小浪底水庫(kù)支流攔門沙成因分析

□張心娜（黃河小浪底水資源投資有限公司）

小浪底水庫(kù)支流攔門沙成因分析

□張心娜（黃河小浪底水資源投資有限公司）

攔門沙問(wèn)題是水庫(kù)運(yùn)用常見(jiàn)的問(wèn)題也是難題，文章通過(guò)對(duì)小浪底水庫(kù)多年實(shí)測(cè)和實(shí)體模型開(kāi)展水庫(kù)攔沙后期運(yùn)用方式長(zhǎng)系列年試驗(yàn)研究，對(duì)小浪底支流攔門沙成因進(jìn)行了分析，提供了研究成果，明確了支流攔門沙變化趨態(tài)，提出了小浪底水庫(kù)攔門沙今后處理措施：利用自然力量，通過(guò)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度方式塑造有利的水沙條件和淤積形態(tài)，消減支流攔門沙副作用，同時(shí)建議將水庫(kù)調(diào)度方式優(yōu)化作為今后研究重點(diǎn)，強(qiáng)化研究，提出可控性且可操作性強(qiáng)的泄水方式。

小浪底水庫(kù)；支流攔門沙模型試驗(yàn)；響應(yīng)關(guān)系非工程措施

1 小浪底水庫(kù)概況

小浪底水庫(kù)為峽谷型水庫(kù)，平面形態(tài)上窄下寬。根據(jù)平面形態(tài)可劃分為兩段，上段自三門峽水文站至HH37斷面，長(zhǎng)60.92 km、河谷底寬200～400 m；下段長(zhǎng)62.49 km、河谷底寬800～1400 m、其中距大壩27～31 km之間河谷寬僅300 m左右。庫(kù)區(qū)支流原始庫(kù)容＞1億m3的有11條，均分布在水庫(kù)下段，水庫(kù)正常蓄水位275 m。

2 實(shí)體模型選用及試驗(yàn)條件

小浪底水庫(kù)實(shí)體模型模擬范圍自三門峽水文站至小浪底大壩約124 km庫(kù)段，覆蓋了100%的干流庫(kù)容與支流大部分庫(kù)容。模型水平比尺1：300，垂直比尺1：60,變率5，模型糙率比尺1：0.88，沉速比尺1∶1.34，含沙量比尺1∶1.50，時(shí)間比尺1∶44.90。模型沙選用鄭州熱電廠粉煤灰。模型設(shè)計(jì)采用的相似條件包括水流重力相似、阻力相似、挾沙相似、泥沙懸移相似、河床變形相似、泥沙起動(dòng)及揚(yáng)動(dòng)相似，同時(shí)考慮異重流運(yùn)動(dòng)相似，即異重流發(fā)生(或潛入)相似、異重流挾沙相似及異重流連續(xù)相似。研究使用的小浪底水庫(kù)模型曾進(jìn)行了水庫(kù)攔沙初期調(diào)度方式研究和黃河調(diào)水調(diào)沙模型試驗(yàn)研究，實(shí)踐證明實(shí)用準(zhǔn)確。

研究采用的來(lái)水來(lái)沙條件暫采用小浪底入庫(kù)站資料，實(shí)際上由于沿程調(diào)整，在每條支流口的水沙條件會(huì)與入庫(kù)有不同幅度的差別。水沙條件采用2020年水平1960—1976年共17個(gè)年份設(shè)計(jì)系列。水庫(kù)調(diào)度方式為“多年調(diào)節(jié)泥沙,相機(jī)降水沖刷運(yùn)用方式。

3 支流攔門沙成因分析方法

通過(guò)實(shí)體模型試驗(yàn)，根據(jù)水庫(kù)“多年調(diào)節(jié)泥沙，相機(jī)降水沖刷”運(yùn)用方式，采用水庫(kù)攔沙后期運(yùn)用方式研究長(zhǎng)系列年模型試驗(yàn)對(duì)攔門沙各影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析，提出支流攔門沙影響機(jī)理。因篇幅原因，對(duì)具體研究過(guò)程不在贅述，僅提供研究成果，圖示也僅選取具有代表性的支流畛水河顯示。

4 支流攔門沙與來(lái)水來(lái)沙的響應(yīng)關(guān)系

4.1 支流淤積量隨來(lái)水來(lái)沙條件的響應(yīng)關(guān)系

支流年淤積量具有隨年來(lái)水來(lái)沙量的增大而增加的趨勢(shì)，但在在水量豐沛的年份，水庫(kù)調(diào)度往往會(huì)相機(jī)降水沖刷，在洪水期干流不僅不向支流倒灌，而且還會(huì)引起支流口門的沖刷。小浪底水庫(kù)攔沙后期模型試驗(yàn)支流淤積量與干流來(lái)水關(guān)系見(jiàn)圖1。

4.2 支流攔門沙坎高度變化值隨干流來(lái)水來(lái)沙條件的響應(yīng)

支流攔門沙坎高度年度變化值總體表現(xiàn)為隨年干流來(lái)水來(lái)沙量的增大而增加的趨勢(shì)，但因支流所處的邊界條件不同，攔門沙坎高度變化過(guò)程不同，之后趨于相對(duì)穩(wěn)定，只隨來(lái)水來(lái)沙大小略有調(diào)整。小浪底水庫(kù)攔沙后期支流攔門沙坎高度變化值與干流來(lái)沙關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 小浪底水庫(kù)攔沙后期模型試驗(yàn)支流淤積量、攔門沙坎高度變化值與干流來(lái)水來(lái)沙關(guān)系圖

5 支流攔門沙與干流淤積形態(tài)的響應(yīng)

支流相當(dāng)于干流河床的橫向延伸，隨干流灘面的抬高，支流溝口淤積面同步上升。隨著庫(kù)區(qū)淤積，三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn)，支流攔門沙坎高度變化會(huì)受干流這種比降調(diào)整的影響，經(jīng)歷一個(gè)先由?。ㄈ侵蕻愔亓饔俜e段）逐漸變大（三角洲前坡段）再變?。ㄈ侵揄斊露危┎②呌诜€(wěn)定的過(guò)程。支流口門干流灘面淤積厚度增加較快時(shí)，攔門沙坎高度增加也較快。支流攔門沙坎高度變化值與支流溝口干流灘面高程變化值關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 支流攔門沙坎高度變化值與支流溝口干流灘面高程變化值關(guān)系圖

6 支流攔門沙與干流輸沙流態(tài)的響應(yīng)

與干流比降變化相一致，在異重流倒灌后期和明流倒灌初期，即在支流溝口干流位于三角洲前坡段至三角洲頂點(diǎn)推進(jìn)到支流下游的一段時(shí)間（過(guò)渡期），支流攔門沙坎抬升迅速。在水庫(kù)三角洲頂點(diǎn)推過(guò)支流口門后，相同水沙搭配條件下，明流倒灌情況下河底高程抬升值總體大于異重流的抬升值。支流不同流態(tài)倒灌時(shí)攔門沙坎高度變化值與溝口干流灘面高程變化值關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 支流不同流態(tài)倒灌時(shí)攔門沙坎高度變化值與溝口干流灘面高程變化值關(guān)系圖

7 結(jié)論及建議

7.1 小浪底庫(kù)區(qū)支流淤積主要為干流來(lái)沙倒灌所致。支流相當(dāng)于干流河床的橫向延伸，隨干流灘面的抬高，支流溝口淤積面同步上升，支流攔門沙坎高度與干流倒灌流態(tài)關(guān)系密切。干流異重流倒灌支流，由于泥沙沿程分選淤積而呈現(xiàn)一定的坡降；當(dāng)干流渾水明流倒灌支流，表現(xiàn)出支流溝口淤積較厚，溝口以上淤積厚度沿程減少，進(jìn)而形成明顯的攔門沙坎，小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)支流攔門沙坎總體呈增加趨勢(shì)。

7.2 建議采用非工程或工程措施，利用自然力量，通過(guò)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度方式塑造有利的水沙條件和淤積形態(tài)，延緩消減支流攔門沙副作用。具體措施包括；一是當(dāng)水庫(kù)形態(tài)指標(biāo)不滿足設(shè)計(jì)調(diào)水調(diào)沙要求時(shí)，增加近壩段排沙機(jī)會(huì)，如在汛末伺機(jī)進(jìn)行一次降水沖刷；二是不增加新的沖刷機(jī)會(huì)，但在執(zhí)行“相機(jī)降水沖刷”指令時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)或拓展（如增加造峰天數(shù)或優(yōu)化控制指標(biāo)等）；三是利用支流來(lái)水與蓄水能量疊加對(duì)攔門沙進(jìn)行沖刷。四是在支流攔門沙處先開(kāi)挖小槽，在口門處預(yù)留適當(dāng)長(zhǎng)度的擋水堰，以保障支流蓄水量。在水庫(kù)控制較低水位時(shí)，清除擋水堰，利用快速釋放的支流蓄水加大對(duì)攔門沙大的沖刷。以上措施的具體效果，建議做進(jìn)一步研究，量化有關(guān)指標(biāo)。

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2016-08-15

（責(zé)任編輯：國(guó)立杰）

張心娜（1982-），女，河南許昌，工程師。