小浪底水库对接时机与对接水位的库区调控效应

杨飞 王若水 王远见 江恩慧

关键词：对接时机；对接水位；水沙调控；小浪底水库；三门峡水库

0引言

水沙调控是黄河水沙关系调节的关键手段。胡春宏等认为未来黄河来水来沙量是制定水沙调控策略的关键基础，并提出了完善水沙调控工程体系、滩区协同、黄土高原分区分类水土保持的策略。赵连军等采用实测资料分析得出水沙调控的调度效果并给出了下游滩槽协同治理的思路。王远见等提出并论证了黄河流域全河水沙调控的模式，分析了实际水库调度对水沙过程的影响。水库群联合调度是实现流域尺度水沙调控的途径，李国英等认为干流水库群水沙联合调度是黄河调水调沙3种基本模式之一。水库水沙联合调度模型与一般调度模型的差异在于是否考虑泥沙的冲淤计算，包为民等采用异重流总流微分模型建立了三门峡水库水沙联合调度模型，吴巍等将一维水库水沙数学模型与优化理论结合构建了多沙河流供水水库水沙联合优化调度模型，彭杨等采用一维水库水沙数学模型构建了梯级水库水沙联合优化调度多目标决策模型，谈广鸣等运用动态规划方法建立了基于水库一河道耦合关系的水库多目标优化调度数学模型，Wang等采用博弈论建立了黄河流域主要水库多利益主体的水沙调控合作博弈模型。采用经验公式可以大大简化冲淤计算，Chen等从简化冲淤计算角度，采用水库排沙效率经验公式，建立了三门峡小浪底联合水沙调控的优化调度模型：白涛等采用河道断面水沙关系计算沙漠宽谷河段输沙量，建立黄河上游水沙调控多目标调度模型。排沙运用是多沙河流水库可持续利用的主要手段，而在水库水沙联合调度模型框架下的泥沙计算日寸空尺度比较大，难以分辨排沙运用中水库间水沙的精细对接过程。水库与上游水沙的对接时机与对接水位能够明显影响水库的排沙效果，目前围绕三门峡、小浪底等单一水库的排沙研究较多，而对于水库的对接时机与对接水位研究较少。李昆鹏等提出小浪底水库对接水位接近或低于淤积三角洲顶点高程，與三门峡水库大流量下泄过程相对应时，可提高冲刷型异重流的排沙效果。

本文选择小浪底水库开展调水调沙期水沙调控效应计算，通过设计三门峡水库与小浪底水库的对接时机和对接水位，量化两库联合调控时对接水位与对接时机对排沙效果的影响。

1计算方法与算例设置

研究方法采用一维水沙数学模型，水动力计算采用考虑支流人汇影响的一维圣维南方程，包括水流连续方程、水流运动方程，泥沙运动只考虑悬移质，通过悬移质不平衡输沙方程确定泥沙浓度，通过河床变形方程计算冲淤量。水流挟沙力采用张红武挟沙力公式计算，模型计算不考虑异重流影响，支流库容只考虑水量交换。模型采用HLL格式进行数值离散求解。水流泥沙过程数值求解为非耦合方式，即先联立水流连续方程、水流运动方程求解各断面的水力要素（断面流量、水位等），再利用泥沙连续方程和河床变形方程求解断面平均含沙量以及河床冲淤体积。以小浪底水库2023年汛前地形为基础，选择2023年汛前调水调沙期小浪底库区冲淤情况进行验证，按照实际调度的三门峡站水沙过程、库水位设置控制条件（见图1），小浪底出库输沙率验证结果如图2所示，计算的出库输沙率过程线和输沙总量与小浪底站实测值基本一致，说明模型可以用于调水调沙期的水库冲淤量计算。

把按照设计的三门峡水库与小浪底水库对接时机和对接水位计算得到的库区冲淤变化情况作为两库的水沙调控效应。这里的对接水位是指小浪底水库泄水后的最终水位，对接时机采用三门峡水库相对起泄时间表示，用三门峡水库开始泄水时间与小浪底水库水位降至对接水位的时间的时差进行计算。2023年7月7日2时小浪底水库水位降至对接水位216.44m，三门峡水库自7月6日18时起按2000m3/S下泄，则三门峡水库相对起泄时间为-8h。本次计算不考虑三门峡上游水库泄水，假定调水调沙期间三门峡水库入库流量为300m3/S，水位从318m下降至305m，出库水量5.5亿m3，设定泄水时出库流量为1200m3/S。小浪底水库水位从254m开始下降，设定小浪底水库泄水时出库流量为4000m3/S。分析对接水位时，固定三门峡水库泄流时间和出库流量过程（见图3），选取从235m至210m范围内间隔Sm的6种不同的小浪底水库对接水位进行库区冲淤量计算。分析两库对接时机时，固定小浪底水库泄流出库的水位和流量过程（忽略三门峡水库人流过程对小浪底库水位的影响），保持三门峡出库流量量级不变，调整三门峡泄流的起始时间实现对接时机的调整，选取从0d至8d内间隔0.5d的17种对接时机进行库区冲淤计算，此时小浪底水库的对接水位接近215m，与小浪底实际对接水位接近。

2结果分析

采用小浪底水库一维水沙数学模型进行不同对接水位的水库冲淤量模拟计算，所有对接水位算例的水库初始水位和到达对接水位前的库水位下降过程一致，230m和215m对接水位的小浪底水库出库流量过程如图4所示，230m对接水位是在库水位降至230m后库水位保持不变，进出库平衡：215m对接水位则水位更低，出库流量4000m3/S历时更长。

模型计算的水库冲刷量如图5所示，随着对接水位的降低，库区冲刷量逐渐增加。对接水位降低使得库区j角洲洲面段逐渐摆脱库水位的壅水影响，输沙流态从倾向淤积的明流壅水输沙流态变为倾向冲刷河床的均匀明流输沙流态。上游三门峡水库5.5亿m3的蓄水量，通过改变对接水位，可以使得小浪底库区冲刷量从0.01亿m3增加到0.25亿m3。本次模型计算的库区冲刷是随着对接水位降低的渐变过程，这与库区淤积形态关系密切。

相同对接水位下不同对接时机的水库冲刷量如图6所示，随着对接时机的推迟，库区冲刷量呈现先增加后减少的趋势。对接时机过早时，三门峡水库前期下泄的水流进入小浪底库区，小浪底水库的水位很高，靠近大坝的部分三角洲洲面段受到壅水影响，对水流冲刷产生不利影响，因而随着对接时机的延后，库区冲刷量逐渐增加。同时，三门峡水库下泄水流会与小浪底库区支流泄水发生叠加，使得小浪底水库出库大流量过程得到延长，有利于库区冲刷。对接时机过晚时，随着小浪底库区自身蓄水的泄出，三门峡水库下泄水流失去了与存蓄水量的叠加作用，使得这部分水量与小浪底前期泄流出库过程明显脱节（见图7），库区冲刷量也相应减少，因而随着对接时机的继续延后，库区冲刷量有所减少。

3结论

以2023年汛前调水调沙时期为例分析了三门峡、小浪底水库不同对接时机与对接水位的小浪底水库进出库水沙过程，量化了两库间不同对接时机与对接水位的水沙调控效应，得到的主要结论如下：虽然三门峡水库自身蓄水量较小、调水能力有限，但通过改变三门峡泄流出库时机，产生的小浪底库区冲刷效果差异较大：随着小浪底水库对接水位的降低，小浪底库区冲刷量逐渐增加：随着三门峡水库相对起泄时间的推迟，库区冲刷量呈现先增加后减少的趋势。