侯素珍,胡 恬,楊 飛
(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院,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)
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(nèi),壩址左岸為山西省偏關(guān)縣,右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗,工程主要任務(wù)是供水結(jié)合發(fā)電調(diào)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(diào)節(jié)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(fā)電水位為952.00 m,水庫采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式,排沙期運(yùn)用水位為 952.00 ~957.00 m[1]。水庫整體處于峽谷地帶,平面形態(tài)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(yùn)用后,庫區(qū)淤積、庫容減少[2],調(diào)節(jié)庫容小于設(shè)計(jì)值;2011年后采取排沙運(yùn)用方式,入庫水量偏枯,排沙量有限,淤積繼續(xù)發(fā)展;2018—2019年黃河上游來水偏豐,水庫降低水位進(jìn)行沖沙運(yùn)用,部分庫容得以恢復(fù)。 庫區(qū)沖淤及庫容變化規(guī)律與水庫的蓄水排沙運(yùn)用方式直接相關(guān)。 已有大量學(xué)者對水庫排沙方式進(jìn)行研究,總結(jié)了不同排沙方式的排沙經(jīng)驗(yàn)公式[3-8]。 任紅俊等[1]、程立軍等[2]對萬家寨水庫運(yùn)用初期的泥沙淤積及三角洲淤積形態(tài)進(jìn)行了深入分析。 然而,2011年水庫排沙運(yùn)用后庫區(qū)沖淤過程和河床形態(tài)發(fā)生調(diào)整,對防洪庫容產(chǎn)生了較大影響,目前仍缺乏對庫區(qū)淤積形態(tài)變化的系統(tǒng)研究。 本文以萬家寨水庫進(jìn)出庫水沙資料和庫區(qū)淤積資料為基礎(chǔ),針對庫區(qū)沖淤量的時(shí)空分布、淤積形態(tài)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(diào)度以及運(yùn)用管理提供科學(xué)參考。
萬家寨水庫非汛期蓄水運(yùn)用,上游來沙基本淤積在庫內(nèi),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(yùn)用。 8—9月為排沙期,水庫保持低水位運(yùn)用,入庫流量小于800 m3/s 時(shí)庫水位控制在952.00~957.00 m 進(jìn)行發(fā)電調(diào)峰運(yùn)用;入庫流量大于800 m3/s 時(shí)庫水位保持在952.00 m 運(yùn)用;當(dāng)水庫淤積嚴(yán)重難以保持日調(diào)節(jié)庫容時(shí),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(jìn)行沖沙運(yùn)用。萬家寨水庫實(shí)際運(yùn)用過程分為2 個(gè)階段:2010年以前水庫以攔沙運(yùn)用為主,汛期平均運(yùn)用水位為965.82 m,最低運(yùn)用水位為954.94 m;2011年以后水庫以排沙運(yùn)用為主,汛期平均運(yùn)用水位為960.41 m,最低運(yùn)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(dá)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(jìn)行排沙;2007—2010年桃汛期水庫進(jìn)行補(bǔ)水運(yùn)用,最低水位降至952.00 m 進(jìn)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(jìn)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(shí)間泄洪沖沙,汛期排沙量分別達(dá)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
由萬家寨庫區(qū)斷面測驗(yàn)資料可知,自水庫開始運(yùn)用至 2019年 10月累計(jì)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(jīng)歷了連續(xù)淤積和沖刷過程,2013年之前水庫均表現(xiàn)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(qū)歷年沖淤過程見圖2。
圖2 萬家寨庫區(qū)歷年沖淤過程
從年內(nèi)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(yùn)用水位較低,非汛期沒有發(fā)生淤積;2006年開展桃汛洪水沖刷降低潼關(guān)高程試驗(yàn)后,水庫降低水位進(jìn)行補(bǔ)水運(yùn)用;2007—2010年水庫最低水位降至952 m進(jìn)行排沙,該時(shí)段非汛期總體表現(xiàn)為沖刷,淤積量減小。 水庫汛期分為泥沙淤積和沖刷2 個(gè)階段:2010年以前水庫表現(xiàn)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(shù)年份水庫表現(xiàn)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(qū)泥沙淤積或有效庫容的影響較小。
采用斷面法統(tǒng)計(jì)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(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)),其分段沖淤量及占比見表1。 可以看出,自萬家寨水庫運(yùn)用至2019年汛后,庫區(qū)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(nèi))淤積量占庫區(qū)淤積總量的 94.66%;WD42 斷面—WD54 斷面淤積量較小,占庫區(qū)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(xiàn)為沖刷。
圖3 不同時(shí)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(jù)水庫排沙運(yùn)用以及年內(nèi)沖淤變化將水庫沖淤過程分3 個(gè)階段。 第一階段:2010年之前水庫進(jìn)行攔沙運(yùn)用,庫區(qū)累計(jì)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(xiàn)為微沖,WD64 斷面—WD74 斷面表現(xiàn)為微淤。第二階段:2011—2017年8月、9月水庫降低水位排沙運(yùn)用,庫區(qū)沖淤分布發(fā)生較大變化,呈上沖下淤的特征,WD23 斷面以下表現(xiàn)為淤積,淤積量為0.523 億 m3,WD23 斷面—WD54 斷面表現(xiàn)為沖刷,沖刷量為0.145億m3,WD56 斷面以上庫區(qū)以淤積為主。 第三階段:2018—2019年水庫降低水位沖沙運(yùn)用,庫區(qū)整體表現(xiàn)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(shí)段庫區(qū)沖刷總量的91.0%),WD42 斷面—WD54 斷面沖刷量為0.104 億 m3(占該時(shí)段庫區(qū)沖刷總量的8.0%)。
從不同河段來看,WD42 斷面以下受水庫運(yùn)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。
不同高程區(qū)間的庫區(qū)沖淤量隨來水來沙特性和水庫運(yùn)用方式的變化而變化,把庫區(qū)沖淤過程分為3 個(gè)時(shí)段,各時(shí)段的庫區(qū)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(qū)淤積階段,980 m 高程以下庫區(qū)淤積總量為4.114 億m3,966 m 高程以下庫區(qū)淤積量占淤積總量的93.2%,不同高程區(qū)間庫區(qū)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(yùn)用,入庫流量較小使庫區(qū)繼續(xù)淤積,948 m 高程以下庫區(qū)淤積量占淤積總量的76%,948 ~957 m 高程區(qū)間庫區(qū)有少量淤積,957 m 高程以上庫區(qū)有沖有淤。 2018年和2019年汛期入庫流量為1 000 m3/s 的持續(xù)時(shí)間長,水庫降低水位沖沙運(yùn)用,各高程區(qū)間庫區(qū)均發(fā)生不同程度的沖刷,2018年和2019年980 m 高程以下庫區(qū)沖刷總量為1.365億m3,其中966 m 高程以下庫區(qū)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(fù)21.85%,948~952 m 高程區(qū)間庫容恢復(fù)33.84%,發(fā)電最低水位952 m 至汛限水位966 m庫容恢復(fù)20.2%,966 ~977 m 高程區(qū)間庫容僅恢復(fù)3.7%,正常蓄水位977 m 以上庫尾段水庫運(yùn)用以來為沖刷狀態(tài)。
圖4 不同高程區(qū)間的庫區(qū)沖淤量
圖5 不同高程區(qū)間的庫區(qū)庫容淤積比
綜上,從沿程沖淤分布來看,WD42 斷面以下是庫區(qū)淤積的主要位置,WD54 斷面以上庫區(qū)沖淤量變幅很小,基本不受水庫運(yùn)用的影響。 從分級高程的庫區(qū)淤積量及庫容變化來看,977 m 高程以上庫區(qū)以沖刷為主,966 m高程以下庫區(qū)淤積集中,降水沖刷時(shí)庫容恢復(fù)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(yùn)用可以沖刷庫區(qū)淤積泥沙,恢復(fù)部分有效庫容,因此加強(qiáng)降水沖沙調(diào)度是維持萬家寨水庫防洪庫容的有效運(yùn)用方式。
水庫蓄水后水位升高,含沙水流自天然河道進(jìn)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(tài),在回水末端附近很快落淤,淤積體縱向發(fā)展和形態(tài)特征主要取決于入庫水沙特性、水庫運(yùn)用水位等。
萬家寨水庫運(yùn)用初期水位逐漸升高,庫區(qū)泥沙呈帶狀淤積,隨著回水變動區(qū)落淤量的增大,形成三角洲淤積體并向壩前發(fā)展。 根據(jù)庫區(qū)深泓高程的變化,將淤積發(fā)展過程分3 個(gè)階段。 第一階段(1999—2009年)是三角洲形成及發(fā)展階段(見圖6(a)),到2003年形成明顯的三角洲淤積形態(tài),三角洲頂點(diǎn)位置距壩址約30 km;隨著淤積不斷發(fā)展,三角洲向壩前推進(jìn),頂坡段淤積抬高,到2009年三角洲頂點(diǎn)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(jīng)高于壩前淤積平衡后的河底高程,影響水庫調(diào)節(jié)庫容。 第二階段(2010—2013年)前坡段繼續(xù)向壩前推進(jìn)(見圖6(a)),頂坡段沖刷調(diào)整。2011年后注重水庫排沙運(yùn)用,8月、9月運(yùn)用水位下降,頂坡段洲面高程降低,但三角洲頂點(diǎn)繼續(xù)向壩前推進(jìn),到2013年10月三角洲頂點(diǎn)距壩址僅約3.9 km。第三階段(2014年后)三角洲前坡段沖刷調(diào)整(見圖6(b)),頂點(diǎn)位置后退,頂坡段淤積抬升。 2018年汛期水庫較長時(shí)間低水位運(yùn)行,庫區(qū)沖刷量大,沖刷后深泓點(diǎn)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(diǎn)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(tài)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(nèi)河段深泓高程基本恢復(fù)到2006年開展桃汛試驗(yàn)初期的深泓高程,壩前690 m 范圍河床呈小漏斗形態(tài),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(tài)總體沒有發(fā)生變化。
圖6 庫區(qū)深泓高程變化
從歷年深泓高程變化情況來看,自水庫運(yùn)用至2009年淤積抬升發(fā)展到WD54 斷面附近,之后沖淤調(diào)整向下發(fā)展,沒有出現(xiàn)淤積上延和“翹尾巴”現(xiàn)象。
三角洲的形成和發(fā)展與庫區(qū)淤積程度密切相關(guān),2017年之前汛后三角洲發(fā)展特征與庫區(qū)累計(jì)淤積量的關(guān)系見圖7。
圖7 三角洲發(fā)展特征與累計(jì)淤積量的關(guān)系
由圖7 可以看出,隨著庫區(qū)累計(jì)淤積量的增加,三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn),累計(jì)淤積量約4.5 億t 時(shí)三角洲頂點(diǎn)距壩址5~12 km。 三角洲頂點(diǎn)高程在水庫運(yùn)用初期逐漸抬升,累計(jì)淤積量為2 億t 以上時(shí),隨著累計(jì)淤積量增大和三角洲向壩前推進(jìn),三角洲頂點(diǎn)高程下降。 2018年水庫汛期沖刷量為1.573 億m3,三角洲形態(tài)調(diào)整不明顯。
庫區(qū)淤積過程中不同時(shí)期的橫斷面形態(tài)變化過程有一定差異。 在水庫運(yùn)用以來連續(xù)淤積時(shí)段內(nèi),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(shí)段內(nèi)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(tài)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(diǎn)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(fā)展到整個(gè)河寬。 WD6 斷面—WD42 斷面間河段在連續(xù)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(tài),河槽形態(tài)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(xù)發(fā)展,灘面淤高,主槽位置穩(wěn)定;2018年汛期沖刷后,多數(shù)斷面沖深展寬,至2019年汛后基本維持穩(wěn)定,如典型斷面WD11 表現(xiàn)出這種特征。 WD43 斷面—WD54 斷面受蓄水和彎曲性河道形態(tài)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(xiàn)出這種特征。 水庫運(yùn)用以來WD55 斷面以上原始河槽形態(tài)基本維持不變,年際間有沖淤調(diào)整,總體沒有累計(jì)淤積,基本不受水庫運(yùn)用方式影響,如典型斷面WD56 表現(xiàn)出這種特征。
圖8 典型斷面變化過程
萬家寨水庫自1998年運(yùn)用以來,庫區(qū)經(jīng)歷了淤積發(fā)展和沖刷調(diào)整過程。 根據(jù)斷面地形資料對萬家寨庫區(qū)沖淤演變特征進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論。
(1)截至2019年10月全庫區(qū)累計(jì)淤積3.330 億 m3,非汛期多為淤積過程,汛期由淤積轉(zhuǎn)變?yōu)闆_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(qū)淤積量占淤積總量的93.2%,977 ~980 m 水位之間庫區(qū)總體表現(xiàn)為沖刷。 2018年和2019年受汛期降低水位、沖沙運(yùn)用的影響,河床淤積面沿程普遍發(fā)生沖刷,沖刷集中在WD42 斷面以下和966 m 高程以下。
(2)庫區(qū)干流縱剖面呈三角洲淤積形態(tài),1999—2009年為三角洲形成及發(fā)展階段,頂坡段接近淤積平衡剖面高程;2010—2013年三角洲頂點(diǎn)繼續(xù)向壩前推進(jìn),頂坡段洲面高程沖刷降低;2014年開始三角洲頂點(diǎn)后退,2018年沖刷后三角洲形態(tài)消失。 橫斷面多表現(xiàn)為水平淤積抬升,沖刷后斷面形態(tài)由U 形演變成V形,形成高灘深槽。
(3)從淤積發(fā)展過程來看,WD54 斷面以上年際間發(fā)生沖淤調(diào)整,沒有產(chǎn)生累計(jì)淤積,淤積末端基本穩(wěn)定,萬家寨庫區(qū)不存在“翹尾巴”現(xiàn)象。