3。排沙期间上游来水20 618万m3，来沙3 025万t，其间上游面雨量211 mm，上游最大点雨量257 mm。最大1 d出库沙量97.6万t，占排沙期总输沙量359.5万t的27%，占排沙期上游来沙量3 025万t的3.2%。排沙期总出库沙量占排沙期上游来沙量的12%。

3.2.2 沙峰特征分析

排沙期共产生2个沙峰。第1个沙峰发生在7月30日—8月3日，历时5 d；第2个沙峰发生在8月7—9日，历时3 d。2个沙峰期排沙量290万t，占排沙期总排沙量360万t的80.6%；对应出库水量7 121万m3，占排沙期上游来水量20 618万m3的34.5%；2个沙峰期平均含沙量40.6 kg/m3，为排沙期平均含沙量的1.74倍；发生在7月30日的最大日平均流量为218 m3/s，是排沙期日平均流量61.3 m3/s的3.56倍，相应石匣里站的日平均流量为133 m3/s、钱家沙洼站的日平均流量为7.5 m3/s。

3.2.3 排沙前及全年特征分析

排沙前（4—6月）上游总来沙量（悬移质和推移质之和）233万t，占全年总来沙量 4 996万t的4.7%，占排沙期上游总来沙量3 025万t的7.7%；排沙前（4—6月）上游来水量 18 013万m3，占全年来水量98 586万m3的18.3%，占排沙期上游来水量20 618万m3的87.4%；排沙期排沙量占全年上游来沙量的7.2%。

3.3 1970年泥沙出库实测资料分析

3.3.1 排沙期全程特征分析

1970年册田水库的排沙期共11 d，发生在7月12—14日、8月1—4日和8月11—14日3个时段，其中第一时段排沙18.51万t、第二时段排沙22.13万t、第三时段排沙15.47万t，3个时段共排沙56.11万t。排沙期平均出库含沙量18.7 kg/m3。最大出库流量64.9 m3/s，发生在7月13日。排沙期间上游来水13 953万m3，来沙946万t，上游面雨量189 mm，上游最大点雨量272 mm。最大1 d出库沙量12.28万t，占排沙期总输沙量56.11万t的22%，占排沙期上游来沙量946万t的0.1%。排沙期总出库沙量占排沙期上游来沙量的6%。由于没有搜集到本年水库蓄水资料，未能相应统计有关水库水位、蓄水量等数据。

3.3.2 沙峰特征分析

排沙期共发生3个沙峰。第1个沙峰发生在7月12—14日，历时3 d；第2个沙峰发生在8月1—4日，历时4 d；第3个沙峰发生在8月11—14日，历时4 d。3个沙峰共排沙56万t，出库水量共3 002万m3，占排沙期上游来水量13 953万m3的21.5%。发生在7月13日的最大日平均流量为64.9 m3/s，是排沙期日平均流量31.6 m3/s的2.05倍，相应石匣里站的日平均流量为47.7 m3/s、钱家沙洼站的日平均流量为7.96 m3/s。

3.3.3 排沙前及全年特征分析

排沙前（4—6月）上游总来沙量（悬移质和推移质之和）120万t，占全年总来沙量 1 238万 t的9.7%，占排沙期上游总来沙量946万t的12.7%；排沙前（4—6月）上游来水量17 996万m3，占全年来水量54 442万m3的33%，是排沙期上游来水量13 953万m3的1.3倍；排沙期排沙量占全年上游来沙量的4.5%。

3.4 1974年泥沙出库实测资料分析

3.4.1 排沙期全程特征分析

1974年册田水库的排沙期共28 d，分别发生于7月29日—8月15日和8月22—31日2个时段，其中前一时段排沙155万t、后一时段排沙15万t，2个时段共排沙179万t。排沙期平均出库含沙量7.65 kg/m3。最大出库流量190 m3/s，发生在8月1日。排沙期间上游来水12 262万m3，来沙1 568万t，上游面雨量75.6 mm，上游最大点雨量106mm。最大1d出库沙量50.4万t，占排沙期总输沙量179万t的28.2%，占排沙期上游来沙量1 568万t的3.2%。排沙期总出库沙量占排沙期上游来沙量的11.4%。

3.4.2 沙峰特征分析

排沙期共发生2个沙峰。第1个沙峰发生在7月31日—8月10日，历时11 d；第2个沙峰发生在8月22—31日，历时10 d。2个沙峰期共排沙170万t，占排沙期总排沙量179万t的95%；对应出库水量8 918万m3，占排沙期上游来水量12 262万m3的72.7%；沙峰期平均含沙量13.1 kg/m3，为排沙期平均含沙量的1.71倍；发生在8月1日的最大日平均流量为190 m3/s，是排沙期日平均流量36.9 m3/s的5.15倍，相应石匣里站的日平均流量为54.1 m3/s、钱家沙洼站的日平均流量为15.9 m3/s。

3.4.3 排沙前及全年特征分析

排沙前（3—7月）上游总来沙量（悬移质和推移质之和）1 724万 t，占全年总来沙量22 503万 t的7.7%，是排沙期上游总来沙量1 568万t的1.1倍；排沙前（3—7月）上游来水量22 503万m3，占全年来水量47 447万m3的47.4%，占排沙期上游来水量12 263万m3的1.84倍；排沙期排沙量占全年上游来沙量的5.8%。

3.5 1981年泥沙出库实测资料分析

3.5.1 排沙期全程特征分析

1981年册田水库的排沙期共3d，发生于8月6—8日，排沙34万t。排沙期平均出库含沙量9.41 kg/m3。最大出库流量178.1 m3/s，发生在8月6日，库水位变化范围为951.6～952.4 m，对应蓄水量的变化范围为7 972万～9 640万m3。排沙期间上游来水3 051万m3，来沙243万t，上游面雨量90 mm，上游最大点雨量106 mm，最大1d出库沙量15.1万t，占排沙期总输沙量34万t的44%，占排沙期上游来沙量243万t的6.2%。排沙期总出库沙量占排沙期上游总来沙量的14%。

3.5.2 沙峰特征分析

排沙历时很短，仅3 d，也只有1个沙峰。沙峰特征即排沙期全程特征。出库水量共3 564万m3，为排沙期上游来水量3 051万m3的1.17倍。发生在8月6日的最大日平均流量为178.1 m3/s，是排沙期日平均流量137.5 m3/s的1.3倍，相应石匣里站的日平均流量为56.2 m3/s、钱家沙洼站的日平均流量为20.4 m3/s。

3.5.3 排沙前及全年特征分析

排沙前（3—7月）上游总来沙量（悬移质和推移质之和）250万t，占全年总来沙量1 818万 t的13.8%，是排沙期上游总来沙量243万t的1.03倍；排沙前（3—7月）上游来水量11 404万m3，占全年来水量37 722万m3的30%，是排沙期上游来水量3 051万m3的3.74倍；排沙期排沙量占全年上游来沙量的1.9%。

3.6 实测水文资料综合分析

根据以上逐年的水文实测资料，进而将5年排沙情况综合分析如下：

（1）这5年都是来沙来水较大或最大年份。各年悬移质入库沙量都在45年均值964万t以上，各年入库径流量除1974年略小于45年均值3.06亿m3，其余都大于45年均值。其中，1967年为45年系列中最大来水来沙年，其悬移质来沙量11 149万t、为45年悬移质来沙总量的25%，入库径流量13.13亿m3、为45年入库径流总量的9.5%，排沙2 211万t、为该年悬移质、推移质来沙总量的18.4%，占45年来泥沙出库总量2 947万t的75%；本年排沙用水5.36亿m3，占本年来水总量 13.13亿 m3的41%。1981年为20世纪70年代以来最大来沙年和第6位来水年，也是本库建库以来最后一次排沙年，排沙34万t，仅为本年悬移质、推移质来沙总量1 328万t的2.6%；而排沙用水0.36亿m3，为本年来水量3.34亿m3的10.7%。这些情况说明，虽然排沙运用总体上发生在大水大沙年，但泥沙排出的比例远小于排沙所需水量占本年来水量的比例。

（2）1967、1969、1970、1974、1981 年 5 个排沙年的排沙运用共排沙2 840万t，占5年入库总沙量23 048万t的12.3%，占1960—2004年45年总入库沙量46 842万t的6%，其中最大排沙年1967年排沙2 211万t、占5个排沙年总排沙量2840万t的78%。此外，在其他年份和上述排沙年份的非排沙运用期内，还有零星泥沙出库，经统计共107万t。据此，45年来共出库泥沙2 947万t，占45年总入库沙量46 842万t的6.3%。也就是说，有93.7%的泥沙淤积在库区。由于大量泥沙淤积在库内，册田库区淤积严重，特别是1985年以前库区淤积迅速发展。据山西省雁北地区册田水库管理局 《关于册田水库一九八五年库内泥沙淤积的报告》所附实测库区纵断面图，到1985年为止坝前库底高程已从建库前的920 m抬升到944.8 m，淤积深度达24.8 m；坝前上游10 km处库底高程从建库前的938.6 m抬升到948.6 m，淤积深度达10 m；坝前上游20 km处库底高程从建库前的947.2 m抬升到954.2 m，淤积深度达7 m；坝前上游30 km处库底高程从建库前的956.6 m抬升到959.4 m，淤积深度达2.8 m。由此进一步证实，一方面册田水库大量拦截泥沙，致使册田水库自身淤积严重；另一方面册田水库客观上起到了官厅水库拦沙库的作用，如果册田水库大量排沙，势必对下游特别是官厅水库构成较大影响。