西霞院水庫流路演變及泥沙淤積分布特征

關(guān)鍵詞：流路演變；泥沙淤積；調(diào)節(jié)庫容；淤積平衡；西霞院水庫

0引言

在氣候變化和人類活動(dòng)共同影響下，水資源短缺已成為全球性問題，水庫作為儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)水資源的重要水利設(shè)施，在防洪減災(zāi)、城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉、水力發(fā)電、生態(tài)保護(hù)等方面具有極其重要的作用。我國水庫泥沙淤積問題普遍存在，尤其黃河因“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”而造成水庫淤積問題更加凸顯，目前黃河流域1144座有泥沙淤積的水庫平均淤損率高達(dá)26.82%，致使涵養(yǎng)水源的生態(tài)空間不斷萎縮。水庫庫容的淤損不僅降低了其綜合效益的發(fā)揮，而且對(duì)流域水沙調(diào)控能力造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。西霞院水庫是小浪底水庫的反調(diào)節(jié)水庫，利用其調(diào)節(jié)庫容對(duì)小浪底水庫下泄的不穩(wěn)定水流進(jìn)行反調(diào)節(jié)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水、河道水質(zhì)保障和生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要作用。筆者系統(tǒng)分析了西霞院水庫流路演變及泥沙淤積分布特征，以期為西霞院水庫優(yōu)化減淤調(diào)度方式、長(zhǎng)期保持調(diào)節(jié)庫容提供科技支撐。

1水庫概況

西霞院水利樞紐是小浪底水利樞紐的配套工程，壩址位于小浪底水庫壩址下游16km處，水庫開發(fā)任務(wù)以反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉等綜合利用，庫區(qū)左、右岸分別為濟(jì)源市坡頭鎮(zhèn)和洛陽市孟津區(qū)，工程于2004年1月開工興建，2007年5月下閘蓄水運(yùn)用，水庫設(shè)計(jì)總庫容1.62億m3。樞紐建筑物由左岸土石壩、河床式電站廠房、排沙洞、泄洪閘、王莊引水閘、右岸土石壩、壩后灌溉引水閘、右壩肩上游溝道整治工程、下游右岸防護(hù)工程等組成。壩頂總長(zhǎng)3122m（其中土石壩段長(zhǎng)2609m、混凝土壩段長(zhǎng)513m），土石壩段壩頂高程138.2m，混凝土壩段壩頂高程139.0m。5000a一遇校核洪峰流量13940m3/S，校核洪水位134.75m;100a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量9870m3/S，設(shè)計(jì)洪水位132.56m;正常蓄水位134.00m，汛期限制水位131.00m。小浪底水電站主要承擔(dān)河南省電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)，其下泄的不穩(wěn)定水流將給黃河小浪底一花園口河段的工農(nóng)業(yè)引水、河道水質(zhì)和生態(tài)環(huán)境等帶來不利影響，需要利用西霞院水庫調(diào)節(jié)庫容對(duì)小浪底水庫下泄的不穩(wěn)定水流進(jìn)行反調(diào)節(jié)，消除不穩(wěn)定水流對(duì)下游造成的不利影響。

2水庫運(yùn)用及水沙特點(diǎn)

2.1水庫調(diào)度方式及運(yùn)用情況

在小浪底水庫泄洪、排沙、調(diào)水調(diào)沙下泄大流量期間，西霞院水庫調(diào)度方式如下：1）西霞院水庫水位按不超過131.00m運(yùn)用。2）西霞院水庫入庫流量小于等于庫水位131.00m泄流能力時(shí)，庫水位按不超過131.00m控制運(yùn)用：入庫流量大于庫水位131.00m泄流能力時(shí)，水庫按敞泄滯洪運(yùn)用：水庫最高水位出現(xiàn)后，庫水位逐漸降到131.00m。

2010-2022年西霞院水庫日均水位變化情況見圖1。由圖1可知，西霞院水庫非汛期運(yùn)行水位基本保持在133.60m左右：汛期水位變幅較大，特別是調(diào)水調(diào)沙期間，庫水位一般降至128.00m左右，最低水位降至124.00m。西霞院水庫多年運(yùn)行水位維持在133.00～134.00m的時(shí)間占比為72%。

2.2入庫水沙特征

西霞院水庫歷年入庫水沙量統(tǒng)計(jì)（按當(dāng)年7月至次年6月水文年統(tǒng)計(jì)）見表1。由表1可知，西霞院水庫多年平均入庫水量為305.55億m3、多年平均入庫沙量為1.34億t、日均含沙量約1.72kg/m3。其中：入庫最大年水量約498.92億m3（2020年7月-2021年6月）、相應(yīng)年沙量約3.28億t；入庫最大年沙量約5.45億t（2019年7月-2020年6月），相應(yīng)年水量約438.17億m3。小浪底水庫2015年7月-2018年6月未實(shí)施調(diào)水調(diào)沙、攔截了全部入庫泥沙，故西霞院水庫該時(shí)段入庫沙量為0。

3庫區(qū)流路演變特征

3.1庫區(qū)流路演變過程

西霞院水庫運(yùn)行以來，泥沙持續(xù)淤積造成庫區(qū)流路發(fā)生了顯著變化，典型年份流路演變過程見圖2。由圖2可知，西霞院水庫運(yùn)行初期（2007年6月），庫區(qū)焦枝鐵路老橋至壩前有4條流路過流，自北向南過流能力（依據(jù)河槽的寬度和深度確定）占比分別為10%、10%、40%、40%;隨著每年汛期小浪底水庫異重流排沙運(yùn)行，西霞院庫區(qū)靠近南岸的流路逐漸開始淤積，至2014年8月4條流路自北向南過流能力占比分別為10%、10%、45%、35%;至2019年5月西霞院庫區(qū)4條流路逐漸演變?yōu)?條流路，北岸流路被泥沙淤平、南岸流路泥沙持續(xù)淤積，自北向南過流能力占比分別為10%、60%、30%;至2022年8月南岸流路泥沙淤積速度進(jìn)一步加快，中部流路也被淤平，xxy04斷面至壩前僅剩一條流路過流，同時(shí)在壩前形成明顯的順壩流，對(duì)大壩安全運(yùn)行帶來不利影響。

3.2典型斷面灘槽變化

西霞院水庫典型斷面套匯見圖3。由圖3可知，西霞院水庫運(yùn)行以來庫區(qū)灘地呈整體抬高趨勢(shì)，局部河段受入庫水沙、運(yùn)行調(diào)度等影響，表現(xiàn)為整體沖淤交替。其中：壩址上游8 km處焦枝鐵路老橋以上河段寬度小于1000m．庫區(qū)灘地和主槽沖淤變化均較小，如xxy08斷面：焦枝鐵路老橋以下河段逐漸展寬到3000～4000m，受庫區(qū)多條流路過流等影響，表現(xiàn)為灘槽沖淤劇烈、流路演變頻繁，如xxy05斷面。

4泥沙淤積分布及物化特性

4.1泥沙淤積分布

1）淤積高程。西霞院水庫水位庫容特征指標(biāo)變化情況見表2。由表2可知，西霞院水庫2007年汛后校核洪水位134.75m以下原始庫容為1.620億m3、2022年8月庫容為0.895億m3，淤積比為44.78%：設(shè)計(jì)洪水位132.56m以下原始庫容為1.100億m3、2022年8月庫容為0.444億m3．淤積比為59.64%：正常蓄水位134.00m以下原始庫容為1.450億m3、2022年8月庫容為0.751億m3，淤積比為48.21%；汛限水位131.00m以下原始庫容為0.790億m3、2022年8月庫容為0.184億m3，淤積比為76.71%。西霞院水庫淤積平衡后，庫水位131.00～134.00m反調(diào)節(jié)庫容為0.567億m3，目前反調(diào)節(jié)庫容已淤損0.003億m3。

2）淤積位置。2007年汛后-2022年8月西霞院水庫各斷面間累計(jì)淤積量統(tǒng)計(jì)見表3。由表3可知，西霞院水庫泥沙淤積總量為7253.6萬m3，主要集中在大壩-xxy07斷面區(qū)間，淤積量為6 964.5萬m3，占比高達(dá)96%。其中，大壩-xxy01斷面區(qū)間淤積量為695.2萬m3、xxyOl-xxy02斷面區(qū)間淤積量為1203.7萬m3、xxy02-xxy03斷面區(qū)間淤積量為1390.5萬m3、xxy03-xxy04斷面區(qū)間淤積量為1249.7萬m3、xxy04-xxy05斷面區(qū)間淤積量為864.5萬m3、xxy05-xxy06斷面區(qū)間淤積量為932.6萬m3、xxy06-xxy07斷面區(qū)間淤積量為628.3萬m3。

3）庫區(qū)不同時(shí)期典型斷面間河槽淤積量。2007-2022年西霞院水庫庫區(qū)流路發(fā)生了顯著變化（見圖2），為了定量分析庫區(qū)流路的演變過程，計(jì)算了西霞院水庫不同時(shí)期xxy02-xxy05斷面間河槽淤積量（見圖4）。由圖4可知，2007年汛后-2014年11月、2014年12月-2019年5月、2019年6月-2022年8月3個(gè)時(shí)段中，2019年6月-2022年8月西霞院水庫庫區(qū)河槽淤積最為嚴(yán)重；xxy02-xxy03斷面區(qū)間河槽淤積最為明顯，2007年汛后-2022年8月淤積量為695.7萬m3。

4.2泥沙物化特性

1）泥沙深層取樣。根據(jù)西霞院水庫泥沙淤積情況，結(jié)合庫區(qū)行船水深，2021年分別在庫區(qū)主河槽、灘地進(jìn)行泥沙深層取樣。在西霞院水庫xxy01、xxy03和xxy05共3個(gè)斷面開展了泥沙深層（3m左右）取樣，單個(gè)斷面采用兩點(diǎn)法，取樣點(diǎn)坐標(biāo)見表4。

2）泥沙化學(xué)組成。西霞院水庫泥沙化學(xué)成分見表5。由表5可知，西霞院水庫泥沙中主要化學(xué)成分為Si02、Al2O3、Ca0，這3種化學(xué)成分的含量占總組成的80.14%。其中，Si02含量占比為61.59%、Al2 03含量占比為11.88%、Ca0含量占比為6.67%。泥沙呈弱堿性，pH值為8.63。

3）泥沙顆粒形狀。泥沙在自然狀態(tài)下會(huì)受到水流作用長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)沖撞、摩擦，不同的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致泥沙磨損程度不同，形成不同的顆粒形狀。當(dāng)泥沙作為鑄造用原砂使用時(shí)，對(duì)其顆粒形狀具有一定的要求。西霞院水庫泥沙顆粒微觀形狀見圖5。由圖5可知，西霞院水庫泥沙顆粒形狀為橢圓形或方形，其角形因數(shù)小于等于1.30，滿足鑄造用原砂對(duì)角形因數(shù)的要求。

4.3泥沙淤積形態(tài)

西霞院水庫原始、淤積平衡后、現(xiàn)狀地形縱剖面見圖6。由圖6可知，西霞院水庫距壩5.8km以上現(xiàn)狀灘面淤積高程比淤積平衡后設(shè)計(jì)灘面高程高3m以上，距壩5.8km以下現(xiàn)狀灘面淤積高程同淤積平衡后設(shè)計(jì)灘面高程基本一致；距壩5.8km以下現(xiàn)狀河槽平均高程比淤積平衡后設(shè)計(jì)河槽平均高程低1.5m，距壩5.8km以上現(xiàn)狀河槽平均高程同淤積平衡后設(shè)計(jì)河槽平均高程基本一致。

5結(jié)論

系統(tǒng)梳理了2007-2022年西霞院水庫調(diào)度方式、入庫水沙、流路演變以及泥沙淤積分布特征，主要結(jié)論如下。

1）西霞院水庫多年運(yùn)行水位在133.00～134.00m的時(shí)間占比為72%，其中調(diào)水調(diào)沙期庫水位一般降至128.00m運(yùn)行：多年平均入庫水量為305.55億m3、多年平均入庫沙量為1.34億t，入庫泥沙持續(xù)淤積造成庫區(qū)流路發(fā)生顯著變化，焦枝鐵路老橋至壩前庫段由運(yùn)行初期的4條流路逐漸演變成1條流路。

2） 2007年汛后-2022年8月，西霞院水庫泥沙累計(jì)淤積量為7253.6萬m3，其中大壩-xxy07斷面區(qū)間泥沙淤積量為6964.5萬m3（占比高達(dá)96%）；水庫汛限水位131.00m以下庫容為0.184億m3，淤積比76.71%；庫水位131.00～134.00m反調(diào)節(jié)庫容為0.567億m3，已被侵占0.003億m3。

3）西霞院水庫泥沙主要化學(xué)成分為Si02、Al2 03、Ca0，三者合計(jì)占總組成的80.14%；泥沙顆粒形狀為橢圓形或方形，滿足鑄造用原砂對(duì)角形因數(shù)的要求。

4）西霞院水庫距壩5.8km以上現(xiàn)狀灘面淤積高程比淤積平衡后設(shè)計(jì)灘面高程高jm以上，建議西霞院水庫在小浪底水庫排沙期壩前水位降至132.00m以下運(yùn)行，避免上游灘面高程持續(xù)抬升侵占反調(diào)節(jié)庫容。