張俊華，馬懷寶，王 婷，蔣思奇

(1.黃河水利科學(xué)研究院黃河小浪底研究中心，河南 鄭州 450003;2.水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003)

小浪底水庫(kù)支流倒灌與淤積形態(tài)模型試驗(yàn)

張俊華1，2，馬懷寶1，2，王 婷1，2，蔣思奇1，2

(1.黃河水利科學(xué)研究院黃河小浪底研究中心，河南 鄭州 450003;2.水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州 450003)

利用小浪底水庫(kù)實(shí)體模型開展水庫(kù)攔沙后期運(yùn)用方式長(zhǎng)系列年試驗(yàn)，對(duì)爭(zhēng)議較大的庫(kù)區(qū)支流倒灌及其淤積形態(tài)問題進(jìn)行重點(diǎn)分析。結(jié)果表明:庫(kù)區(qū)最大支流畛水河口門狹窄且?guī)烊葺^大，攔門沙問題最為突出，其縱坡面形態(tài)與設(shè)計(jì)有一定的差別;支流年淤積量與當(dāng)年大于2600 m3/s流量時(shí)段的總水量有較好的相關(guān)性;通過優(yōu)化水庫(kù)運(yùn)用方式可較長(zhǎng)時(shí)期保持動(dòng)態(tài)三角洲淤積形態(tài)，有利于支流庫(kù)容的有效利用;水庫(kù)干流河床處于動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)，支流河床仍然會(huì)逐漸淤積抬升而使得干支流淤積面高差趨于減少。

小浪底水庫(kù);支流倒灌;淤積形態(tài);攔門沙;模型試驗(yàn)

小浪底水庫(kù)支流庫(kù)容52.63億m3，占總庫(kù)容的41.3%。設(shè)計(jì)支流攔沙量與有效庫(kù)容均占相應(yīng)總量的30%以上，支流庫(kù)容對(duì)水庫(kù)發(fā)揮防洪、減淤等綜合利用效益具有重要的作用。小浪底庫(kù)區(qū)支流入庫(kù)沙量與干流相比可忽略不計(jì)，支流攔沙量取決于干流倒灌沙量。已建水庫(kù)實(shí)測(cè)資料表明，隨著水庫(kù)運(yùn)用庫(kù)區(qū)淤積，往往在支流口門產(chǎn)生攔門沙，在攔門沙坎高程以下的支流庫(kù)容難以參與水庫(kù)正常調(diào)度［1］。例如位于永定河的官?gòu)d水庫(kù)，支流媯水河攔門沙逐年抬升淤堵河口，使水庫(kù)調(diào)節(jié)能力大幅度減弱［2］，不得不采取工程措施加以解決;丹江口水庫(kù)漢江庫(kù)區(qū)支流遠(yuǎn)河口門與支流河床的高差達(dá)12.3 m，且隨著今后干流邊灘的淤積攔門沙還會(huì)有所淤高［3-4］;小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來的實(shí)測(cè)資料顯示，支流最大攔門沙坎與其河床的高差已超過10 m。正因如此，小浪底水庫(kù)支流能否正常發(fā)揮效益是工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段就存在的具有爭(zhēng)議性的問題。

針對(duì)支流倒灌問題專門開展實(shí)體模型試驗(yàn)研究成果較少。在小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式研究過程中，曾利用多家數(shù)學(xué)模型開展長(zhǎng)系列的計(jì)算，但對(duì)支流倒灌與淤積形態(tài)問題大多計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值有一定的出入。由于水庫(kù)運(yùn)用過程中，庫(kù)區(qū)邊界條件、入庫(kù)水沙過程與水庫(kù)調(diào)度方式不斷變化，決定了庫(kù)區(qū)支流淤積形態(tài)與變化過程具有多樣性與隨機(jī)性，而且干支流交匯處含沙水流具有較強(qiáng)的三維運(yùn)動(dòng)特性，因此水庫(kù)實(shí)體模型試驗(yàn)是研究支流倒灌問題的重要手段之一。本研究利用小浪底水庫(kù)實(shí)體模型開展了水庫(kù)攔沙后期運(yùn)用方式長(zhǎng)系列模型試驗(yàn)，重點(diǎn)分析支流淤積形態(tài)與變化過程及主要影響因素，進(jìn)而為控制水庫(kù)泥沙淤積部位、充分利用支流庫(kù)容、延長(zhǎng)水庫(kù)攔沙期壽命提供技術(shù)支撐。

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)容大于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。庫(kù)區(qū)平面圖見圖1，主要支流庫(kù)容與所處位置見表1［5］。

圖1 小浪底庫(kù)區(qū)平面示意圖

表1 小浪底庫(kù)區(qū)主要支流特征值統(tǒng)計(jì)

小浪底水庫(kù)正常蓄水位275 m高程以下總原始庫(kù)容127.50億 m3。設(shè)計(jì)的水庫(kù)總攔沙庫(kù)容約75億m3，總有效庫(kù)容51.00億m3，支流攔沙量與有效庫(kù)容均占相應(yīng)總量的30%以上。設(shè)計(jì)的支流河口段為倒錐體形態(tài)，各支流攔門沙坎高度變化范圍4.0～4.8m，支流倒錐體內(nèi)死水容積總量約3億m3。

到2010年10月，小浪底庫(kù)區(qū)累計(jì)淤積量28.225億m3，約為總攔沙量的37%，其中干流淤積22.395億m3，支流淤積5.830億m3。小浪底庫(kù)區(qū)支流只有在發(fā)生歷時(shí)短暫的洪水時(shí)，挾帶極少量的泥沙順流而下，與干流來沙量相比可忽略不計(jì)，故支流攔沙庫(kù)容淤積泥沙主要源于干流渾水倒灌。水庫(kù)運(yùn)用以來，干流倒灌淤積改變了支流淤積形態(tài)與河床組成，縱向調(diào)整總的趨勢(shì)是由原始狀態(tài)的正坡逐步調(diào)整至水平，而后至倒坡。原始庫(kù)容最大的支流畛水河原始比降相對(duì)較小(0.56%)，回水距離最長(zhǎng)，其縱剖面變化過程見圖2。

圖2 小浪底庫(kù)區(qū)支流畛水河淤積縱剖面變化過程

2 小浪底水庫(kù)實(shí)體模型概況與試驗(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［6-8］。采用小浪底水庫(kù)2001—2002年洪水期以及2004年汛前調(diào)水調(diào)沙人工塑造異重流時(shí)段實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，確定模型糙率比尺1∶0.88，沉速比尺1∶1.34，含沙量比尺1∶1.50，時(shí)間比尺1∶44.9。

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)研究等［9-10］，為優(yōu)化水庫(kù)攔沙初期調(diào)度及黃河調(diào)水調(diào)沙等提供了重要的技術(shù)支撐，同時(shí)，模型試驗(yàn)結(jié)果為研究多沙河流水庫(kù)模擬理論與技術(shù)、水沙輸移規(guī)律等奠定了基礎(chǔ)。

在小浪底水庫(kù)進(jìn)入攔沙后期之際，為優(yōu)化調(diào)度方式，在數(shù)學(xué)模型方案比選的基礎(chǔ)上，利用實(shí)體模型開展了水庫(kù)攔沙后期運(yùn)用方式研究長(zhǎng)系列年模型試驗(yàn)，重點(diǎn)檢驗(yàn)庫(kù)區(qū)干支流淤積形態(tài)與過程，水庫(kù)輸沙流態(tài)與排沙過程，以及庫(kù)容變化過程與形態(tài)分布。試驗(yàn)初始地形采用2007年10月實(shí)測(cè)地形，庫(kù)區(qū)淤積總量為23.875億m3(接近水庫(kù)攔沙初期與攔沙后期的界定值21億 ～22億m3)，其中支流淤積4.113億 m3。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 長(zhǎng)系列年模型試驗(yàn)地形變化過程

3.1 干流地形變化過程

庫(kù)區(qū)初始地形為三角洲淤積形態(tài)，頂點(diǎn)距大壩27.2 km，頂點(diǎn)高程220.07 m。三角洲頂點(diǎn)以下的前坡段，水深陡增，流速驟減，水流挾沙力急劇下降，試驗(yàn)初期大量泥沙在該庫(kù)段落淤，三角洲持續(xù)向壩前推進(jìn)。至系列年第5年三角洲頂點(diǎn)推進(jìn)至壩前轉(zhuǎn)化為錐體淤積形態(tài)，僅在壩前存在沖刷漏斗。之后河床逐步抬升，縱比降趨于減緩。系列年第14年汛期壩前段灘面高程達(dá)到254 m，且累積淤積量達(dá)到75.5億m3，水庫(kù)攔沙期結(jié)束轉(zhuǎn)入正常運(yùn)用期。第17年遇豐水年，水庫(kù)相機(jī)降水沖刷運(yùn)用，庫(kù)區(qū)溯源沖刷與沿程沖刷的共同作用，使河槽大幅度降低，形成高灘深槽形態(tài)，水庫(kù)縱剖面變化過程見圖3。

圖3 干流縱剖面變化過程(深泓點(diǎn))

3.2 支流地形變化過程

支流地形條件不同，其淤積形態(tài)與過程各不相同，甚至有較大的差別。距大壩約18km的畛水河是庫(kù)容最大的一條支流，275 m高程原始庫(kù)容17.81億m3，回水長(zhǎng)度達(dá)20 km以上。溝口斷面狹窄，約600 m，上游地形開闊，在2 500 m以上，進(jìn)入支流的水沙沿流程過流寬度驟然增加，流速迅速下降，泥沙沿程大量淤積，倒灌支流的渾水越遠(yuǎn)離口門，挾帶的沙量越少，而過流(鋪沙)寬度卻沿程增大。在水庫(kù)攔沙期，隨著支流河口淤積面不斷抬高，遠(yuǎn)離河口的支流河床抬升緩慢，兩者高差呈增大趨勢(shì)，見圖4。

圖4 支流畛水河縱剖面變化過程(深泓點(diǎn))

與畛水河平面形態(tài)不同的是距大壩約22 km的支流石井河，原始庫(kù)容為5.24億m3，275 m高程回水長(zhǎng)度約10 km，溝口寬度大于2000 m，向上游逐漸縮窄至500 m左右。支流口門開闊，有利于干流水沙側(cè)向倒灌，支流沿流程寬度逐步減小，河床抬升速度相對(duì)較快，攔門沙問題不突出，見圖5。

圖5 支流石井河縱剖面變化過程(深泓點(diǎn))

支流縱剖面的變化過程還反映，即使水庫(kù)攔沙期結(jié)束，干流河床處于動(dòng)平衡狀態(tài)，支流仍會(huì)隨渾水倒灌而緩慢抬升，從而使得支流河口與支流河床淤積面高差趨于減小。例如支流畛水河第15年與第17年縱剖面相比，口門高程基本無變化，而距口門5 km處淤積面高程抬升約6 m。

支流橫斷面淤積形態(tài)大多是平行抬升。當(dāng)水庫(kù)降水沖刷運(yùn)用，干流河床大幅度下降時(shí)，支流近口門處淤積面會(huì)隨之降低，形成明顯的河槽。距大壩約4km的支流大峪河，系列年試驗(yàn)過程中前10余年之前基本為平行淤積抬升，經(jīng)歷第17年降水沖刷后距河口較近的DY01斷面出現(xiàn)明顯的灘槽，見圖6(圖中起點(diǎn)距為距斷面起點(diǎn)樁的水平距離)。

圖6 支流大峪河DY01斷面調(diào)整過程

4 支流倒灌影響因素分析

支流相當(dāng)于干流河床的橫向延伸，支流河床倒灌淤積過程(包括淤積量與形態(tài))與支流地形條件、干流的淤積形態(tài)、入庫(kù)水沙過程、水庫(kù)調(diào)度方式等因素密切相關(guān)。

a.地形條件。干流水沙在輸移至干支流交匯處側(cè)向倒灌支流，若支流庫(kù)容大、回水長(zhǎng)、口門狹窄而內(nèi)部開闊，則不利于泥沙倒灌淤積，將使攔門沙突出，支流淤積緩慢，縱向高差大，如支流畛水河(圖4)。與之地形條件不同的是石井河(圖5)，兩者的縱剖面有顯著的區(qū)別。

b.干流的淤積形態(tài)。水庫(kù)攔沙期，干流淤積過程往往是三角洲向下游推進(jìn)的過程，當(dāng)干流淤積三角洲頂點(diǎn)位于支流上游時(shí)，一般情況下干流水沙在三角洲頂點(diǎn)附近產(chǎn)生異重流，其運(yùn)行至支流口門處仍以異重流倒灌支流。異重流倒灌時(shí)，支流淤積面縱向較為平整，只是由于泥沙沿程分選而呈現(xiàn)一定的坡降。當(dāng)干流三角洲頂點(diǎn)推進(jìn)并越過支流溝口時(shí)，該庫(kù)段干流河床與支流口門附近淤積面驟然大幅度抬升而形成明顯的攔門沙。以支流大峪河為例(圖7)，系列年試驗(yàn)的第1年至第4年，干流三角洲頂點(diǎn)基本位于支流口上游，干流渾水以異重流倒灌支流，支流縱剖面較為平整，至第5年干流三角洲頂點(diǎn)推進(jìn)至支流口門下游，攔門沙坎驟然形成，這種變化趨勢(shì)和野外觀測(cè)資料一致。

圖7 支流大峪河縱剖面調(diào)整過程

c.入庫(kù)水沙過程。無論是異重流或明流倒灌，洪水歷時(shí)長(zhǎng)、量級(jí)大、水流含沙量高，則更有利于支流倒灌淤積。若干支流為異重流倒灌，洪水歷時(shí)長(zhǎng)，不僅可以充滿支流庫(kù)容，而且倒灌支流渾水中懸浮的泥沙不斷沉淀淤積，析出清水后回歸干流，在干流渾水與支流清水不斷發(fā)生交換過程中，支流河床被淤積抬升;若為明流倒灌，長(zhǎng)歷時(shí)大洪水才有漫過攔門沙進(jìn)入支流的可能，若支流水位低，干支流水位差使得倒灌流速大，甚至?xí)_刷降低支流攔門沙高程加速支流倒灌。圖8為支流畛水河年淤積量與當(dāng)年入庫(kù)流量大于2600 m3/s時(shí)段總水量的關(guān)系［11］，可看出兩者具有較好的相關(guān)性。

圖8 畛水河年淤積量與當(dāng)年流量大于2600 m3/s時(shí)段總水量的關(guān)系

d.水庫(kù)調(diào)度。水庫(kù)調(diào)度過程是影響庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)與輸沙流態(tài)的重要因素之一。初步分析認(rèn)為通過優(yōu)化水庫(kù)運(yùn)用方式可較長(zhǎng)時(shí)期保持動(dòng)態(tài)三角洲淤積形態(tài)，有利于支流庫(kù)容的有效利用。專門開展的模型對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明［12］，在相同的水沙條件與初始邊界條件下，優(yōu)化水庫(kù)運(yùn)用方案可使得支流畛水河攔門沙坎降低10 m左右。

需要指出的是，在水庫(kù)攔沙階段，干流淤積面逐步抬升，對(duì)于庫(kù)容較大的支流畛水河，由于抬升幅度小于干流而使得干支流淤積面高差逐漸加大，當(dāng)水庫(kù)攔沙期基本結(jié)束，干流河床不再持續(xù)抬升，處于動(dòng)平衡狀態(tài)時(shí)，支流淤積面仍然會(huì)隨著干流水流漫灘，或通過貫通于干支流的河槽倒灌而逐漸淤積抬升，使得支流縱向淤積面高差趨于減小。

5 結(jié)論

a.支流相當(dāng)于干流河床的橫向延伸。若支流庫(kù)容大、回水長(zhǎng)、口門狹窄而內(nèi)部開闊，則不利于泥沙倒灌淤積，相應(yīng)支流淤積緩慢，縱向高差大，攔門沙突出。

b.若干支流為異重流倒灌，支流沿流程淤積分布相對(duì)均勻。當(dāng)干流淤積三角洲頂點(diǎn)推進(jìn)并越過支流口門時(shí)，攔門沙坎驟然形成，且隨著倒灌流態(tài)由異重流為主轉(zhuǎn)變?yōu)槊髁鳛橹鳎瑪r門沙坎呈愈加顯著的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)和野外觀測(cè)資料一致。

c.進(jìn)一步優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度方式，控制庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)與過程，可有效降低攔門沙高程，通過長(zhǎng)系列年模型試驗(yàn)，對(duì)比分析兩種擬定的調(diào)度方案，優(yōu)化方案畛水河口攔門沙壩可降低10 m左右，更有利于支流庫(kù)容的有效利用。

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Model test of water intrusion and deposition morphology of tributary in Xiaolangdi Reservoir

ZHANG Junhua1，2，MA Huaibao1，2，WANG Ting1，2，JIANG Siqi1，2(1.Research Centre of Xiaolangdi，Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China;2.Key Laboratory of Yellow River Sediment Research of Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450003，China)

Xiaolangdi Reservoir;water intrusion of tributary;deposition morphology;sandbar;model test

TV145

A

1006-7647(2013)02-0001-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.001

國(guó)家自然科學(xué)基金(51179072);水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(200901015)

張俊華(1957—)，女，河南西華人，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士，主要從事河流泥沙研究。E-mail:zhangjh1126@163.com

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Based on a physical model of the Xiaolangdi Reservoir，experiments on the operational mode of the reservoir during a later sediment retaining period were carried out to analyze water intrusion and deposition morphology of a tributary.The results show that the Zhenshui River，which is the largest tributary of the Xiaolangdi Reservoir，has a narrow estuary and an obvious sandbar problem，and its longitudinal surface is different from the design.There is good linear correlation between the annual sedimentation of the tributary and total water volume with a discharge of more than 2 600 m3/s.By optimizing the reservoir operational mode，the deposition morphology of a dynamic delta can be maintained for a long time，which is better for efficient utilization of tributary storage.When the main river bed is in dynamic equilibrium，the height between main rivers bed and tributaries bed decreases due to the accretion of the tributary river bed.

2012-06-06 編輯:熊水斌)