黃河劉家峽水庫壩前沙壩對水沙和水庫調度的響應研究

2021-11-29 07:25:48蘇加林楊經會王福運李新杰

西北水電 2021年5期

王婷，周恒，蘇加林，楊經會，王福運，高垠，李新杰

(1.黃河水利科學研究院,鄭州 450003；2. 中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065；3. 中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春 130061)

0 前言

水流交匯現象普遍存在于自然界和人類工程的多種水力系統中。干支流交匯河段不僅存在交匯口上游壅水、下游回流等水力學問題，還存在壅水區和回流區的泥沙淤積，以及交匯區下游河床調整等泥沙問題[1-3]。對于修建在多沙河流上的水庫，泥沙問題尤為突出，支流高含沙洪水入匯可引起局部地形大幅度調整，甚至有產生較大規模的沙壩而形成二級水庫的可能，從而在一定程度上制約了水庫綜合效益的發揮[4-7]。若支流位于水庫回水區，支流洪水可直接形成高含沙異重流匯入干流庫區，并分別向上游與下游擴散，不僅局部流場復雜，而且局部地形隨之發生大幅度調整[4-7]。本文將利用具有支流異重流入匯的典型黃河劉家峽水庫的相關資料，分析支流異重流入匯區沙壩的演化過程及其與水庫調度、水沙條件及支流淤積形態的響應關系，以期為黃河劉家峽水庫汛期優化調度提供參考。

1 劉家峽水庫概況

劉家峽水庫是一座以發電為主，兼有防洪、灌溉、防凌、養殖等綜合利用效益的大型水利水電樞紐工程，位于甘肅省永靖縣境內黃河干流上，壩址控制流域面積181 766 km2。水庫1968年10月正式蓄水，水庫正常蓄水位1 735.00 m，汛期防洪限制水位1 726.00 m，死水位1 694.00 m[8]。庫區由黃河干流、支流大夏河和洮河庫區3部分組成。其中，洮河是一條多沙河流，于大壩上游1.5 km處匯入干流，洮河渾水多以異重流形式進入黃河干流，在干流形成沙壩；水庫高水位時，沙壩阻擋泥沙在庫區的輸送；低水位時，沙壩攔蓄了其上游的蓄水，使電站不能正常引水發電。干支流庫區平面地形見圖1。

圖1 劉家峽水庫庫區平面圖

2 干流沙壩演變過程

劉家峽水庫運用以來，受水庫蓄水運用和入庫水沙條件等的影響，庫區干流縱剖面形成了三角洲淤積形態。淤積縱剖面由三角洲頂坡段、前坡段、過渡段及壩前段組成。其中，壩前段由于洮河庫段泥沙淤積發展形成沙壩，劉家峽水庫黃河干流深泓點淤積縱剖面見圖2。可以得到，黃淤9-2以下是干流沙壩段，黃淤14斷面以上是淤積三角洲段；黃淤14至黃淤9-2是三角洲與沙壩之間的過渡段，基本為水平，是干流異重流淤積與倒灌淤積段。

圖2 劉家峽水庫黃河干流深泓點淤積縱剖面圖

洮河口沙壩是洮河來水來沙在洮河及壩前地形、水庫運用條件下形成的一種特殊淤積形態。圖3、4為壩前段沙壩縱剖面及沙壩高程變化過程。可以得出水庫運用初期，壩前淤積面較低，泥沙主要淤積在壩前段，壩前沙壩不明顯，1972—1980年沙壩高程迅速抬升，高程達到1 690.70 m，增高幅度達到29.50 m，影響范圍迅速變大；之后，沙壩抬升速度有所減緩，但發展仍然較快，1988年高程達1 699.99 m，之后沙壩高程有所降低，2000年以后緩慢增加。2011年高程達到1 700.58 m，沙壩上游迎水坡高差達到24.37 m。

圖3 黃河干流壩前段沙壩縱剖面圖

圖4 沙壩頂部高程變化過程圖

3 沙壩影響因素分析

洮河口沙壩的形成與來水來沙條件、洮河淤積形態及水庫調度過程密切相關。

3.1 入庫水沙對沙壩形成的影響

劉家峽水庫壩前沙壩的形成與洮河來沙密不可分。劉家峽水庫1968—2010年年均入庫沙量4 947萬t，洮河沙量2 141萬t，洮河沙量占總入庫沙量的43.3%。洮河泥沙主要來自汛期幾次沙峰，由于洮河狹窄，汛期沙峰極易形成異重流，洮河異重流運動入匯至干流后，分別流向干流下游和倒灌干流上游，在交匯區異重流流速驟降，水流中泥沙快速落淤，在干支流交匯口形成沙壩。

圖5 沙壩增長高度與洮河來沙量關系圖

圖5給出了劉家峽水庫部分年份壩前沙壩與洮河來沙量關系。可以得出壩前沙壩抬升高度與洮河紅旗站沙量呈正相關關系，在洮河來沙量較大的年份，沙壩抬升速度較快。由于受水庫調度影響，各年變化有所不同。水庫蓄水初期，洮河壩前淤積面較低，洮河入庫沙量基本淤積在洮河及壩前段，沙壩不明顯或增長較慢，如1971—1972年共來沙2 699萬t(見表1)，淤積2 250萬m3，其中洮河淤積653萬m3，壩前段(黃0～黃3)淤積70萬m3，黃3～黃9-1淤積1 530萬m3，分別占2 a總淤積的29%、3%、68%。1973年洮河入庫泥沙較多，為5 229萬t，當年汛期未能及時開啟泄水道排沙，排沙約1 480萬t，大量泥沙過機，同時也使得壩前(黃1)淤積面迅速抬高，干流壩前沙壩逐步形成雛形。之后，沙壩高程不斷抬升。1976年和1979年來沙分別為3 819萬t和6 531萬t，2 a排沙也較大，分別為2 270萬t、3 470萬t，與其他年份相比，當年沙壩抬升并不是太大。1981年和1988年進行過低水位拉沙，雖然當年來沙不少，但沙壩抬升幅度不大。

表1 部分年各站沙量對比 /萬t

3.2 支流淤積形態對沙壩的影響

受劉家峽水庫蓄水影響，1971年洮河淤積縱剖面呈現明顯的三角洲淤積形態見圖6。1971年三角洲頂點位于洮6斷面(TH06)，距洮河口8.4 km(距壩9.9 km)，高程1 701.41 m。淤積三角洲頂點高程取決于水庫運用水位及洮河來水來沙條件。由于泥沙主要來自汛期，因此，三角洲頂點淤積位置主要受汛期運用水位的影響。1981年三角洲頂點位于洮4斷面(TH04)，距洮河口3.7 km(距壩5.2 km)，頂點高程1 705.15 m，1983年位于洮3斷面(TH03)，距洮河口2.6 km(距壩4.1 km)，頂點高程1 710.90 m。隨著泥沙淤積逐漸發展，總的趨勢是三角洲頂點逐漸向壩前推進，頂點高程逐漸抬升。

圖6 洮河淤積縱剖面(深泓點)圖

壩前沙壩變化過程與洮河淤積三角洲淤積形態變化有較好的同步性，沙壩高程與洮河三角洲頂點高程關系見圖7。隨著洮河淤積三角洲向壩前推進，前坡段迅速淤積抬升，三角洲頂點不斷抬升，干流壩前沙壩也隨之抬升。壩前運用水位較高時，洮河泥沙主要淤積在洮河庫區上段，壩前沙壩抬升也較慢。

圖7 沙壩高程與洮河三角洲頂點高程關系圖

3.3 水庫調度對沙壩的影響

洮河泥沙主要來自汛期幾次沙峰，汛期沙峰極易形成異重流入匯干流，異重流屬于超飽和輸沙，沿程淤積。汛期沙峰在形成異重流以及異重流向壩前運行速度、泥沙落淤等與運行水位密切相關。

圖8點繪了沙壩抬升高度與7—9月平均水位關系。可以得出，除個別年份由于入庫沙量等特殊原因外，沙壩抬升高度與7—9月壩前平均水位呈負相關關系。即，水位越低，沙壩抬升高度越大；水位越高，沙壩抬升高度越小。分析發現，汛期水位較低時，支流洮河回水較短，含沙水流很快運行至壩前(干流庫區)，泥沙主要淤積在干流，壩前攔門沙淤積速度相對較大；如1988年之前，水庫最低水位基本在1 695.00～1 710.00 m之間變化，汛期水位相對也較低，水庫運用至1988年，攔門沙高程迅速抬升至1 699.99 m，抬升38.83 m。汛期水庫高水位運用時，支流洮河回水較長，含沙水流在向壩前運行的過程中沿程落淤，入匯干流泥沙較少，壩前攔門沙淤積速度相對較緩，這一點從1989以后水庫運用也可以得到。1989年以后，7—9月運用水位較高，沙壩高程變化較小。

圖8 沙壩抬升高度與7—9月平均運用水位關系圖

需要說明的是，雖然1974、1980-1982、1988年運用水位不高，但沙壩抬升較小，這主要是因為1974、1980、1982年洮河來沙較少，其中1980年來沙僅820萬t；1981年和1988年主要是進行了低水位拉沙運用。1981年和1988年水庫低水位拉沙運用說明，在來沙較大的年份，開展低水位拉沙運用能夠有效減小攔門沙壩抬升速度。

3.4 沙壩對水沙和水庫調度的響應機制

由前面分析可以得到，支流倒灌進入干流形成沙壩與干支流水沙條件、邊界條件、水庫運用等因素有關，不同因素影響程度不同。根據實測資料，通過多元線性擬合得到沙壩抬升高度與干支流來水來沙條件、水庫調度等因素關系：

(1)

式中:hL為沙壩歷年抬升高度，m;ΔH為劉家峽水庫運用年最高水位與平均水位差,m；WsH為紅旗站來沙，億t；WH為紅旗站來水量，億m3；LT為洮河淤積三角洲頂點距壩里程，km；WsX為循化站來沙量，億t；WX為循化站來水量，億m3。A為常數，取8.25×1016，沙壩抬升高度計算值與實測值對比見圖9。