黄河刘家峡水库坝前沙坝对水沙和水库调度的响应研究

王 婷，周 恒，苏加林，杨经会，王福运，高 垠，李新杰

(1.黄河水利科学研究院,郑州 450003；2. 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；3. 中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春 130061)

0 前 言

水流交汇现象普遍存在于自然界和人类工程的多种水力系统中。干支流交汇河段不仅存在交汇口上游壅水、下游回流等水力学问题，还存在壅水区和回流区的泥沙淤积，以及交汇区下游河床调整等泥沙问题[1-3]。对于修建在多沙河流上的水库，泥沙问题尤为突出，支流高含沙洪水入汇可引起局部地形大幅度调整，甚至有产生较大规模的沙坝而形成二级水库的可能，从而在一定程度上制约了水库综合效益的发挥[4-7]。若支流位于水库回水区，支流洪水可直接形成高含沙异重流汇入干流库区，并分别向上游与下游扩散，不仅局部流场复杂，而且局部地形随之发生大幅度调整[4-7]。本文将利用具有支流异重流入汇的典型黄河刘家峡水库的相关资料，分析支流异重流入汇区沙坝的演化过程及其与水库调度、水沙条件及支流淤积形态的响应关系，以期为黄河刘家峡水库汛期优化调度提供参考。

1 刘家峡水库概况

刘家峡水库是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、防凌、养殖等综合利用效益的大型水利水电枢纽工程，位于甘肃省永靖县境内黄河干流上，坝址控制流域面积181 766 km2。水库1968年10月正式蓄水，水库正常蓄水位1 735.00 m，汛期防洪限制水位1 726.00 m，死水位1 694.00 m[8]。库区由黄河干流、支流大夏河和洮河库区3部分组成。其中，洮河是一条多沙河流，于大坝上游1.5 km处汇入干流，洮河浑水多以异重流形式进入黄河干流，在干流形成沙坝；水库高水位时，沙坝阻挡泥沙在库区的输送；低水位时，沙坝拦蓄了其上游的蓄水，使电站不能正常引水发电。干支流库区平面地形见图1。

图1 刘家峡水库库区平面图

2 干流沙坝演变过程

刘家峡水库运用以来，受水库蓄水运用和入库水沙条件等的影响，库区干流纵剖面形成了三角洲淤积形态。淤积纵剖面由三角洲顶坡段、前坡段、过渡段及坝前段组成。其中，坝前段由于洮河库段泥沙淤积发展形成沙坝，刘家峡水库黄河干流深泓点淤积纵剖面见图2。可以得到，黄淤9-2以下是干流沙坝段，黄淤14断面以上是淤积三角洲段；黄淤14至黄淤9-2是三角洲与沙坝之间的过渡段，基本为水平，是干流异重流淤积与倒灌淤积段。

图2 刘家峡水库黄河干流深泓点淤积纵剖面图

洮河口沙坝是洮河来水来沙在洮河及坝前地形、水库运用条件下形成的一种特殊淤积形态。图3、4为坝前段沙坝纵剖面及沙坝高程变化过程。可以得出水库运用初期，坝前淤积面较低，泥沙主要淤积在坝前段，坝前沙坝不明显，1972—1980年沙坝高程迅速抬升，高程达到1 690.70 m，增高幅度达到29.50 m，影响范围迅速变大；之后，沙坝抬升速度有所减缓，但发展仍然较快，1988年高程达1 699.99 m，之后沙坝高程有所降低，2000年以后缓慢增加。2011年高程达到1 700.58 m，沙坝上游迎水坡高差达到24.37 m。

图3 黄河干流坝前段沙坝纵剖面图

图4 沙坝顶部高程变化过程图

3 沙坝影响因素分析

洮河口沙坝的形成与来水来沙条件、洮河淤积形态及水库调度过程密切相关。

3.1 入库水沙对沙坝形成的影响

刘家峡水库坝前沙坝的形成与洮河来沙密不可分。刘家峡水库1968—2010年年均入库沙量4 947万t，洮河沙量2 141万t，洮河沙量占总入库沙量的43.3%。洮河泥沙主要来自汛期几次沙峰，由于洮河狭窄，汛期沙峰极易形成异重流，洮河异重流运动入汇至干流后，分别流向干流下游和倒灌干流上游，在交汇区异重流流速骤降，水流中泥沙快速落淤，在干支流交汇口形成沙坝。

图5 沙坝增长高度与洮河来沙量关系图

图5给出了刘家峡水库部分年份坝前沙坝与洮河来沙量关系。可以得出坝前沙坝抬升高度与洮河红旗站沙量呈正相关关系，在洮河来沙量较大的年份，沙坝抬升速度较快。由于受水库调度影响，各年变化有所不同。水库蓄水初期，洮河坝前淤积面较低，洮河入库沙量基本淤积在洮河及坝前段，沙坝不明显或增长较慢，如1971—1972年共来沙2 699万t(见表1)，淤积2 250万m3，其中洮河淤积653万m3，坝前段(黄0～黄3)淤积70万m3，黄3～黄9-1淤积1 530万m3，分别占2 a总淤积的29%、3%、68%。1973年洮河入库泥沙较多，为5 229万t，当年汛期未能及时开启泄水道排沙，排沙约1 480万t，大量泥沙过机，同时也使得坝前(黄1)淤积面迅速抬高，干流坝前沙坝逐步形成雏形。之后，沙坝高程不断抬升。1976年和1979年来沙分别为3 819万t和6 531万t，2 a排沙也较大，分别为2 270万t、3 470万t，与其他年份相比，当年沙坝抬升并不是太大。1981年和1988年进行过低水位拉沙，虽然当年来沙不少，但沙坝抬升幅度不大。

表1 部分年各站沙量对比 /万t

3.2 支流淤积形态对沙坝的影响

受刘家峡水库蓄水影响，1971年洮河淤积纵剖面呈现明显的三角洲淤积形态见图6。1971年三角洲顶点位于洮6断面(TH06)，距洮河口8.4 km(距坝9.9 km)，高程1 701.41 m。淤积三角洲顶点高程取决于水库运用水位及洮河来水来沙条件。由于泥沙主要来自汛期，因此，三角洲顶点淤积位置主要受汛期运用水位的影响。1981年三角洲顶点位于洮4断面(TH04)，距洮河口3.7 km(距坝5.2 km)，顶点高程1 705.15 m，1983年位于洮3断面(TH03)，距洮河口2.6 km(距坝4.1 km)，顶点高程1 710.90 m。随着泥沙淤积逐渐发展，总的趋势是三角洲顶点逐渐向坝前推进，顶点高程逐渐抬升。

图6 洮河淤积纵剖面(深泓点)图

坝前沙坝变化过程与洮河淤积三角洲淤积形态变化有较好的同步性，沙坝高程与洮河三角洲顶点高程关系见图7。随着洮河淤积三角洲向坝前推进，前坡段迅速淤积抬升，三角洲顶点不断抬升，干流坝前沙坝也随之抬升。坝前运用水位较高时，洮河泥沙主要淤积在洮河库区上段，坝前沙坝抬升也较慢。

图7 沙坝高程与洮河三角洲顶点高程关系图

3.3 水库调度对沙坝的影响

洮河泥沙主要来自汛期几次沙峰，汛期沙峰极易形成异重流入汇干流，异重流属于超饱和输沙，沿程淤积。汛期沙峰在形成异重流以及异重流向坝前运行速度、泥沙落淤等与运行水位密切相关。

图8点绘了沙坝抬升高度与7—9月平均水位关系。可以得出，除个别年份由于入库沙量等特殊原因外，沙坝抬升高度与7—9月坝前平均水位呈负相关关系。即，水位越低，沙坝抬升高度越大；水位越高，沙坝抬升高度越小。分析发现，汛期水位较低时，支流洮河回水较短，含沙水流很快运行至坝前(干流库区)，泥沙主要淤积在干流，坝前拦门沙淤积速度相对较大；如1988年之前，水库最低水位基本在1 695.00～1 710.00 m之间变化，汛期水位相对也较低，水库运用至1988年，拦门沙高程迅速抬升至1 699.99 m，抬升38.83 m。汛期水库高水位运用时，支流洮河回水较长，含沙水流在向坝前运行的过程中沿程落淤，入汇干流泥沙较少，坝前拦门沙淤积速度相对较缓，这一点从1989以后水库运用也可以得到。1989年以后，7—9月运用水位较高，沙坝高程变化较小。

图8 沙坝抬升高度与7—9月平均运用水位关系图

需要说明的是，虽然1974、1980-1982、1988年运用水位不高，但沙坝抬升较小，这主要是因为1974、1980、1982年洮河来沙较少，其中1980年来沙仅820万t；1981年和1988年主要是进行了低水位拉沙运用。1981年和1988年水库低水位拉沙运用说明，在来沙较大的年份，开展低水位拉沙运用能够有效减小拦门沙坝抬升速度。

3.4 沙坝对水沙和水库调度的响应机制

由前面分析可以得到，支流倒灌进入干流形成沙坝与干支流水沙条件、边界条件、水库运用等因素有关，不同因素影响程度不同。根据实测资料，通过多元线性拟合得到沙坝抬升高度与干支流来水来沙条件、水库调度等因素关系：

(1)

式中:hL为沙坝历年抬升高度，m;ΔH为刘家峡水库运用年最高水位与平均水位差,m；WsH为红旗站来沙，亿t；WH为红旗站来水量，亿m3；LT为洮河淤积三角洲顶点距坝里程，km；WsX为循化站来沙量，亿t；WX为循化站来水量，亿m3。A为常数，取8.25×1016，沙坝抬升高度计算值与实测值对比见图9。

图9 沙坝抬升高度实测值与公式(1)计算值对比图

由于洮河三角洲顶点发展与水库运用水位及洮河来水来沙密切相关，不考虑水库水位变化及洮河三角洲顶点距坝里程的变化，只考虑干、支流来水来沙条件，通过多元线性拟合得到：

(2)

式中:hL为沙坝历年抬升高度，m；WsH为为红旗站来沙，亿t；WH为红旗站来水量，亿m3；WsX为循化站来沙量，亿t；WX为循化站来水量，亿m3。A为常数，取9.12×1012，沙坝抬升高度计算值与实测值对比见图10。

图10 沙坝抬升高度实测值与公式(2)计算值对比图

4 结 论

(1)刘家峡水库坝前拦门沙坝的形成与支流水沙条件、支流淤积形态及水库调度等因素有关。

(2) 随着入库沙量增大，库区淤积增大，拦门沙坝抬升幅度增加。

(3) 随着汛期运用水位抬升，支流洮河回水长度增加，洮河入库泥沙主要淤积在洮河内部，干流淤积较少，坝前拦门沙抬升幅度也随之减小。

(4) 随着洮河淤积三角洲向坝前推进，前坡段迅速淤积抬升，干流坝前沙坝也随之抬升。通过多元回归得到沙坝抬升高度与入库水沙关系。结合入库水沙情况及库区地形，尤其是洮河，通过调度能够减缓水库坝前拦门沙坝抬升速度。

随着人类活动对黄河流域的影响日益显著，研究黄河干支流拦门沙坎的时空变化及其冲淤演变规律，对预测拦门沙坎未来演变趋势，提高水库调度水平具有重要的理论和现实意义。