李 濤，夏潤(rùn)亮，夏軍強(qiáng)，張俊華，俞 彥，吳 丹

(1：黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003) (2：武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

小浪底水利樞紐是解決黃河下游防洪、減淤問(wèn)題的關(guān)鍵性控制工程. 小浪底庫(kù)區(qū)支流眾多，275 m高程以下原始庫(kù)容大于1億m3的支流有11條[1]. 庫(kù)區(qū)支流平時(shí)流量很小甚至斷流，只是在汛期發(fā)生歷時(shí)短暫的洪水時(shí)，有砂卵石推移質(zhì)順流而下. 據(jù)計(jì)算分析庫(kù)區(qū)支流年平均推移質(zhì)輸沙總量約為27萬(wàn)t，懸移質(zhì)輸沙量約為297萬(wàn)t，與干流來(lái)沙量相比可忽略不計(jì). 因此，支流庫(kù)容的攔沙量取決于干流進(jìn)入支流的沙量. 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[1-2].

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)，但支流攔沙量取決于干流倒灌沙量[3]. 在支流泥沙運(yùn)行規(guī)律研究方面，周勤等[4]關(guān)注了干清支渾型水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律,王婷等[1]分析了小浪底水庫(kù)支流近年來(lái)淤積形態(tài)的演變，李濤等[5]研究了水庫(kù)降水沖刷過(guò)程中支流的影響問(wèn)題. 在支流淤積形成攔門(mén)沙方面，多個(gè)水庫(kù)存在相同難題，漢江的丹江口水庫(kù)支流遠(yuǎn)河河口與支流河床的高差達(dá)10余米，攔門(mén)沙逐年增長(zhǎng)[6]. 朱玲玲等[7-8]研究了三峽水庫(kù)支流河口淤積成因及攔門(mén)沙形成風(fēng)險(xiǎn)，楊霞等[9]研究了三峽水庫(kù)香溪河河口泥沙淤積特性，王永艷等[10]分析了三峽忠縣段懸移質(zhì)泥沙淤積特點(diǎn)，胡春宏等[11]針對(duì)永定河上的官?gòu)d水庫(kù)支流媯水河攔門(mén)沙淤堵河口、使水庫(kù)功能弱化的特點(diǎn)，提出逐步采用工程措施改善現(xiàn)狀;張俊華等[12]從小浪底水庫(kù)攔沙后期防洪減淤運(yùn)用方式系列年模型試驗(yàn)認(rèn)識(shí)到：①大多支流淤積形態(tài)與設(shè)計(jì)相近，但庫(kù)區(qū)原始庫(kù)容最大的支流畛水的淤積形態(tài)與設(shè)計(jì)值有較大的差別；②支流淤積形態(tài)與小浪底目前淤積形態(tài)有較大差別. 小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)的實(shí)測(cè)資料顯示，支流最大攔門(mén)沙坎與其河床的高差已超過(guò)10 m[13]. 因此，水庫(kù)攔門(mén)沙的發(fā)展機(jī)理與變化受到管理部門(mén)和水庫(kù)調(diào)度部門(mén)的廣泛關(guān)注. 由于水庫(kù)運(yùn)用過(guò)程中，庫(kù)區(qū)邊界條件、入庫(kù)水沙過(guò)程與水庫(kù)水位變化[14-15]，影響了庫(kù)區(qū)支流淤積形態(tài)，且相應(yīng)的演變過(guò)程具有隨機(jī)性與多種可能性，再加上干支流交匯處水流一般形成螺旋流，具有較強(qiáng)的三維特性，導(dǎo)致其演變機(jī)理異常復(fù)雜.

本研究利用小浪底水庫(kù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析支流淤積形態(tài)與變化過(guò)程及其主要影響因素，探討水沙倒灌支流的淤積機(jī)理，進(jìn)而為水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙方案編制、支流泥沙沖淤規(guī)律認(rèn)識(shí)、支流庫(kù)容有效利用、水庫(kù)攔沙期壽命延長(zhǎng)提供技術(shù)支撐.

1 研究區(qū)域

小浪底水庫(kù)壩址控制流域面積69.42萬(wàn)km2，占黃河流域面積的92.3%. 大壩位于河南洛陽(yáng)以北約40 km的黃河干流上，上距三門(mén)峽水庫(kù)123.4 km，下距鄭州花園口115 km. 小浪底水庫(kù)正常蓄水位為275 m，支流河口攔沙坎淤堵庫(kù)容為3億m3. 根據(jù)1997年9月實(shí)測(cè)資料計(jì)算原始庫(kù)容為127.538億m3，干流庫(kù)容為74.904億m3，約占總庫(kù)容的58.7%；支流庫(kù)容為52.634億m3，約占總庫(kù)容的41.3%. 水庫(kù)原始庫(kù)容特征如下：高程230 m以上庫(kù)容85.09億m3，占總庫(kù)容的66.7%. 距壩約30 km范圍內(nèi)庫(kù)容約占總庫(kù)容的60.3%；素有“八里胡同”之稱(chēng)的庫(kù)段以下4條大支流(東洋河、石井河、畛水、大峪河)占支流總庫(kù)容的比例為59.6%；庫(kù)區(qū)原始庫(kù)容大于1億m3的支流有11條，集中分布在水庫(kù)下段. 距壩67 km以上(占總庫(kù)長(zhǎng)的52%)庫(kù)容約占總庫(kù)容的6.8%. 小浪底水庫(kù)蓄水至275 m時(shí)，形成東西長(zhǎng)約130 km，南北寬300～3000 m的狹長(zhǎng)水域. 小浪底水庫(kù)平面示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 小浪底庫(kù)區(qū)平面示意圖Fig.1 Plan sketch of Xiaolangdi Reservoir area

小浪底水庫(kù)入庫(kù)站為三門(mén)峽水文站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三門(mén)峽站)，由于小浪底庫(kù)區(qū)其他支流來(lái)水來(lái)沙量較小，一般不做考慮，僅把三門(mén)峽站作為庫(kù)區(qū)的入庫(kù)水沙站. 出庫(kù)站為小浪底水文站(以下簡(jiǎn)稱(chēng)小浪底站). 本文的主要研究區(qū)域?yàn)樾±说姿畮?kù)典型支流畛水河與石井河.

畛水河是小浪底水庫(kù)庫(kù)容最大的一級(jí)支流，在距壩17.2 km的黃河右岸順直河段匯入干流，畛水支流平面形態(tài)呈葫蘆狀，進(jìn)口小而內(nèi)部庫(kù)容大且地勢(shì)狹長(zhǎng)，河床原始比降為0.68‰，隨著干流河床的不斷淤積，河口攔門(mén)沙發(fā)育較快，但產(chǎn)生倒比降.

石井河是小浪底水庫(kù)一級(jí)支流，在距壩22.1 km的黃河右岸彎道處匯入干流，石井河平面形態(tài)外口寬闊，與上下游灘地相連，內(nèi)部急劇縮窄，略顯窄淺，隨著干流河床的不斷淤積，河口攔門(mén)沙發(fā)育較快，支流內(nèi)部無(wú)倒比降.

2 干流橫斷面形態(tài)調(diào)整過(guò)程

1999年10月下閘蓄水時(shí)，庫(kù)底縱剖面淤積形態(tài)為原始河床，隨著水庫(kù)蓄水運(yùn)用，庫(kù)區(qū)干流地形表現(xiàn)為三角洲淤積形態(tài). 水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，隨著庫(kù)區(qū)泥沙淤積，三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn)，至2015年10月，三角洲頂點(diǎn)位置由運(yùn)用初期的距壩6 0 km以上，下移至距壩16.39 km的HH11斷面，三角洲頂點(diǎn)高程為222.36 m. 庫(kù)區(qū)內(nèi)沿程淤積基本分為上下兩段，上段為明流淤積和壅水明流淤積交替，局部出現(xiàn)明顯灘槽，下段為異重流淤積段，以平行淤積抬升為主. 水庫(kù)淤積的縱剖面受來(lái)水來(lái)沙影響較大.

河槽形態(tài)也取決于水沙過(guò)程，長(zhǎng)時(shí)期的小流量過(guò)程導(dǎo)致河槽逐步萎縮，歷時(shí)較長(zhǎng)的大流量過(guò)程則引起河槽下切展寬，河槽過(guò)水面積顯著擴(kuò)大. 水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，大部分時(shí)段庫(kù)區(qū)主槽位置相對(duì)固定. 隨著庫(kù)區(qū)泥沙的淤積，橫斷面整體表現(xiàn)為同步淤積抬升趨勢(shì).

如圖2a～d分別為典型年份HH01、HH10、HH37、HH45斷面套繪圖. HH01斷面距壩1.32 km，其橫斷面變化代表壩前淤積形態(tài)的變化，從2000年10月水庫(kù)蓄水?dāng)r沙，壩前淤積速度加快，到2003年10月壩前淤積，深泓點(diǎn)高程由159.67 m抬高到174.36 m，深泓點(diǎn)由居中擺動(dòng)到偏右岸，之后全斷面平行抬升，至2010年10月到188.93 m；在2011年汛后在斷面居中偏左岸出現(xiàn)梯形河槽，經(jīng)過(guò)沖淤調(diào)整，至2015年汛后，其上底寬為192 m，下底寬約為99 m，河槽最大深度約4.0 m，左灘坡度為8.6%，右灘坡度為9.7%.

圖2 典型年份代表斷面套繪圖Fig.2 Drawing of representative cross sections in typical years

HH10斷面距壩約13.99 km，位于支流畛水口門(mén)下游，其橫斷面形態(tài)的變化一定程度上代表了畛水口門(mén)干支流交匯處附近地形的變化，2002年10月之前，斷面基本為平行抬升，斷面上沿橫向略有起伏，部分年份出現(xiàn)深泓點(diǎn)，深泓點(diǎn)多偏右岸，在2002年10月之后，河道沖淤變幅增加，尤其是2011年汛前、汛后相比，斷面兩側(cè)出現(xiàn)低槽，中間出高灘. 2011年10月之后，斷面形態(tài)仍表現(xiàn)為平行抬升.

3 支流縱向與橫向淤積形態(tài)

從圖3a、b可以看出，支流與干流自然相連，支流口門(mén)淤積厚度隨干流淤積的增加而增加，支流淤積情況與口門(mén)處干流挾沙水流的形態(tài)關(guān)系密切. 當(dāng)干支流相交處處于干流三角洲頂點(diǎn)以下，干流往往為發(fā)生異重流進(jìn)入支流的現(xiàn)象，同時(shí)支流口門(mén)淤積為平行抬升，由于存在泥沙的沿程淤積分選，支流河道沿水流流向形成較大坡降. 當(dāng)干流處于三角洲面時(shí)，河道內(nèi)塑造出明顯的灘槽，支流成為干流灘地的一部分. 干流渾水以明流流態(tài)倒灌進(jìn)入支流，也發(fā)生沿程落淤，結(jié)果是支流口門(mén)形成淤積較厚，口門(mén)以上淤積厚度沿程減少.

圖3 典型支流歷年汛后深泓點(diǎn)縱剖面套繪圖Fig.3 Longitudinal profile set drawing of thalweg point of typical tributaries after flood over the years

支流畛水橫斷面淤積形態(tài)大多是平行抬升的(圖4). 畛水的淤積隨著干流同步抬升，其淤積是從口門(mén)自下而上逆向淤積，距離口門(mén)越近，淤積越多，淤積泥沙顆粒越粗. 從支流畛水典型年份ZSH07橫斷面套繪圖(圖4b)可以看出，2011年10月之前，在此斷面淤積較少，而在2012年10月之后，該斷面淤積增加迅速，可以從2012年10月與2013年10月地形的對(duì)比看出. 隨著支流畛水口門(mén)斷面的淤積厚度的增加，支流畛水內(nèi)外高差增大，比降增大，支流畛水口門(mén)以內(nèi)淤積量增加，支流畛水口門(mén)以內(nèi)淤積量占支流畛水總淤積的比例增大. 從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，一定程度上，支流口門(mén)淤積的形成對(duì)支流攔沙庫(kù)容的利用是有利的.

圖4 支流畛水典型年份橫斷面套繪圖Fig.4 Cross-sectional map of the tributary Zhenshui in typical years

水庫(kù)運(yùn)用后，石井SJH01、SJH02橫斷面在1999-2015年一直保持平行抬升的趨勢(shì)(圖5). 其中，石井SJH01橫斷面在2011年汛前停止測(cè)驗(yàn)，這是由于該橫斷面位于石井口門(mén)，石井口門(mén)寬闊，由于2012年之后庫(kù)區(qū)干流三角洲頂點(diǎn)推過(guò)石井口門(mén)后，在水流泥沙作用下形成了新的河勢(shì)，與上游右岸邊灘連為一體，逐漸成為干流灘面的一部分，支流石井則成為該河段干流灘面的延伸. 石井SJH01斷面變?yōu)楦闪鞯臑┟嬉徊糠郑罄m(xù)不再測(cè)驗(yàn)，后期選擇石井SJH02斷面作為口門(mén)斷面分析.

圖5 支流石井典型年份橫斷面套繪圖Fig.5 Cross-sectional map of the tributary Shijing in typical years

畛水口ZSH01橫斷面隨著淤積抬升其河寬也逐步展寬，石井口SJH02橫斷面隨著淤積抬升其河寬也逐步展寬(表1). 從兩個(gè)口門(mén)河底寬度對(duì)比來(lái)看，石井口門(mén)河底寬度大于畛水口門(mén)，其內(nèi)部河底寬度卻比畛水內(nèi)部河底寬度小很多，這也是兩支流淤積形態(tài)不同的重要原因.

表1 畛水ZSH01和石井SJH02橫斷面河底寬度變化

4 水庫(kù)異重流倒灌支流的淤積機(jī)理

圖6a、b分別為兩條支流河底淤積寬度(以下簡(jiǎn)稱(chēng)河寬B)、口門(mén)斷面淤積厚度(H)隨時(shí)間的變化圖.畛水河寬處于緩慢增大的過(guò)程，石井河的河寬變化與畛水一致，但增幅大于畛水的(圖6a). 畛水口門(mén)淤積變化幅度大，具有緩慢增大趨勢(shì)，石井的口門(mén)淤積變化與畛水一致(圖6b).

圖6 兩條支流河寬、口門(mén)斷面淤積厚度隨時(shí)間的變化Fig.6 Variation of the width of the two tributaries and the siltation thickness of the portal section with time

干流水沙進(jìn)入支流大多以異重流形式進(jìn)入，支流口門(mén)淤積的規(guī)模增加在斷面方向上表現(xiàn)為寬度和高度二維變化，認(rèn)為B與H的組合H/B的變化可代表口門(mén)斷面淤積的變化規(guī)模，根據(jù)上文分析可知，水庫(kù)支流口門(mén)淤積的增長(zhǎng)一定程度上代表了干支流水沙分配與淤積結(jié)果，流量Q代表入庫(kù)水流動(dòng)力，Sv為入庫(kù)渾水體積比含沙量，Q為入庫(kù)流量，Q越大，H/B越小，對(duì)支流口門(mén)形成的淤積越不利(圖7a).

Sv代表入庫(kù)泥沙條件，含沙量越高，H/B越大，對(duì)支流口門(mén)形成的淤積越有利(圖7b)；庫(kù)區(qū)的淤積形態(tài)(用淤積三角洲頂點(diǎn)距壩里程L表示)影響異重流的形成位置和運(yùn)行距離，L代表沿程阻力，該值越大，支流距離三角洲頂點(diǎn)越遠(yuǎn)，H/B越大(圖7c). 構(gòu)造無(wú)量綱因子Q0.4/(g0.2·L)表征入庫(kù)動(dòng)力與庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)的變化(圖7d)，可見(jiàn)Q0.4/(g0.2·L)越大，H/B越小，對(duì)支流口門(mén)形成的淤積越不利.

圖7 支流畛水口門(mén)淤積特征值與各因子的關(guān)系Fig.7 The relationship between characteristic values and factors of portal deposition in tributary Zhenshui

異重流倒灌時(shí)石井支流口門(mén)斷面淤積厚度特征與水庫(kù)來(lái)沙及庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)的關(guān)系表明，H/B與含沙量Sv呈正相關(guān)關(guān)系，與淤積形態(tài)L呈弱正相關(guān)關(guān)系，與水庫(kù)來(lái)流Q0.4/(g0.2·L)呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖8).

圖8 支流石井口門(mén)斷面淤積特征值與各因子的關(guān)系Fig.8 The relationship between characteristic values and factors of portal deposition in tributary Shijing

根據(jù)以上分析，按不同輸沙水流形態(tài)條件建立以下公式. 從公式(1)、(2)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比可以看出，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均較為接近(圖9)，畛水、石井河的R2分別為 0.64、 0.70.

圖9 支流畛水(a)和石井(b)H/B實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的對(duì)比Fig.9 Comparison between measured values and calculated values of H/B in the tributaries Zhenshui (a) and Shijing (b)

畛水：

(1)

石井：

(2)

通過(guò)以上分析可知，支流的分流及淤積與入庫(kù)流量、含沙量及庫(kù)區(qū)的淤積形態(tài)有關(guān). 入庫(kù)流量越大，支流分流比小，支流淤積規(guī)模小；入庫(kù)含沙量越大，支流分沙比越大，支流淤積規(guī)模越大.

這說(shuō)明在水庫(kù)調(diào)度或調(diào)水調(diào)沙過(guò)程，加大入庫(kù)流量、減小入庫(kù)含沙量可以減小支流淤積規(guī)模. 對(duì)于水庫(kù)異重流塑造過(guò)程中，相同條件下，加大入庫(kù)流量可減小支流分流比例，減小能量損失，從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，可提高異重流運(yùn)動(dòng)到壩前的可能性. 而較小的入庫(kù)流量則會(huì)增大支流分流比，增加能量損失，減小異重流運(yùn)動(dòng)到壩前的可能性.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)典型多沙河流水庫(kù)運(yùn)用對(duì)支流淤積的影響進(jìn)行分析，認(rèn)為入庫(kù)水量及入庫(kù)沙量對(duì)支流淤積的抬升具有重要的影響.

1)1999年10月小浪底庫(kù)底縱剖面淤積形態(tài)為原始河床，水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，隨著庫(kù)區(qū)泥沙淤積，三角洲頂點(diǎn)不斷向壩前推進(jìn). 當(dāng)干支流相交處處于干流三角洲頂點(diǎn)以下，支流口門(mén)淤積為平行抬升，由于存在泥沙的沿程淤積分選，支流河道沿水流流向形成較大坡降. 當(dāng)干流處于三角洲面時(shí)，河道內(nèi)塑造出明顯的灘槽，支流成為干流灘地的一部分. 支流口門(mén)形成淤積較厚，口門(mén)以上淤積厚度沿程減少.

2)探討了淤積灘面變化規(guī)模與入庫(kù)流量、入庫(kù)體積比含沙量、庫(kù)區(qū)淤積三角洲距壩里程的變化特性，建立了不同輸沙水流形態(tài)條件下的淤積灘面變化公式，公式表明，支流的分流及淤積與入庫(kù)流量、含沙量及庫(kù)區(qū)的淤積形態(tài)有關(guān). 入庫(kù)流量越大，支流淤積規(guī)模?。蝗霂?kù)含沙量越大，支流淤積規(guī)模越大. 淤積灘面變化的規(guī)模與支流攔門(mén)沙坎變化同步.

3)通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，增加入庫(kù)洪水流量或減小入庫(kù)洪水含沙量，使得支流淤積規(guī)模減小. 在水庫(kù)異重流所形成的淤積形態(tài)過(guò)程中，支流口門(mén)淤積規(guī)模與灘地相同，支流淤積規(guī)模與支流的幾何形態(tài)關(guān)系緊密.