多沙河流水庫“蓄清調(diào)渾”運用方式及其設(shè)計技術(shù)

張金良，胡春宏，劉繼祥

（1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.天津大學(xué)，天津 300072；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

1 研究背景

我國北方水土流失嚴重地區(qū)的多沙河流，水少沙多、輸沙量大、含沙量高，在這些河流上修建水庫，往往帶來大量的泥沙淤積［1-3］。大量的工程實踐表明，泥沙問題［4-5］如果處理不當(dāng)，對工程的影響是全方位的。庫尾泥沙淤積處理不當(dāng)，會造成泥沙淤積末端不斷上延［6］，擴大水庫淤積、淹沒范圍，導(dǎo)致移民和社會問題［7］；庫區(qū)泥沙淤積處理不當(dāng)，會造成水庫有效庫容不斷淤損，導(dǎo)致開發(fā)目標難以實現(xiàn)；壩前泥沙淤積處理不當(dāng)，會造成泄流孔洞淤堵、大壩受力結(jié)構(gòu)變化等，導(dǎo)致安全運行事故頻發(fā)；泄水孔洞防沙避沙處理不當(dāng)，會導(dǎo)致機組或泄流建筑物嚴重磨蝕等。黃河干流的三門峽水庫、鹽鍋峽水庫、青銅峽水庫，支流蒲河的巴家咀水庫和延河的王瑤水庫等大量水庫均因泥沙淤積被迫改建［3］。

為了控制水庫泥沙淤積，長期保持水庫有效庫容，實現(xiàn)水庫開發(fā)目標，我國水利科技工作者圍繞多沙河流水庫設(shè)計和運用進行了長期的探索與實踐，在早期“蓄水?dāng)r沙”運用的基礎(chǔ)上不斷總結(jié)經(jīng)驗，逐漸發(fā)展形成了“蓄清排渾”運用方式［8］，并在實踐中不斷優(yōu)化完善［9-10］，特別是小浪底水庫的成功建設(shè)投運，標志著多沙河流水庫“蓄清排渾”運用方式及其設(shè)計技術(shù)逐步走向成熟［11］。小浪底水庫投入運行之后，開展了黃河調(diào)水調(diào)沙理論研究與實踐［12-15］以及黃河古賢、涇河?xùn)|莊、甘肅馬蓮河等多沙河流水庫規(guī)劃設(shè)計研究［16］，推動了多沙河流水庫運用方式及其設(shè)計技術(shù)逐漸由“蓄清排渾”向“蓄清調(diào)渾”發(fā)展。本文在回顧1950年代以來我國多沙河流水庫設(shè)計和運用技術(shù)發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，詳細闡釋了水庫“蓄清調(diào)渾”運用方式及其設(shè)計技術(shù)的提出，對關(guān)鍵理論技術(shù)進行了系統(tǒng)分析，給出了具體的實踐案例。

2 “蓄清調(diào)渾”運用的提出

泥沙問題是貫穿多沙河流水庫設(shè)計和運用全過程的關(guān)鍵和核心問題［17］。設(shè)計過程中，需要對入庫水沙條件、調(diào)度運用方式、泥沙淤積形態(tài)、有效庫容分布、回水淹沒范圍和樞紐防沙防護等進行深入論證，提出工程建成后可能存在的泥沙問題，分析其帶來的影響，提出解決措施，使庫容規(guī)模、特征水位和泄流排沙等設(shè)計均建立在可靠的基礎(chǔ)上。運用過程中，需要根據(jù)入庫水沙條件、泥沙淤積狀態(tài)和綜合利用需求的變化，研究合適的運用方式。以下按照多沙河流水庫運用方式及其設(shè)計技術(shù)的發(fā)展過程，闡釋“蓄清調(diào)渾”運用方式及其設(shè)計技術(shù)產(chǎn)生的背景和特征。

2.1 “蓄水?dāng)r沙”我國大規(guī)模的水庫建設(shè)始于1950 至1960年代，由于對泥沙問題認識水平有限，該時期多沙河流水庫多參考清水河流水庫，運用方式上多采用“蓄水?dāng)r沙”運用方式，水庫不設(shè)置專門的排沙期，常年蓄水運用，泥沙淤積主要考慮堆積在死庫容內(nèi)［18］，通過預(yù)留一定規(guī)模的堆沙庫容，以庫容換時間，使水庫在一定時間內(nèi)能夠保持足夠的調(diào)節(jié)庫容發(fā)揮效益；設(shè)計上，對排沙考慮較少，一些中小型水庫甚至不設(shè)置專門的排沙設(shè)施。這一時期設(shè)計的水庫使用壽命是有限的，泥沙首先淤滿死庫容，此后則開始淤積有效庫容，直至淤廢喪失原有設(shè)計功能，水庫的壽命是死庫容（或預(yù)留堆沙庫容）淤滿的年限［19］。當(dāng)時也有考慮到泥沙淤積對水庫運用壽命的影響，為了減緩水庫淤積，曾提出在水庫上游加強水土保持、修建攔沙壩等措施減少入庫泥沙，但泥沙處理思路仍局限于“攔”，還沒有提出長期保持有效庫容的設(shè)計理念和要求。

多沙河流的來沙是無限的，庫容是有限的，由于這一時期對泥沙認識水平有限，采用了以“攔”為主的設(shè)計運行思路，被動地通過堆沙庫容“攔”沙換取水庫使用壽命，沒有很好地解決泥沙淤積問題，這一時期修建的水庫泥沙淤積問題嚴重，大量工程被迫改建。根據(jù)1970年代的調(diào)查資料［20］，陜西省192 座水庫總庫容15 億m3，這些水庫規(guī)劃設(shè)計沒有很好地考慮排沙，到1973年底淤積損失庫容4.73 億m3，占總庫容的31.4%，平均每年損失庫容0.3 億m3，有22%的水庫淤滿或者淤廢；山西省43座大中型水庫總庫容為22.3 億m3，到1974年底淤積損失庫容7 億m3，占總庫容的31.5%，平均每年損失庫容0.5 億m3，嚴重地降低了水庫壽命，導(dǎo)致水庫原有開發(fā)功能全部或者部分喪失。典型水庫代表有永定河的官廳水庫、黃河干流的三門峽水庫、蒲河的巴家咀水庫［21］等。

官廳水庫是我國在永定河上修建的第一座大型骨干水庫，工程開發(fā)目標是防洪、供水、發(fā)電、灌溉。水庫設(shè)計時預(yù)留9 億m3作為堆沙庫容，3 億m3作為蓄水庫容，10.7 億m3作為防洪庫容，并計劃在上游流域推行水土保持工作減小泥沙來量，水庫1953年開始興建，1955年正式投運，采用“蓄水?dāng)r沙”的運用方式，泥沙淤積嚴重［22］，至1980年5月水庫共淤積泥沙5.86 億m3，其中死庫容淤積3.99億m3，興利庫容淤積1.17 億m3，防洪庫容淤積0.7 億m3。泥沙淤積，產(chǎn)生水庫防洪標準降低、供水無法保證、庫周淹沒損失擴大，以及影響泄流建筑物的安全和發(fā)電供水質(zhì)量等一系列問題，1985年被迫對工程進行了改建。

三門峽水庫是黃河中游干流上修建的第一座以防洪為主，兼顧防凌、灌溉、發(fā)電、供水等綜合利用的大型水利樞紐工程，水庫原設(shè)計最高洪水位360 m，總庫容646 億m3，設(shè)計防洪庫容100 億m3，原設(shè)計也意識到水庫淤積對水庫使用年限及效益的影響是關(guān)鍵的，考慮水庫保持在1967年水平減沙20%，50年后減沙50%，考慮50年淤積，預(yù)留336 億m3的堆沙庫容，以保證水庫在50 ～ 100年不至于失效［23］。三門峽水庫1957年4月開工，1960年9月下閘運用，初期采用“蓄水?dāng)r沙”運用，水庫淤積嚴重，為解決淤積問題，1962年3月起，水庫汛期閘門全開敞泄運用，只保留防御特大洪水的任務(wù)，但由于泄流規(guī)模不足，當(dāng)發(fā)生大洪水時，水庫“滯洪排沙”，庫區(qū)泥沙仍大量淤積，被迫于1965—1969年和1969—1973年先后兩次對樞紐泄洪排沙設(shè)施進行增建和改建，以擴大泄流能力。三門峽水庫帶來的泥沙淤積問題主要有：（1）水庫淤積末端上延，導(dǎo)致潼關(guān)高程抬升4.5 m，嚴重威脅關(guān)中平原乃至西安市防洪安全；（2）庫容損失嚴重，至1964年汛后，355 m 以下庫容損失44%，導(dǎo)致原設(shè)計防洪、興利效益均受到嚴重影響。為此，水庫進行了兩次改建。

2.2 “蓄清排渾”針對1950年代和1960年代出現(xiàn)的諸多水庫泥沙問題，我國水利工作者逐漸認識到對多沙河流水庫，采用以“攔”為主的設(shè)計運行思路，通過被動攔沙賦予水庫一定的壽命，是不可行的［24］，需要尋求有效庫容長期保持的途徑和方法。早在1964年，唐日長、林一山根據(jù)鬧得海水庫和黑松林水庫成功經(jīng)驗的實質(zhì)提出了水庫有效庫容長期保持的設(shè)想和概念［25］，在三門峽水庫改建前就預(yù)測到通過改建可以實現(xiàn)水庫庫容長期保持，建議在黃河上游或者在類同黃河情況的其他河流上，把正在設(shè)計或施工中的水庫按照長期使用水庫的原則進行設(shè)計或修改設(shè)計。后來韓其為進一步從理論上闡述了水庫長期使用的原理和根據(jù)，并給出了保留庫容的確定方法［3］。與此同時，為了減少水庫淤積，保持水庫有效庫容長期使用，充分發(fā)揮水庫的綜合效益，我國水利科技工作者進行了長期的探索與實踐，針對三門峽水庫的嚴重泥沙淤積問題，通過水庫的改建和運行方式的調(diào)整，創(chuàng)新性地提出了水庫“蓄清排渾”的運行方式，成功解決了三門峽水庫泥沙淤積問題。青銅峽［26-27］、三盛公等水庫淤積的控制從實踐上進一步證明了大型綜合性水庫“蓄清排渾”運用長期保持有效庫容的可行性，逐步形成共識［17］，并探索了水庫淤積最終形成的平衡形態(tài)及計算方法［28］。此后，從規(guī)劃設(shè)計層面繼續(xù)探索了“蓄清排渾”運用方式及其設(shè)計技術(shù)要求，劉繼祥［29］、涂啟華［30］、曹如軒［31］開展了大量工作，并在小浪底水庫樞紐設(shè)計中成功運用，至此，標志著多沙河流水庫“蓄清排渾”運用及設(shè)計技術(shù)基本成熟。

所謂“蓄清排渾”運用，就是從長期保持水庫有效庫容的基本要求出發(fā)，要求水庫死水位具有較大的泄流規(guī)模，同時設(shè)置專門的排沙期，在水庫沖淤平衡形態(tài)上進行庫容配置和回水計算，水庫有效庫容是相應(yīng)于沖淤平衡形態(tài)的庫容。以三門峽水庫改建和小浪底水庫設(shè)計為例，詳細說明“蓄清排渾”運用及設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。

三門峽水庫1962年3月起“滯洪排沙”運用后，由于泄流能力不足，水庫滯洪淤積仍非常嚴重，為此進行改建增加泄流能力。1968年完成了一期泄流建筑物改建，增加了“兩洞四管”，315 m 以下泄流規(guī)模由3804 m3/s 增加到6102 m3/s；1971年完成二期泄流建筑物改建，打開了原施工導(dǎo)流1#—8#導(dǎo)流底孔，315 m 以下泄流規(guī)模進一步增加到9059 m3/s，兩次改建后顯著增加了泄流規(guī)模。在此基礎(chǔ)上，進一步降低汛期運用水位，自1973年汛后，三門峽水庫開始進行“蓄清排渾”運用，汛期平水期控制水位305 m 發(fā)電，來較大洪水時，水庫敞泄排沙運用。1973年11月—1986年10月為豐水平沙時段，水沙條件較為有利，潼關(guān)以下庫區(qū)僅淤積0.70 億m3，年均淤積量為0.054 億m3，潼關(guān)高程基本穩(wěn)定；1986年以后，由于長期來水偏枯，進入庫區(qū)的大流量過程偏少，庫區(qū)呈淤積趨勢，至2002年潼關(guān)以下庫區(qū)累計淤積2.43 億m3，潼關(guān)高程持續(xù)抬升，由327 m 增加到328.5 m 左右。2002年以后，進一步降低運用水位，加大排沙力度，汛期入庫流量大于1500 m3/s 即開始敞泄，由于黃河來沙量大幅減少，而來水量有所增加，有利的水沙條件和調(diào)整優(yōu)化后的水庫運用方式，使得潼關(guān)以下庫區(qū)實現(xiàn)沖刷，累計沖刷泥沙1.82 億m3，潼關(guān)高程持續(xù)抬升的局面得到遏制，維持在328 m 左右。經(jīng)過兩次改建并采用“蓄清排渾”運用之后，三門峽水庫逐漸進入淤積平衡狀態(tài)。從淤積部位和淤積形態(tài)來看，三門峽庫區(qū)距壩80 km 范圍內(nèi)河底平均高程沖淤變化較大，庫區(qū)淤積比降從尾部段至壩前段依次變小，呈多級坡度（見圖1），壩前段淤積比降平均為1.6?，相應(yīng)淤積長度為40.8 km；第二段淤積比降平均為2.1?，相應(yīng)淤積長度為40 km；第三段淤積比降為2.5?，相應(yīng)淤積長度為44.8 km；整個125.6 km 的庫段淤積比降為2.1?。

圖1 三門峽水庫平均河底高程縱剖面

三門峽水庫采用“蓄清排渾”運用方式并通過改建增加泄流規(guī)模，使水庫淤積得到了有效控制，形成了“高灘深槽”沖淤平衡形態(tài)，實現(xiàn)了有效庫容長期保持，為多沙河流水庫規(guī)劃設(shè)計提供了借鑒。小浪底水庫在這一思想指導(dǎo)下，設(shè)計階段考慮防洪減淤等綜合利用需求，將“高灘深槽”沖淤平衡形態(tài)以下75.5 億m3的庫容設(shè)置為攔沙庫容，沖淤平衡形態(tài)以上有效庫容為51 億m3，其中死水位至汛限水位之間設(shè)置的調(diào)水調(diào)沙庫容為10.5 億m3、汛限水位至防洪高水位之間的防洪庫容為40.5 億m3，興利庫容和調(diào)水調(diào)沙庫容及防洪庫容共用，為了實現(xiàn)長期有效庫容保持，水庫設(shè)計死水位泄流規(guī)模達到8000 m3/s，中常洪水條件下不會產(chǎn)生滯洪淤積?？偟膩碚f，“蓄清排渾”采用“攔”“排”結(jié)合的泥沙處理思路，基本解決了三門峽等水庫庫容快速淤損問題，在小浪底水庫設(shè)計中得到了進一步的應(yīng)用和發(fā)展，較好地解決了百公斤級以下含沙量河流水庫設(shè)計難題，是繼“蓄水?dāng)r沙”之后，我國水庫運用及設(shè)計技術(shù)的一大進步。但是仍存在一些問題需要進一步研究解決。以小浪底水庫為例，首先，水庫庫容分布和回水設(shè)計是基于沖淤平衡形態(tài)，實際上，水庫進入沖淤平衡狀態(tài)后，水庫主汛期調(diào)水調(diào)沙運用、非汛期蓄水運用，隨著來水來沙的豐平枯變化，庫區(qū)會有沖有淤，存在泥沙淤積短期侵占防洪庫容的風(fēng)險，水庫設(shè)計對正常運用期“調(diào)沙”的影響考慮不足；其次，水庫設(shè)計調(diào)水調(diào)沙庫容較小，目前水庫處于攔沙期，調(diào)控庫容大，能夠較好地發(fā)揮調(diào)水調(diào)沙減淤效益，但是水庫進入正常運用期后，水庫調(diào)水調(diào)沙運用泥沙淤積不可避免會占用調(diào)水調(diào)沙庫容，遇不利水沙條件或淤積嚴重時，必須進行強迫排沙以保證足夠的有效庫容，強迫排沙時“小水帶大沙”等現(xiàn)象不可避免，會導(dǎo)致進入下游的水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)，面臨水庫有效庫容保持和下游水沙關(guān)系協(xié)調(diào)有機統(tǒng)一的矛盾，影響水庫減淤效益的長期發(fā)揮。還有一些超高（年均含沙量100 ～ 200 kg/m3）、特高（年均含沙量200 kg/m3以上）含沙量河流上修建的水庫，即使采用“蓄清排渾”運用，也難以保持有效庫容，比如巴家咀水庫年平均入庫含沙量高達220 kg/m3，先后進行了三次加高改建，庫容仍逐年淤損，水庫有效庫容長期保持和供水調(diào)節(jié)之間的矛盾難以協(xié)調(diào)［32］。

2.3 “蓄清調(diào)渾”1960 至1970年代后期，隨著治黃實踐的不斷發(fā)展，逐漸認識到黃河“水少沙多、水沙不平衡”對黃河下游河道淤積具有重要影響，提出要利用大型水庫進行“調(diào)水調(diào)沙”減輕下游河道淤積的設(shè)想［32］。1980 至1990年代，小浪底水庫設(shè)計階段采用的是“蓄清排渾”運用方式及其設(shè)計技術(shù)，考慮了調(diào)水調(diào)沙運用與設(shè)計，1990年代末，張金良等［33］結(jié)合三門峽水庫運用實踐，提出多沙河流水庫通過調(diào)水調(diào)沙長期保持有效庫容的同時，還要盡可能調(diào)節(jié)出庫水沙搭配關(guān)系，有利于下游河道減淤，這一時期水庫運用研究正由“蓄清排渾”向“蓄清調(diào)渾”發(fā)展。小浪底水庫建成后，圍繞小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙和運用方式優(yōu)化研究［34-37］，在“蓄清排渾”“攔”“排”處理泥沙的基礎(chǔ)上，全面發(fā)展了調(diào)水調(diào)沙理念，對水庫群人工塑造異重流排沙技術(shù)［38］、水庫群聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙調(diào)度模式、多沙河流灘槽同步塑造、攔沙庫容再生與多元化利用等進行了深入研究，逐步形成了以盡可能長期提高下游水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度為核心的“蓄清調(diào)渾”運用技術(shù)。在多沙河流水庫規(guī)劃設(shè)計層面，繼小浪底水庫之后，也面臨著新的挑戰(zhàn)。比如，黃河古賢水利樞紐年均入庫含沙量28 kg/m3［39］，是高含沙河流上以側(cè)向進沙為主的超長水庫，側(cè)向進沙淤積形態(tài)和庫容分布設(shè)計是前所未有的難題［40］；涇河?xùn)|莊水利樞紐［41］年均入庫含沙量140 kg/m3，超高含沙河流水庫蛇形彎道輸沙、有效庫容保持和庫容再生利用問題也屬于世界性難題［42］；甘肅馬蓮河水利樞紐年均入庫含沙量280 kg/m3，特高含沙河流供水水庫開發(fā)汛期有供水任務(wù)時有效庫容保持和供水調(diào)節(jié)之間難以協(xié)調(diào)，傳統(tǒng)開發(fā)模式難以實現(xiàn)開發(fā)目標。為了解決上述難題，通過長期研究，逐步形成了多沙河流水庫“蓄清調(diào)渾”運用方式及其設(shè)計技術(shù)［16］。

所謂“蓄清調(diào)渾”運用，就是根據(jù)水庫開發(fā)任務(wù)要求，充分考慮多沙河流來水來沙過程中場次洪水和年際間豐、平、枯變化，統(tǒng)籌調(diào)節(jié)泥沙對水庫淤積形態(tài)和有效庫容的影響，以盡可能提高下游河道水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度為核心，設(shè)置合適的攔沙和調(diào)水調(diào)沙庫容，通過“攔、調(diào)、排”全方位協(xié)同調(diào)控，實現(xiàn)有效庫容長期保持和部分攔沙庫容的再生利用、攔沙庫容與調(diào)水調(diào)沙庫容一體化使用，更好地發(fā)揮水庫綜合利用效益。與“蓄清排渾”運用相比，“蓄清調(diào)渾”運用不僅考慮水庫的“攔”、“排”運用，更加注重“調(diào)”的運用，指導(dǎo)思想更加主動、靈活，要求水庫結(jié)合開發(fā)任務(wù)、運用階段和入庫水沙條件等靈活確定調(diào)度方式，不僅要“攔”“排”，而且要在“調(diào)”中“攔”“排”，“攔”“排”中“調(diào)”。攔沙期水庫按照“小水?dāng)r沙，大水排沙，適時造峰，淤灘塑槽”灘槽同步塑造和攔沙庫容多元化利用，正常運用期水庫按照水沙分級分類調(diào)度［43-44］輔以非常規(guī)排沙調(diào)度，實現(xiàn)協(xié)調(diào)水沙關(guān)系再造和攔沙庫容再生利用。同時為更好滿足“調(diào)”的要求，“蓄清調(diào)渾”運用在水庫設(shè)計上也有不同要求，首先是水庫要設(shè)置足夠的調(diào)水調(diào)沙庫容，包括調(diào)水庫容和調(diào)沙庫容兩部分，調(diào)水庫容主要滿足大流量過程塑造的需要，調(diào)沙庫容主要滿足水沙過程豐平枯變化以及水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)帶來的泥沙年際和年內(nèi)調(diào)節(jié)的需要；然后，庫容分布設(shè)計要考慮水庫“調(diào)”沙過程中水庫淤積形態(tài)動態(tài)變化，水庫正常運用期調(diào)水調(diào)沙運用，庫區(qū)泥沙沖淤具有死灘活槽的特點，存在“高灘深槽、高灘中槽、高灘高槽”三種淤積狀態(tài)，攔沙庫容、調(diào)水調(diào)沙庫容、興利庫容、防洪庫容、生態(tài)庫容分布設(shè)計要考慮和淤積形態(tài)變化的耦合，按照“深槽調(diào)沙、中槽興利、高槽調(diào)洪”規(guī)則進行水庫庫容配置，減免正常運用期泥沙動態(tài)調(diào)節(jié)侵占有效庫容進而帶來的水庫強迫排沙的風(fēng)險；其次，對超高含沙量河流水庫，采用“正常+非常”雙泥沙侵蝕基準面和非常規(guī)排沙技術(shù)，在水庫正常泄流排沙孔以下增設(shè)非常排沙底孔，結(jié)合非常規(guī)排沙調(diào)度方式，可在長期保持有效庫容的前提下，進一步實現(xiàn)部分淤“死”攔沙庫容的復(fù)活并和調(diào)水調(diào)沙庫容一體化永續(xù)利用；再次，對特高含沙量河流水庫，有效庫容保持和供水調(diào)節(jié)之間矛盾難以協(xié)調(diào)，要采用水沙分置開發(fā)方式?！靶钋迮艤啞迸c“蓄清調(diào)渾”運用方式及設(shè)計技術(shù)比較見表1。

表1 “蓄清排渾”與“蓄清調(diào)渾”運用方式及設(shè)計技術(shù)比較

3 “蓄清調(diào)渾”運用及設(shè)計實踐

3.1 小浪底水庫運行初期汛期對小浪底水庫出庫流量進行分級調(diào)控，使出庫流量兩極分化的同時，相機形成持續(xù)一定時間的較大流量，利用大水排沙，開展了調(diào)水調(diào)沙原型試驗。隨著泥沙淤積，小浪底水庫進入攔沙后期運用，為延長水庫攔沙年限、避免庫區(qū)支流形成攔門沙坎等重大難題，又研究提出了“小水?dāng)r沙，大水排沙，適時造峰，淤灘塑槽”的灘槽同步塑造運用技術(shù)，同設(shè)計運用方式相比，灘槽同步塑造運用技術(shù)改變了設(shè)計運用方式水庫攔沙期只淤不沖的攔沙模式，實現(xiàn)了水庫對泥沙“在攔中調(diào)、在調(diào)中攔”，避免了水庫進入正常運用期高灘高槽等大水的不利局面以及沖刷形成高灘深槽時集中排沙對下游河段的不利影響，在2018—2020年汛期進行了技術(shù)應(yīng)用。截至2020年4月，小浪底水庫累計淤積泥沙32.86億m3，占設(shè)計攔沙庫容的43.5%。其中干流淤積25.49億m3，占總淤積量的77.6%；支流淤積7.37 億m3，占總淤積量的22.4%。從淤積形態(tài)看，小浪底庫區(qū)干流淤積主要為三角洲形態(tài)，三角洲頂坡段比降變化范圍為1.21?～2.91?。隨著水庫的持續(xù)淤積，三角洲的頂點是逐漸向壩前推進的，由2000年的距壩69.4 km 推進至2020年的距壩7.7 km（見圖2），攔沙初期形成的支流攔門沙坎也基本消除，水庫淤積形態(tài)控制良好。

圖2 小浪底水庫干流淤積縱剖面圖（深泓點）

3.2 黃河古賢水利樞紐是黃河水沙調(diào)控體系的重要組成部分［45］，對黃河治理開發(fā)保護具有重要作用［46-48］。樞紐位于龍門水文站上游72.5 km 處，控制流域面積489 948 km2，占三門峽水庫控制流域面積的71%，控制黃河80%的粗泥沙，年均入庫含沙量28 kg/m3。工程面臨的泥沙設(shè)計運用挑戰(zhàn)主要有：（1）古賢庫區(qū)長達200 km 以上，左右岸沿程有無定河、清澗河、延河、三川河、屈產(chǎn)河和湫水河六大支流入?yún)R，干支流水沙交互下的庫區(qū)泥沙淤積形態(tài)和庫容配置難度大；（2）庫區(qū)淤積末端影響移民水位確定，關(guān)乎水庫移民規(guī)模及影響。通過分析，水庫設(shè)計死水位相應(yīng)的泄流規(guī)模為8206 m3/s，考慮“蓄清調(diào)渾”運用過程中泥沙沖淤變化情況，提出了水庫淤積形態(tài)與庫容分布耦合設(shè)計，水庫正常運用期的河槽沖淤形態(tài)考慮“高灘深槽、高灘中槽、高灘高槽”三種狀態(tài)。“深槽”形態(tài)，死水位588 m，壩前灘面高程625.5 m，庫區(qū)壩前段、第二段、第三段各河段長度分別為60 km、60 km、81 km，河槽淤積比降分別為1.7?、2.1?、3.0?，形成灘地的前兩段比降為1.0?、1.2?，距吳堡縣城下端猴橋斷面1.6 km，汛期水庫淤積末端不影響吳堡縣城?！案卟邸毙螒B(tài)，是調(diào)水調(diào)沙庫容淤積嚴重情況下的形態(tài)，為水庫淤積最不利形態(tài)，該形態(tài)位于深槽淤積形態(tài)之上，距吳堡縣城下端猴橋斷面也是1.6 km。在“三槽”形態(tài)下，按照“深槽調(diào)沙、中槽興利、高槽調(diào)洪”的庫容分布設(shè)計規(guī)則進行水庫庫容配置（見圖3），設(shè)計攔沙庫容93.42 億m3、調(diào)水調(diào)沙庫容20 億m3、興利庫容為15 億m3、調(diào)洪庫容約為17.77 億m3。同時，庫區(qū)回水計算采用“高灘高槽”狀態(tài)的河道邊界條件，合理進行了移民水位設(shè)計，避免了吳堡縣城搬遷。

圖3 古賢水庫庫容分布示意

3.3 涇河?xùn)|莊水利樞紐黃河水沙調(diào)控體系重要支流水庫，渭河流域唯一的防洪減淤控制性骨干工程［49-50］，水庫總庫容32.76 億m3，年均入庫含沙量達140 kg/m3，水庫壩高230 m，是世界上入庫含沙量最高的雙曲拱壩。東莊水利樞紐前期工作始于1950年代，面臨著功能定位、泥沙淤積和巖溶滲漏三大挑戰(zhàn)，兩大挑戰(zhàn)與泥沙問題相關(guān)，一直制約著工程前期工作。利用“蓄清調(diào)渾”的設(shè)計理念和超高含沙量河流攔沙庫容再生利用設(shè)計，設(shè)置4 個排沙泄洪深孔和2 個非常排沙底孔，2 個非常排沙底孔的閘底板高程低于死水位和泄洪排沙深孔，比泄洪排沙深孔低15 m，泄流規(guī)模達到1000 m3/s?？紤]到東莊入庫洪水具有陡漲陡落、峰高量小、含沙量大的特點，在攔沙期（攔沙量小于20.53 億m3），當(dāng)壩前淤積面高程介于693 m（非常排沙底孔進口底板高程）～708 m（排沙泄洪深孔進口底板高程）之間，壩前水位低于780 m，若遇入庫流量大于600 m3/s 時，開啟非常排沙底孔泄流排沙。進入正常運用期（攔沙量大于20.53 億m3），遇到合適的洪水條件時，開啟非常排沙底孔增強水庫排沙能力，恢復(fù)水庫庫容，實現(xiàn)水庫攔沙庫容的重復(fù)利用，最大可能地發(fā)揮水庫的綜合利用效益。設(shè)置非常排沙底孔對增強水庫排沙能力、延長水庫攔沙年限、恢復(fù)攔沙庫容方面具有重要作用，研究表明設(shè)置非常排沙底孔，可提前排沙3年，延長水庫攔沙庫容使用年限3年， 50年內(nèi)可累計恢復(fù)的攔沙庫容4.45 億m3（見圖4），占設(shè)計攔沙庫容的21.7%。

圖4 東莊水庫累計淤積量變化過程

3.4 馬蓮河水利樞紐位于甘肅慶陽市馬蓮河上，年均入庫含沙量為280 kg/m3，是破解慶陽市老區(qū)水資源瓶頸制約的大型水利工程，總庫容4.79 億m3，水庫壩高71 m，也是在世界最高含沙量河流上建設(shè)的高均質(zhì)土壩。200 kg/m3以上特高含沙量河流水庫有效庫容保持和供水調(diào)節(jié)之間的矛盾十分突出，在超高含沙量河流上，靠單個水庫無法同時實現(xiàn)長期有效庫容保持和供水的任務(wù)。利用“蓄清調(diào)渾”的設(shè)計理念，特高含沙量河流水庫采用水沙分置開發(fā)模式，采用干流賈咀水庫加支流硯瓦川調(diào)蓄水庫的并聯(lián)開發(fā)方案，建設(shè)大、小庫，按照“干流大庫調(diào)沙、支流小庫調(diào)節(jié)供水”的運用方式，主汛期7月1日—8月31日當(dāng)賈咀水庫來水流量大于20 m3/s 時為排沙期，其余時段為非排沙期。排沙期，賈咀水庫不調(diào)蓄徑流，由硯瓦川調(diào)蓄水庫供水。非排沙期，賈咀水庫調(diào)蓄徑流，并由賈咀水庫充蓄硯瓦川調(diào)蓄水庫，同時經(jīng)硯瓦川水庫調(diào)蓄后向用水對象供水。通過水沙分置開發(fā)方式，使工業(yè)用水保證率由56.6%提高到96.1%，農(nóng)業(yè)由無法供水提高到86%。在滿足供水任務(wù)的同時，水庫進入正常運用期后庫區(qū)有沖有淤，可長期保持有效庫容（見圖5）。

圖5 賈咀水庫有效庫容變化圖

4 主要認識與建議

本文系統(tǒng)回顧了我國多沙河流水庫運用方式的發(fā)展歷程，在總結(jié)水庫“蓄水?dāng)r沙”“蓄清排渾”運用的基礎(chǔ)上，對“蓄清調(diào)渾”運用及設(shè)計技術(shù)的形成和實踐進行了分析，主要認識如下：

（1）在多沙河流上建設(shè)水庫，必須充分考慮泥沙問題?！靶钏?dāng)r沙”運用采用“攔”的策略，汛期蓄水運用，不設(shè)排沙期，致使有效庫容快速損失；“蓄清排渾”采用“攔、排”結(jié)合的策略，攔蓄相對較清的水流、排走含沙量較大的水流，水庫具有明顯的排沙期，很大程度上實現(xiàn)了水庫有效庫容保持，是水庫泥沙處理技術(shù)的一大進步；“蓄清調(diào)渾”注重“調(diào)”，將以往主要通過“攔、排”實現(xiàn)有效庫容保持的“蓄清排渾”發(fā)展到“攔、調(diào)、排”全方位協(xié)同的“蓄清調(diào)渾”。

（2）“蓄清調(diào)渾”運用是對“蓄清排渾”運用的繼承和對“調(diào)水調(diào)沙”的全面發(fā)展。在設(shè)計上，多沙河流水庫要科學(xué)合理設(shè)計調(diào)沙庫容和排沙水位相應(yīng)泄流規(guī)模，考慮調(diào)沙過程中的不同淤積狀態(tài)，按照“深槽調(diào)沙、中槽興利、高槽調(diào)洪”的庫容分布設(shè)計規(guī)則進行水庫庫容配置；超高含沙量河流要在正常泄流排沙孔以下增設(shè)非常排沙底孔，形成“正常+非?！彪p泥沙侵蝕基準面；特高含沙量河流水庫有效庫容保持和供水調(diào)節(jié)之間難以協(xié)調(diào)，要采用水沙分置開發(fā)方式。在運用上，多沙河流水庫運用方式要結(jié)合水庫結(jié)合開發(fā)任務(wù)、運用階段和入庫水沙條件等靈活確定調(diào)度方式，攔沙期水庫按照“小水?dāng)r沙，大水排沙，適時造峰，淤灘塑槽”灘槽同步塑造和攔沙庫容多元化利用，正常運用期水庫按照水沙分級分類調(diào)度輔以非常規(guī)排沙調(diào)度，實現(xiàn)協(xié)調(diào)水沙關(guān)系和攔沙庫容再生利用。

（3）“蓄清調(diào)渾”運用方式與設(shè)計技術(shù)已經(jīng)在小浪底等水庫進行了應(yīng)用，為黃河古賢、涇河?xùn)|莊以及甘肅馬蓮河等重大水利工程樞紐論證提供了技術(shù)支撐，未來結(jié)合工程建設(shè)運行進一步驗證完善“蓄清調(diào)渾”運用理論及設(shè)計技術(shù)。