萬家寨庫區沖淤演變特征分析

侯素珍，胡 恬，楊 飛

（1.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003； 2.水利部黃河泥沙重點實驗室，河南 鄭州 450003）

1 引 言

萬家寨水利樞紐工程位于黃河北干流托克托至龍口河段峽谷內，壩址左岸為山西省偏關縣，右岸為內蒙古自治區準格爾旗，工程主要任務是供水結合發電調峰，兼有防洪、防凌作用。 壩址上距頭道拐水文站130 km，控制流域面積為39.5 萬km2，水庫總庫容為8.96 億m3，調節庫容為4.45 億m3，最高蓄水位為980.00 m，正常蓄水位為977.00 m，校核洪水位為 979.10 m，汛限水位為966.00 m，最低發電水位為952.00 m，水庫采用“蓄清排渾”運用方式，排沙期運用水位為 952.00 ～957.00 m［1］。水庫整體處于峽谷地帶，平面形態狹長彎曲，沿程有楊家川、黑岱溝、龍王溝以及渾河4 條支流匯入。 1998年10月水庫投入運用后，庫區淤積、庫容減少［2］，調節庫容小于設計值；2011年后采取排沙運用方式，入庫水量偏枯，排沙量有限，淤積繼續發展；2018—2019年黃河上游來水偏豐，水庫降低水位進行沖沙運用，部分庫容得以恢復。 庫區沖淤及庫容變化規律與水庫的蓄水排沙運用方式直接相關。 已有大量學者對水庫排沙方式進行研究，總結了不同排沙方式的排沙經驗公式［3-8］。 任紅俊等［1］、程立軍等［2］對萬家寨水庫運用初期的泥沙淤積及三角洲淤積形態進行了深入分析。 然而，2011年水庫排沙運用后庫區沖淤過程和河床形態發生調整，對防洪庫容產生了較大影響，目前仍缺乏對庫區淤積形態變化的系統研究。 本文以萬家寨水庫進出庫水沙資料和庫區淤積資料為基礎，針對庫區沖淤量的時空分布、淤積形態的變化特征及其對庫容的影響展開研究，以期為萬家寨水庫今后的排沙調度以及運用管理提供科學參考。

2 水庫運用及排沙過程

萬家寨水庫非汛期蓄水運用，上游來沙基本淤積在庫內，汛期7月16 日—10月15 日按庫水位不超過汛限水位966.00 m 運用。 8—9月為排沙期，水庫保持低水位運用，入庫流量小于800 m3／s 時庫水位控制在952.00～957.00 m 進行發電調峰運用；入庫流量大于800 m3／s 時庫水位保持在952.00 m 運用；當水庫淤積嚴重難以保持日調節庫容時，在入庫流量大于1 000 m3／s的情況下，庫水位短期降至948.00 m 進行沖沙運用。萬家寨水庫實際運用過程分為2 個階段：2010年以前水庫以攔沙運用為主，汛期平均運用水位為965.82 m，最低運用水位為954.94 m；2011年以后水庫以排沙運用為主，汛期平均運用水位為960.41 m，最低運用水位為923.38 m。

1999—2010年多年平均入庫水量、沙量分別為151.5億 m3、0.415 億 t，多年平均出庫沙量僅 0.105 億 t，排沙比為25%；2011—2017年多年平均入庫水量、沙量分別為 173.6 億 m3、0.384 億 t，多年平均出庫沙量為0.260 億 t，排沙比為 68%；2018—2019年水量豐沛，年均入庫水量、沙量分別為 331.3 億 m3、1.200 億 t，年均出庫沙量為1.681 億t，排沙比達140%。 1999—2019年萬家寨水庫排沙過程見圖1，2011年以前水庫排沙主要在非汛期，2000年凌汛期水庫最低水位降至930.00 m進行排沙；2007—2010年桃汛期水庫進行補水運用，最低水位降至952.00 m 進行排沙。 2011年以后水庫排沙主要在汛期，每年8—9月水庫最低水位降至952.00 m 以下進行排沙。 2015—2017年入庫流量較小，排沙量很小。 2018年和2019年入庫流量較大，水庫水位降至948.00 m，短時間泄洪沖沙，汛期排沙量分別達2.072億、1.200億t，排沙比分別為276%、116%。

圖1 1999—2019年萬家寨水庫出庫沙量

3 庫區沖淤量的時空分布

3.1 沖淤發展過程

由萬家寨庫區斷面測驗資料可知，自水庫開始運用至 2019年 10月累計淤積量為 3.330 億 m3，2016年汛后淤積量最大（為4.679 億m3）。 期間水庫經歷了連續淤積和沖刷過程，2013年之前水庫均表現為泥沙淤積，2006年淤積量最大（為 0.649 億 m3）；2014年之后水庫以沖刷為主，年際間沖淤交替，2018年沖刷量最大（為 1.378 億 m3）。

萬家寨庫區歷年沖淤過程見圖2。

圖2 萬家寨庫區歷年沖淤過程

從年內沖淤分布來看，水庫非汛期以泥沙淤積為主，多年平均淤積量為 0.090 億 m3。 1999—2002年水庫運用水位較低，非汛期沒有發生淤積；2006年開展桃汛洪水沖刷降低潼關高程試驗后，水庫降低水位進行補水運用；2007—2010年水庫最低水位降至952 m進行排沙，該時段非汛期總體表現為沖刷，淤積量減小。 水庫汛期分為泥沙淤積和沖刷2 個階段：2010年以前水庫表現為泥沙淤積，多年平均淤積量為0.278億m3；2011年后注重水庫排沙使淤積量減小，多數年份水庫表現為沖刷，汛期多年平均沖刷量為0.254億m3，2018年汛期沖刷量最大（為 1.573 億 m3）。

從干支流沖淤分布來看，水庫淤積總量為3.330億m3，支流淤積量僅0.117 億m3，對萬家寨庫區泥沙淤積或有效庫容的影響較小。

3.2 沿程沖淤量分布

采用斷面法統計萬家寨水庫沿程沖淤量分布，見圖3（以水庫建成前1997年沖淤量數據為初始數據），其分段沖淤量及占比見表1。 可以看出，自萬家寨水庫運用至2019年汛后，庫區淤積總量沿程總體呈下多上少的特征，WD42 斷面以下（距壩址約41 km 以內）淤積量占庫區淤積總量的 94.66%；WD42 斷面—WD54 斷面淤積量較小，占庫區淤積總量的4.98%；WD54 斷面—WD64 斷面年際間有沖有淤；WD64 斷面—WD72 斷面表現為沖刷。

圖3 不同時段萬家寨水庫沿程沖淤量分布

表1 萬家寨水庫分段沖淤量及占比

根據水庫排沙運用以及年內沖淤變化將水庫沖淤過程分3 個階段。 第一階段：2010年之前水庫進行攔沙運用，庫區累計淤積，淤積末端約在WD58 斷面，91.2%的淤積量集中在WD42 斷面以下，WD54 斷面—WD64斷面表現為微沖，WD64 斷面—WD74 斷面表現為微淤。第二階段：2011—2017年8月、9月水庫降低水位排沙運用，庫區沖淤分布發生較大變化，呈上沖下淤的特征，WD23 斷面以下表現為淤積，淤積量為0.523 億 m3，WD23 斷面—WD54 斷面表現為沖刷，沖刷量為0.145億m3，WD56 斷面以上庫區以淤積為主。 第三階段：2018—2019年水庫降低水位沖沙運用，庫區整體表現為沖刷，沿程淤積分布呈下多上少的特征，WD42 斷面以下沖刷量為1.185 億m3（占該時段庫區沖刷總量的91.0%），WD42 斷面—WD54 斷面沖刷量為0.104 億 m3（占該時段庫區沖刷總量的8.0%）。

從不同河段來看，WD42 斷面以下受水庫運用和入庫沙量的影響，該河段是蓄水淤積和降水沖刷的集中河段；WD42 斷面—WD54 斷面為過渡河段；WD54斷面以上河段有沖有淤，但沿程變化特征基本不受水庫蓄水后溯源淤積的影響，主要取決于入庫水沙過程。

3.3 不同高程區間的庫區沖淤量及庫容變化

不同高程區間的庫區沖淤量隨來水來沙特性和水庫運用方式的變化而變化，把庫區沖淤過程分為3 個時段，各時段的庫區沖淤量見圖4，庫容淤積比見圖5。1997年 7月—2010年 9月為庫區淤積階段，980 m 高程以下庫區淤積總量為4.114 億m3，966 m 高程以下庫區淤積量占淤積總量的93.2%，不同高程區間庫區庫容淤損率為43%～83%，高程越低庫容損失率越大。2010年9月—2017年10月汛期水庫排沙運用，入庫流量較小使庫區繼續淤積，948 m 高程以下庫區淤積量占淤積總量的76%，948 ～957 m 高程區間庫區有少量淤積，957 m 高程以上庫區有沖有淤。 2018年和2019年汛期入庫流量為1 000 m3／s 的持續時間長，水庫降低水位沖沙運用，各高程區間庫區均發生不同程度的沖刷，2018年和2019年980 m 高程以下庫區沖刷總量為1.365億m3，其中966 m 高程以下庫區沖刷量占沖刷總量的92.3%。 從庫容淤積比變化來看，948 m高程以下庫容恢復21.85%，948～952 m 高程區間庫容恢復33.84%，發電最低水位952 m 至汛限水位966 m庫容恢復20.2%，966 ～977 m 高程區間庫容僅恢復3.7%，正常蓄水位977 m 以上庫尾段水庫運用以來為沖刷狀態。

圖4 不同高程區間的庫區沖淤量

圖5 不同高程區間的庫區庫容淤積比

綜上，從沿程沖淤分布來看，WD42 斷面以下是庫區淤積的主要位置，WD54 斷面以上庫區沖淤量變幅很小，基本不受水庫運用的影響。 從分級高程的庫區淤積量及庫容變化來看，977 m 高程以上庫區以沖刷為主，966 m高程以下庫區淤積集中，降水沖刷時庫容恢復率相對較高。 從歷年沖淤過程來看，2018年和2019年降低水位排沙運用可以沖刷庫區淤積泥沙，恢復部分有效庫容，因此加強降水沖沙調度是維持萬家寨水庫防洪庫容的有效運用方式。

4 淤積形態變化

4.1 淤積縱剖面變化

水庫蓄水后水位升高，含沙水流自天然河道進入水庫后，水庫回水頂托作用使水流受阻，挾沙水流處于過飽和狀態，在回水末端附近很快落淤，淤積體縱向發展和形態特征主要取決于入庫水沙特性、水庫運用水位等。

萬家寨水庫運用初期水位逐漸升高，庫區泥沙呈帶狀淤積，隨著回水變動區落淤量的增大，形成三角洲淤積體并向壩前發展。 根據庫區深泓高程的變化，將淤積發展過程分3 個階段。 第一階段（1999—2009年）是三角洲形成及發展階段（見圖6（a）），到2003年形成明顯的三角洲淤積形態，三角洲頂點位置距壩址約30 km；隨著淤積不斷發展，三角洲向壩前推進，頂坡段淤積抬高，到2009年三角洲頂點距壩址約14 km，上游淤積末端距壩址55 km（WD54 斷面），頂坡段部分河段的河床深泓高程已經高于壩前淤積平衡后的河底高程，影響水庫調節庫容。 第二階段（2010—2013年）前坡段繼續向壩前推進（見圖6（a）），頂坡段沖刷調整。2011年后注重水庫排沙運用，8月、9月運用水位下降，頂坡段洲面高程降低，但三角洲頂點繼續向壩前推進，到2013年10月三角洲頂點距壩址僅約3.9 km。第三階段（2014年后）三角洲前坡段沖刷調整（見圖6（b）），頂點位置后退，頂坡段淤積抬升。 2018年汛期水庫較長時間低水位運行，庫區沖刷量大，沖刷后深泓點高程大幅度降低，最大降幅約20 m（WD8 斷面—WD14 斷面），距壩址37 km（WD38 斷面）以下深泓點高程降幅均超過10 m，向上游深泓高程降幅逐漸減小，距壩址58 km（WD58 斷面）以上平均下降0.6 m，三角洲形態較不明顯。 2018年10月河底平均比降為7.4‰，較2013年汛后頂坡面比降（2.2‰）顯著增大，距壩址14 km以內河段深泓高程基本恢復到2006年開展桃汛試驗初期的深泓高程，壩前690 m 范圍河床呈小漏斗形態，距壩址14 km 以上河段沖刷后深泓高程更低。2019年汛后深泓高程有所抬升，距壩址6～43 km 平均抬升2.6 m，萬家寨水庫淤積縱剖面形態總體沒有發生變化。

圖6 庫區深泓高程變化

從歷年深泓高程變化情況來看，自水庫運用至2009年淤積抬升發展到WD54 斷面附近，之后沖淤調整向下發展，沒有出現淤積上延和“翹尾巴”現象。

三角洲的形成和發展與庫區淤積程度密切相關，2017年之前汛后三角洲發展特征與庫區累計淤積量的關系見圖7。

圖7 三角洲發展特征與累計淤積量的關系

由圖7 可以看出，隨著庫區累計淤積量的增加，三角洲頂點不斷向壩前推進，累計淤積量約4.5 億t 時三角洲頂點距壩址5～12 km。 三角洲頂點高程在水庫運用初期逐漸抬升，累計淤積量為2 億t 以上時，隨著累計淤積量增大和三角洲向壩前推進，三角洲頂點高程下降。 2018年水庫汛期沖刷量為1.573 億m3，三角洲形態調整不明顯。

4.2 橫斷面沖淤調整

庫區淤積過程中不同時期的橫斷面形態變化過程有一定差異。 在水庫運用以來連續淤積時段內，河床淤積面水平抬升，WD42 斷面以下均具有這種特征；在排沙時段內河床沖刷形成河槽，河床淤積面基本呈水平下降，中間段形成高灘深槽，灘地沖刷難度大，庫尾段河槽形態基本不變。

典型斷面的變化過程見圖 8。 2013年汛后到2014年汛前WD4 斷面為三角洲頂點位置，淤積面最高，該斷面以下的前坡段河床淤積面水平抬高，沖刷期床面基本平行下降并可以發展到整個河寬。 WD6 斷面—WD42 斷面間河段在連續淤積期河床淤積面基本平行抬升，在沖刷過程中形成包含主槽和灘地的斷面形態，河槽形態由 U 形演變成 V 形，河寬縮窄。 從2006年凌汛期排沙開始到2013年三角洲繼續發展，灘面淤高，主槽位置穩定；2018年汛期沖刷后，多數斷面沖深展寬，至2019年汛后基本維持穩定，如典型斷面WD11 表現出這種特征。 WD43 斷面—WD54 斷面受蓄水和彎曲性河道形態的影響，凸岸不斷淤積抬升、凹岸維持主槽，或兩岸淤積、河寬縮窄，如典型斷面WD44 表現出這種特征。 水庫運用以來WD55 斷面以上原始河槽形態基本維持不變，年際間有沖淤調整，總體沒有累計淤積，基本不受水庫運用方式影響，如典型斷面WD56 表現出這種特征。

圖8 典型斷面變化過程

5 結 論

萬家寨水庫自1998年運用以來，庫區經歷了淤積發展和沖刷調整過程。 根據斷面地形資料對萬家寨庫區沖淤演變特征進行分析，得出以下結論。

（1）截至2019年10月全庫區累計淤積3.330 億 m3，非汛期多為淤積過程，汛期由淤積轉變為沖刷。 從水庫沿程沖淤量分布來看，94.66%的淤積量集中在WD42 斷面（距壩址約41 km）以下，WD54 斷面以上河段有沖有淤，但沿程變化特征基本不受水庫蓄水后溯源淤積的影響，主要取決于入庫水沙過程。 從分級高程的淤積量及庫容變化來看，汛限水位966 m 以下庫區淤積量占淤積總量的93.2%，977 ～980 m 水位之間庫區總體表現為沖刷。 2018年和2019年受汛期降低水位、沖沙運用的影響，河床淤積面沿程普遍發生沖刷，沖刷集中在WD42 斷面以下和966 m 高程以下。

（2）庫區干流縱剖面呈三角洲淤積形態，1999—2009年為三角洲形成及發展階段，頂坡段接近淤積平衡剖面高程；2010—2013年三角洲頂點繼續向壩前推進，頂坡段洲面高程沖刷降低；2014年開始三角洲頂點后退，2018年沖刷后三角洲形態消失。 橫斷面多表現為水平淤積抬升，沖刷后斷面形態由U 形演變成V形，形成高灘深槽。

（3）從淤積發展過程來看，WD54 斷面以上年際間發生沖淤調整，沒有產生累計淤積，淤積末端基本穩定，萬家寨庫區不存在“翹尾巴”現象。