万家寨库区冲淤演变特征分析

侯素珍，胡 恬，杨 飞

（1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003； 2.水利部黄河泥沙重点实验室，河南 郑州 450003）

1 引 言

万家寨水利枢纽工程位于黄河北干流托克托至龙口河段峡谷内，坝址左岸为山西省偏关县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗，工程主要任务是供水结合发电调峰，兼有防洪、防凌作用。 坝址上距头道拐水文站130 km，控制流域面积为39.5 万km2，水库总库容为8.96 亿m3，调节库容为4.45 亿m3，最高蓄水位为980.00 m，正常蓄水位为977.00 m，校核洪水位为 979.10 m，汛限水位为966.00 m，最低发电水位为952.00 m，水库采用“蓄清排浑”运用方式，排沙期运用水位为 952.00 ～957.00 m［1］。水库整体处于峡谷地带，平面形态狭长弯曲，沿程有杨家川、黑岱沟、龙王沟以及浑河4 条支流汇入。 1998年10月水库投入运用后，库区淤积、库容减少［2］，调节库容小于设计值；2011年后采取排沙运用方式，入库水量偏枯，排沙量有限，淤积继续发展；2018—2019年黄河上游来水偏丰，水库降低水位进行冲沙运用，部分库容得以恢复。 库区冲淤及库容变化规律与水库的蓄水排沙运用方式直接相关。 已有大量学者对水库排沙方式进行研究，总结了不同排沙方式的排沙经验公式［3-8］。 任红俊等［1］、程立军等［2］对万家寨水库运用初期的泥沙淤积及三角洲淤积形态进行了深入分析。 然而，2011年水库排沙运用后库区冲淤过程和河床形态发生调整，对防洪库容产生了较大影响，目前仍缺乏对库区淤积形态变化的系统研究。 本文以万家寨水库进出库水沙资料和库区淤积资料为基础，针对库区冲淤量的时空分布、淤积形态的变化特征及其对库容的影响展开研究，以期为万家寨水库今后的排沙调度以及运用管理提供科学参考。

2 水库运用及排沙过程

万家寨水库非汛期蓄水运用，上游来沙基本淤积在库内，汛期7月16 日—10月15 日按库水位不超过汛限水位966.00 m 运用。 8—9月为排沙期，水库保持低水位运用，入库流量小于800 m3／s 时库水位控制在952.00～957.00 m 进行发电调峰运用；入库流量大于800 m3／s 时库水位保持在952.00 m 运用；当水库淤积严重难以保持日调节库容时，在入库流量大于1 000 m3／s的情况下，库水位短期降至948.00 m 进行冲沙运用。万家寨水库实际运用过程分为2 个阶段：2010年以前水库以拦沙运用为主，汛期平均运用水位为965.82 m，最低运用水位为954.94 m；2011年以后水库以排沙运用为主，汛期平均运用水位为960.41 m，最低运用水位为923.38 m。

1999—2010年多年平均入库水量、沙量分别为151.5亿 m3、0.415 亿 t，多年平均出库沙量仅 0.105 亿 t，排沙比为25%；2011—2017年多年平均入库水量、沙量分别为 173.6 亿 m3、0.384 亿 t，多年平均出库沙量为0.260 亿 t，排沙比为 68%；2018—2019年水量丰沛，年均入库水量、沙量分别为 331.3 亿 m3、1.200 亿 t，年均出库沙量为1.681 亿t，排沙比达140%。 1999—2019年万家寨水库排沙过程见图1，2011年以前水库排沙主要在非汛期，2000年凌汛期水库最低水位降至930.00 m进行排沙；2007—2010年桃汛期水库进行补水运用，最低水位降至952.00 m 进行排沙。 2011年以后水库排沙主要在汛期，每年8—9月水库最低水位降至952.00 m 以下进行排沙。 2015—2017年入库流量较小，排沙量很小。 2018年和2019年入库流量较大，水库水位降至948.00 m，短时间泄洪冲沙，汛期排沙量分别达2.072亿、1.200亿t，排沙比分别为276%、116%。

图1 1999—2019年万家寨水库出库沙量

3 库区冲淤量的时空分布

3.1 冲淤发展过程

由万家寨库区断面测验资料可知，自水库开始运用至 2019年 10月累计淤积量为 3.330 亿 m3，2016年汛后淤积量最大（为4.679 亿m3）。 期间水库经历了连续淤积和冲刷过程，2013年之前水库均表现为泥沙淤积，2006年淤积量最大（为 0.649 亿 m3）；2014年之后水库以冲刷为主，年际间冲淤交替，2018年冲刷量最大（为 1.378 亿 m3）。

万家寨库区历年冲淤过程见图2。

图2 万家寨库区历年冲淤过程

从年内冲淤分布来看，水库非汛期以泥沙淤积为主，多年平均淤积量为 0.090 亿 m3。 1999—2002年水库运用水位较低，非汛期没有发生淤积；2006年开展桃汛洪水冲刷降低潼关高程试验后，水库降低水位进行补水运用；2007—2010年水库最低水位降至952 m进行排沙，该时段非汛期总体表现为冲刷，淤积量减小。 水库汛期分为泥沙淤积和冲刷2 个阶段：2010年以前水库表现为泥沙淤积，多年平均淤积量为0.278亿m3；2011年后注重水库排沙使淤积量减小，多数年份水库表现为冲刷，汛期多年平均冲刷量为0.254亿m3，2018年汛期冲刷量最大（为 1.573 亿 m3）。

从干支流冲淤分布来看，水库淤积总量为3.330亿m3，支流淤积量仅0.117 亿m3，对万家寨库区泥沙淤积或有效库容的影响较小。

3.2 沿程冲淤量分布

采用断面法统计万家寨水库沿程冲淤量分布，见图3（以水库建成前1997年冲淤量数据为初始数据），其分段冲淤量及占比见表1。 可以看出，自万家寨水库运用至2019年汛后，库区淤积总量沿程总体呈下多上少的特征，WD42 断面以下（距坝址约41 km 以内）淤积量占库区淤积总量的 94.66%；WD42 断面—WD54 断面淤积量较小，占库区淤积总量的4.98%；WD54 断面—WD64 断面年际间有冲有淤；WD64 断面—WD72 断面表现为冲刷。

图3 不同时段万家寨水库沿程冲淤量分布

表1 万家寨水库分段冲淤量及占比

根据水库排沙运用以及年内冲淤变化将水库冲淤过程分3 个阶段。 第一阶段：2010年之前水库进行拦沙运用，库区累计淤积，淤积末端约在WD58 断面，91.2%的淤积量集中在WD42 断面以下，WD54 断面—WD64断面表现为微冲，WD64 断面—WD74 断面表现为微淤。第二阶段：2011—2017年8月、9月水库降低水位排沙运用，库区冲淤分布发生较大变化，呈上冲下淤的特征，WD23 断面以下表现为淤积，淤积量为0.523 亿 m3，WD23 断面—WD54 断面表现为冲刷，冲刷量为0.145亿m3，WD56 断面以上库区以淤积为主。 第三阶段：2018—2019年水库降低水位冲沙运用，库区整体表现为冲刷，沿程淤积分布呈下多上少的特征，WD42 断面以下冲刷量为1.185 亿m3（占该时段库区冲刷总量的91.0%），WD42 断面—WD54 断面冲刷量为0.104 亿 m3（占该时段库区冲刷总量的8.0%）。

从不同河段来看，WD42 断面以下受水库运用和入库沙量的影响，该河段是蓄水淤积和降水冲刷的集中河段；WD42 断面—WD54 断面为过渡河段；WD54断面以上河段有冲有淤，但沿程变化特征基本不受水库蓄水后溯源淤积的影响，主要取决于入库水沙过程。

3.3 不同高程区间的库区冲淤量及库容变化

不同高程区间的库区冲淤量随来水来沙特性和水库运用方式的变化而变化，把库区冲淤过程分为3 个时段，各时段的库区冲淤量见图4，库容淤积比见图5。1997年 7月—2010年 9月为库区淤积阶段，980 m 高程以下库区淤积总量为4.114 亿m3，966 m 高程以下库区淤积量占淤积总量的93.2%，不同高程区间库区库容淤损率为43%～83%，高程越低库容损失率越大。2010年9月—2017年10月汛期水库排沙运用，入库流量较小使库区继续淤积，948 m 高程以下库区淤积量占淤积总量的76%，948 ～957 m 高程区间库区有少量淤积，957 m 高程以上库区有冲有淤。 2018年和2019年汛期入库流量为1 000 m3／s 的持续时间长，水库降低水位冲沙运用，各高程区间库区均发生不同程度的冲刷，2018年和2019年980 m 高程以下库区冲刷总量为1.365亿m3，其中966 m 高程以下库区冲刷量占冲刷总量的92.3%。 从库容淤积比变化来看，948 m高程以下库容恢复21.85%，948～952 m 高程区间库容恢复33.84%，发电最低水位952 m 至汛限水位966 m库容恢复20.2%，966 ～977 m 高程区间库容仅恢复3.7%，正常蓄水位977 m 以上库尾段水库运用以来为冲刷状态。

图4 不同高程区间的库区冲淤量

图5 不同高程区间的库区库容淤积比

综上，从沿程冲淤分布来看，WD42 断面以下是库区淤积的主要位置，WD54 断面以上库区冲淤量变幅很小，基本不受水库运用的影响。 从分级高程的库区淤积量及库容变化来看，977 m 高程以上库区以冲刷为主，966 m高程以下库区淤积集中，降水冲刷时库容恢复率相对较高。 从历年冲淤过程来看，2018年和2019年降低水位排沙运用可以冲刷库区淤积泥沙，恢复部分有效库容，因此加强降水冲沙调度是维持万家寨水库防洪库容的有效运用方式。

4 淤积形态变化

4.1 淤积纵剖面变化

水库蓄水后水位升高，含沙水流自天然河道进入水库后，水库回水顶托作用使水流受阻，挟沙水流处于过饱和状态，在回水末端附近很快落淤，淤积体纵向发展和形态特征主要取决于入库水沙特性、水库运用水位等。

万家寨水库运用初期水位逐渐升高，库区泥沙呈带状淤积，随着回水变动区落淤量的增大，形成三角洲淤积体并向坝前发展。 根据库区深泓高程的变化，将淤积发展过程分3 个阶段。 第一阶段（1999—2009年）是三角洲形成及发展阶段（见图6（a）），到2003年形成明显的三角洲淤积形态，三角洲顶点位置距坝址约30 km；随着淤积不断发展，三角洲向坝前推进，顶坡段淤积抬高，到2009年三角洲顶点距坝址约14 km，上游淤积末端距坝址55 km（WD54 断面），顶坡段部分河段的河床深泓高程已经高于坝前淤积平衡后的河底高程，影响水库调节库容。 第二阶段（2010—2013年）前坡段继续向坝前推进（见图6（a）），顶坡段冲刷调整。2011年后注重水库排沙运用，8月、9月运用水位下降，顶坡段洲面高程降低，但三角洲顶点继续向坝前推进，到2013年10月三角洲顶点距坝址仅约3.9 km。第三阶段（2014年后）三角洲前坡段冲刷调整（见图6（b）），顶点位置后退，顶坡段淤积抬升。 2018年汛期水库较长时间低水位运行，库区冲刷量大，冲刷后深泓点高程大幅度降低，最大降幅约20 m（WD8 断面—WD14 断面），距坝址37 km（WD38 断面）以下深泓点高程降幅均超过10 m，向上游深泓高程降幅逐渐减小，距坝址58 km（WD58 断面）以上平均下降0.6 m，三角洲形态较不明显。 2018年10月河底平均比降为7.4‰，较2013年汛后顶坡面比降（2.2‰）显著增大，距坝址14 km以内河段深泓高程基本恢复到2006年开展桃汛试验初期的深泓高程，坝前690 m 范围河床呈小漏斗形态，距坝址14 km 以上河段冲刷后深泓高程更低。2019年汛后深泓高程有所抬升，距坝址6～43 km 平均抬升2.6 m，万家寨水库淤积纵剖面形态总体没有发生变化。

图6 库区深泓高程变化

从历年深泓高程变化情况来看，自水库运用至2009年淤积抬升发展到WD54 断面附近，之后冲淤调整向下发展，没有出现淤积上延和“翘尾巴”现象。

三角洲的形成和发展与库区淤积程度密切相关，2017年之前汛后三角洲发展特征与库区累计淤积量的关系见图7。

图7 三角洲发展特征与累计淤积量的关系

由图7 可以看出，随着库区累计淤积量的增加，三角洲顶点不断向坝前推进，累计淤积量约4.5 亿t 时三角洲顶点距坝址5～12 km。 三角洲顶点高程在水库运用初期逐渐抬升，累计淤积量为2 亿t 以上时，随着累计淤积量增大和三角洲向坝前推进，三角洲顶点高程下降。 2018年水库汛期冲刷量为1.573 亿m3，三角洲形态调整不明显。

4.2 横断面冲淤调整

库区淤积过程中不同时期的横断面形态变化过程有一定差异。 在水库运用以来连续淤积时段内，河床淤积面水平抬升，WD42 断面以下均具有这种特征；在排沙时段内河床冲刷形成河槽，河床淤积面基本呈水平下降，中间段形成高滩深槽，滩地冲刷难度大，库尾段河槽形态基本不变。

典型断面的变化过程见图 8。 2013年汛后到2014年汛前WD4 断面为三角洲顶点位置，淤积面最高，该断面以下的前坡段河床淤积面水平抬高，冲刷期床面基本平行下降并可以发展到整个河宽。 WD6 断面—WD42 断面间河段在连续淤积期河床淤积面基本平行抬升，在冲刷过程中形成包含主槽和滩地的断面形态，河槽形态由 U 形演变成 V 形，河宽缩窄。 从2006年凌汛期排沙开始到2013年三角洲继续发展，滩面淤高，主槽位置稳定；2018年汛期冲刷后，多数断面冲深展宽，至2019年汛后基本维持稳定，如典型断面WD11 表现出这种特征。 WD43 断面—WD54 断面受蓄水和弯曲性河道形态的影响，凸岸不断淤积抬升、凹岸维持主槽，或两岸淤积、河宽缩窄，如典型断面WD44 表现出这种特征。 水库运用以来WD55 断面以上原始河槽形态基本维持不变，年际间有冲淤调整，总体没有累计淤积，基本不受水库运用方式影响，如典型断面WD56 表现出这种特征。

图8 典型断面变化过程

5 结 论

万家寨水库自1998年运用以来，库区经历了淤积发展和冲刷调整过程。 根据断面地形资料对万家寨库区冲淤演变特征进行分析，得出以下结论。

（1）截至2019年10月全库区累计淤积3.330 亿 m3，非汛期多为淤积过程，汛期由淤积转变为冲刷。 从水库沿程冲淤量分布来看，94.66%的淤积量集中在WD42 断面（距坝址约41 km）以下，WD54 断面以上河段有冲有淤，但沿程变化特征基本不受水库蓄水后溯源淤积的影响，主要取决于入库水沙过程。 从分级高程的淤积量及库容变化来看，汛限水位966 m 以下库区淤积量占淤积总量的93.2%，977 ～980 m 水位之间库区总体表现为冲刷。 2018年和2019年受汛期降低水位、冲沙运用的影响，河床淤积面沿程普遍发生冲刷，冲刷集中在WD42 断面以下和966 m 高程以下。

（2）库区干流纵剖面呈三角洲淤积形态，1999—2009年为三角洲形成及发展阶段，顶坡段接近淤积平衡剖面高程；2010—2013年三角洲顶点继续向坝前推进，顶坡段洲面高程冲刷降低；2014年开始三角洲顶点后退，2018年冲刷后三角洲形态消失。 横断面多表现为水平淤积抬升，冲刷后断面形态由U 形演变成V形，形成高滩深槽。

（3）从淤积发展过程来看，WD54 断面以上年际间发生冲淤调整，没有产生累计淤积，淤积末端基本稳定，万家寨库区不存在“翘尾巴”现象。