假冬冬 江恩慧 王遠(yuǎn)見(jiàn) 邵學(xué)軍

摘 要：水庫(kù)淤積形態(tài)是影響水沙調(diào)節(jié)效率的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。為優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度方式，采用考慮細(xì)顆粒淤積物流動(dòng)特性的水庫(kù)淤積形態(tài)數(shù)值模型，開(kāi)展了小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)對(duì)水沙調(diào)控響應(yīng)的模擬分析工作。研究結(jié)果表明：三角洲形態(tài)及頂點(diǎn)位置隨著水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)控而發(fā)生變化，三角洲頂點(diǎn)附近頂坡段的沖淤調(diào)整和水庫(kù)運(yùn)行低水位與三角洲頂點(diǎn)高程之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)水庫(kù)低水位低于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)三角洲頂坡段出現(xiàn)沖刷，當(dāng)水庫(kù)低水位高于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)三角洲頂坡段出現(xiàn)淤積;淤積形態(tài)為同等淤積量的錐體時(shí)，庫(kù)區(qū)上段受河道邊界影響有沖有淤，中下段庫(kù)區(qū)淤積明顯，且淤積量較三角洲淤積形態(tài)的大;考慮人工清淤措施時(shí)，清淤量與水庫(kù)淤積總量相比占比非常小，因此淤積形態(tài)總體變化與不考慮人工清淤時(shí)基本類(lèi)似，僅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定變化。

關(guān)鍵詞：淤積形態(tài);水沙調(diào)控;數(shù)值模擬;小浪底水庫(kù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV856;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.007

引用格式：假冬冬，江恩慧，王遠(yuǎn)見(jiàn)，等.小浪底水庫(kù)水沙調(diào)控對(duì)淤積形態(tài)影響的數(shù)值模擬[J].人民黃河，2022，44（2）：32-35，44.

Abstract： Sedimentation pattern is one of the critical factors， which has great impact on the efficiency of water and sediment regulation in reservoirs. In order to improve the reservoir operation， the responses of sedimentation patterns of the Xiaolangdi Reservoir to water and sediment regulation were simulated by a mathematical model considering the effect of fine-grained sediment deposits movement. The simulation results indicate that the delta sedimentation pattern is adjusted during the process of reservoir operation. The variation pattern of the top of the delta depends on the relationship between the lowest water level of reservoir operation and the top elevation of the delta. Erosion occurs when the lowest water level is lower than the elevation of delta top， otherwise deposition will be occurred. Compared with the delta deposition morphology， the sedimentation volume of cone deposition morphology is larger with the same method of water and sediment regulation. The variation of sedimentation pattern considering dredging in the vicinity of the top of the delta is very small， except for the location of dredging.

Key words： sedimentation pattern;water and sediment regulation;numerical simulation;Xiaolangdi Reservoir

基于水庫(kù)樞紐工程的水沙關(guān)系調(diào)節(jié)，是保障黃河長(zhǎng)久安瀾的重要手段，而水庫(kù)淤積形態(tài)則是影響水沙調(diào)節(jié)效率的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。水庫(kù)淤積形態(tài)是水庫(kù)泥沙運(yùn)動(dòng)的結(jié)果[1]，與入庫(kù)水沙條件、水庫(kù)自身特點(diǎn)及其運(yùn)行調(diào)度方式等因素相關(guān)。與此同時(shí)，水庫(kù)淤積形態(tài)又會(huì)影響庫(kù)區(qū)水沙輸移過(guò)程以及庫(kù)容分布，影響水庫(kù)設(shè)計(jì)功能的正常發(fā)揮。深入研究水沙調(diào)控對(duì)水庫(kù)淤積形態(tài)的影響過(guò)程與規(guī)律，不僅可以豐富水庫(kù)泥沙研究?jī)?nèi)容，也可以為水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度提供科技支撐，具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

關(guān)于水庫(kù)淤積形態(tài)的不同類(lèi)型與判別方法，我國(guó)學(xué)者提出了水庫(kù)三角洲淤積形態(tài)的具體判別方法，還在理論上給出了錐體淤積剖面近似于直線的結(jié)論，并分別提出了三角洲、錐體及帶狀3種典型淤積形態(tài)的判別方法[1-2]。小浪底水庫(kù)是黃河干流水沙調(diào)控的重要控制性工程，針對(duì)其水庫(kù)泥沙問(wèn)題，許多學(xué)者開(kāi)展過(guò)大量研究工作。在異重流潛入條件判別方面，李書(shū)霞等[3]通過(guò)改進(jìn)描述異重流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程，給出了潛入條件判別的新計(jì)算公式，并采用多組實(shí)測(cè)資料對(duì)該判別條件進(jìn)行率定與驗(yàn)證。在水庫(kù)降水庫(kù)區(qū)溯源沖刷方面，李濤等[4]利用小浪底水庫(kù)的實(shí)體模型，對(duì)溯源沖刷過(guò)程開(kāi)展了多個(gè)組次的試驗(yàn)，分析了侵蝕基準(zhǔn)面、水量等因素與水庫(kù)溯源沖刷量之間的關(guān)系。張俊華等[5]通過(guò)建立小浪底水庫(kù)準(zhǔn)二維數(shù)學(xué)模型，對(duì)水庫(kù)運(yùn)用初期的淤積過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。在水庫(kù)排沙比方面，張帥等[6]基于小浪底水庫(kù)實(shí)測(cè)資料，研究了汛期排沙比與進(jìn)出庫(kù)平均流量、入庫(kù)平均含沙量、平均庫(kù)容等因素之間的關(guān)系，并建立了擬合精度較高的排沙比計(jì)算公式。隨著小浪底水庫(kù)的持續(xù)運(yùn)行以及實(shí)測(cè)資料的不斷積累，孫東坡等[7]分析了入庫(kù)水沙過(guò)程以及庫(kù)區(qū)泥沙淤積的變化特點(diǎn)。王婷等[8]對(duì)小浪底水庫(kù)運(yùn)用至2016年的庫(kù)區(qū)淤積分布以及粒徑特征等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。張俊華等[9]從干支流倒灌機(jī)制、異重流潛入與運(yùn)動(dòng)規(guī)律、水庫(kù)高效輸沙調(diào)度原則、異重流高效排沙試驗(yàn)等方面，總結(jié)分析了小浪底水庫(kù)高效輸沙理論與調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)。隨著小浪底水庫(kù)泥沙研究的深入進(jìn)行，細(xì)顆粒淤積物自身的流動(dòng)特性因?qū)τ俜e形態(tài)存在較明顯的影響而開(kāi)始受到關(guān)注[10]。水庫(kù)淤積形態(tài)是影響水沙調(diào)控效率的一項(xiàng)重要因素，其對(duì)水沙調(diào)控，尤其是對(duì)泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控（如人工清淤等）的響應(yīng)規(guī)律如何，還有待進(jìn)一步深入研究。為此，筆者采用考慮細(xì)顆粒淤積物流動(dòng)特性的水庫(kù)淤積形態(tài)數(shù)值模型[10]，針對(duì)三角洲和錐體兩種典型淤積形態(tài)，開(kāi)展了小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)對(duì)典型水沙調(diào)控響應(yīng)的模擬分析，以期為水庫(kù)淤積形態(tài)演化機(jī)理和水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度的深入研究提供科技支撐。

1 小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)數(shù)值模型簡(jiǎn)介

1.1 小浪底水庫(kù)概況

小浪底水利樞紐工程是黃河水沙調(diào)控的關(guān)鍵控制性工程，在黃河治理與保護(hù)中具有重要戰(zhàn)略地位。樞紐工程位于黃河中游最后一個(gè)峽谷段的出口，控制流域面積約69.4萬(wàn)km2，占黃河流域面積的92.3%，上距三門(mén)峽水利樞紐約130 km。小浪底庫(kù)區(qū)平面形態(tài)狹長(zhǎng)彎曲，入?yún)R支流較多，如圖1所示。水庫(kù)設(shè)計(jì)正常蓄水位275 m，原始庫(kù)容127.5億m3，長(zhǎng)期有效庫(kù)容51億m3。該水庫(kù)主體工程于1994年9月開(kāi)工，1999年10月開(kāi)始下閘蓄水，2000年5月正式運(yùn)行。小浪底水庫(kù)運(yùn)行以后，實(shí)測(cè)資料表明庫(kù)區(qū)泥沙淤積顯著，2015年4月與1999年9月相比，水庫(kù)累計(jì)淤積的泥沙為30.49億m3（斷面法計(jì)算），約為設(shè)計(jì)攔沙庫(kù)容的42.1%[6]。

1.2 考慮細(xì)顆粒淤積物流動(dòng)的淤積形態(tài)數(shù)值模型簡(jiǎn)介

小浪底水庫(kù)近壩段淤積的泥沙粒徑較小，中值粒徑在0.008～0.015 mm之間[7，10]，此類(lèi)淤積物未密實(shí)前具有明顯的流動(dòng)性，是影響庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)的重要因素之一。因此，對(duì)于小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)的準(zhǔn)確模擬而言，一方面要考慮傳統(tǒng)的水沙輸移過(guò)程，另一方面還要模擬分析已落淤的細(xì)顆粒淤積物自身的流動(dòng)過(guò)程[10]。本研究所采用的小浪底水庫(kù)數(shù)值模型，模擬黃河干流河道長(zhǎng)約123 km，即上游HH56斷面到小浪底水庫(kù)大壩。模型基于傳統(tǒng)泥沙輸移的三維動(dòng)力學(xué)模型以及細(xì)顆粒淤積物運(yùn)動(dòng)模式，可較好地模擬水庫(kù)細(xì)顆粒泥沙淤積形態(tài)，通過(guò)2010年淤積形態(tài)沖淤變化的驗(yàn)證表明，實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合較好，可用于模擬淤積形態(tài)對(duì)水沙調(diào)控的響應(yīng)過(guò)程，模型情況詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

2 水沙調(diào)控對(duì)小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)的影響

本研究所指的水庫(kù)淤積形態(tài)為縱向淤積形態(tài)，即水庫(kù)沿縱向淤積的剖面形態(tài)。水庫(kù)的淤積形態(tài)外形比較復(fù)雜，其中三角洲淤積形態(tài)和錐體淤積形態(tài)是較為常見(jiàn)的兩種類(lèi)型。水庫(kù)泥沙淤積形態(tài)與水沙調(diào)控方式（運(yùn)行方式）密切相關(guān)，為此，本節(jié)采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算的研究方法，分析三角洲淤積形態(tài)和錐體淤積形態(tài)對(duì)泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控的響應(yīng)。

小浪底水庫(kù)實(shí)測(cè)淤積形態(tài)為三角洲淤積形態(tài)，錐體淤積形態(tài)設(shè)置則以實(shí)際水庫(kù)泥沙淤積量為基礎(chǔ)，在同等淤積量且?guī)煳脖冉蹬c三角洲淤積形態(tài)相當(dāng)?shù)那疤嵯赂呕鲥F體淤積形態(tài)。

2.1 計(jì)算水沙條件

不同水沙調(diào)控方式對(duì)水庫(kù)淤積形態(tài)的影響有所不同。結(jié)合2010年和2013年汛期小浪底水庫(kù)水沙調(diào)控過(guò)程，計(jì)算和分析淤積形態(tài)對(duì)水沙調(diào)控的響應(yīng)。2010年汛期入庫(kù)平均流量為1 127 m3/s、入庫(kù)平均含沙量為29.27 kg/m3，2013年汛期入庫(kù)平均流量為1 640 m3/s、入庫(kù)平均含沙量為22.65 kg/m3，對(duì)應(yīng)兩個(gè)年度的汛期壩前水位調(diào)控過(guò)程如圖2所示。

2.2 三角洲淤積形態(tài)響應(yīng)分析

2010年水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式的三角洲淤積形態(tài)變化如圖3所示，由圖3可見(jiàn)，水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行使三角洲淤積形態(tài)及其頂點(diǎn)位置發(fā)生變化。汛前（4月），三角洲頂點(diǎn)位置在距壩約24 km處，高程約為219.6 m。汛期水庫(kù)壩前水位降低運(yùn)行（最低水位約211.6 m），三角洲洲面出現(xiàn)較明顯的沖刷，壩前段與前坡段則出現(xiàn)明顯的淤積。汛后（10月），三角洲頂點(diǎn)向下游推進(jìn)到距壩約19.6 km的位置，三角洲頂點(diǎn)高程較汛前高程降低約4.0 m，為215.6 m。

2013年水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式的三角洲淤積形態(tài)變化如圖4所示，由圖4可見(jiàn)，隨著水庫(kù)的調(diào)度運(yùn)行，三角洲淤積形態(tài)及其頂點(diǎn)位置發(fā)生變化。汛前（4月），三角洲頂點(diǎn)位置在距壩約14 km處，高程約為210.0 m。汛期水庫(kù)壩前水位降低運(yùn)行（最低水位約212.8 m），水庫(kù)上游河段產(chǎn)生沖刷，下游河段產(chǎn)生淤積。汛后（10月），三角洲頂點(diǎn)位置沒(méi)有發(fā)生明顯變化，仍在距壩14 km處附近，三角洲頂點(diǎn)高程約為214.0 m，較汛前高程淤高約4.0 m。

水沙調(diào)度過(guò)程分析表明：小浪底水庫(kù)三角洲淤積形態(tài)在汛期水沙調(diào)控階段存在周期性的沖淤過(guò)程。水沙調(diào)控初始階段，壩前水位降低，庫(kù)區(qū)上游河段開(kāi)始產(chǎn)生沖刷，下游河段產(chǎn)生淤積。當(dāng)水位繼續(xù)下降時(shí)，沖刷河段逐漸向下游發(fā)展，三角洲前坡段向前淤積推進(jìn)。三角洲頂點(diǎn)附近頂坡段的沖淤調(diào)整和水庫(kù)運(yùn)行低水位與三角洲頂點(diǎn)高程之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)水庫(kù)低水位低于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)三角洲頂坡段出現(xiàn)沖刷（如2010年汛前三角洲頂點(diǎn)高程約為219.6 m，汛期壩前最低水位約為211.6 m），當(dāng)水庫(kù)低水位高于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)三角洲頂坡段出現(xiàn)淤積（如2013年汛前三角洲頂點(diǎn)高程約為210.0 m，汛期壩前最低水位約為212.8 m）。

此外，從2010年典型斷面沖淤變化（見(jiàn)圖5）來(lái)看，近壩段模擬的斷面淤積形態(tài)均較為平坦，主要原因是近壩段淤積泥沙顆粒較細(xì)，此類(lèi)淤積物在密實(shí)前流動(dòng)性較強(qiáng)，平衡坡降很小，數(shù)值模擬過(guò)程中對(duì)細(xì)顆粒淤積物自身的失穩(wěn)流動(dòng)特性進(jìn)行了考慮，這一模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)結(jié)果基本一致。對(duì)于淤積物粒徑相對(duì)較大的庫(kù)區(qū)上段，數(shù)值模擬過(guò)程中不考慮淤積物自身的流動(dòng)特性，斷面坡度則略大（如斷面HH44），實(shí)際情況與此基本一致。

除了上述傳統(tǒng)水沙調(diào)控外，泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控還包括人工擾動(dòng)和輔助清淤等相關(guān)措施。本節(jié)計(jì)算對(duì)人工清淤因素進(jìn)行了考慮，清淤部位不同，對(duì)淤積形態(tài)的影響也不同，本次計(jì)算方案假定在水庫(kù)三角洲頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行汛前集中清淤，清淤范圍為三角洲頂點(diǎn)及上游2 km的范圍，清淤厚度為2 m，寬度平均約1.5 km，清淤泥沙約600萬(wàn)m3。

各工況計(jì)算結(jié)果基本類(lèi)似，以2010年三角洲淤積形態(tài)為例，分析其淤積形態(tài)對(duì)泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控的響應(yīng)，模擬結(jié)果如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，由于人工清淤量與實(shí)際水庫(kù)淤積量相比占比較小，因此淤積形態(tài)總體變化情況與不考慮人工清淤時(shí)基本類(lèi)似，未發(fā)生明顯變化，僅在清淤疏浚河段及附近有一定變化，具體表現(xiàn)為：從高程看，以清淤段為中心，河床向壩前和庫(kù)尾方向高程略有降低，但影響范圍較小，基本為清淤長(zhǎng)度的3倍左右;從局部河床比降變化看，在影響范圍內(nèi)，清淤上段比降略有變陡，下段坡降變緩。

2.3 錐體淤積形態(tài)響應(yīng)分析

錐體淤積形態(tài)設(shè)置以2010年4月實(shí)際水庫(kù)泥沙淤積量為基礎(chǔ)，在同等淤積量且?guī)煳脖冉蹬c三角洲淤積形態(tài)相當(dāng)?shù)那疤嵯赂呕鲥F體淤積形態(tài)，如圖7所示。

2010年水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式的錐體淤積形態(tài)沖淤變化如圖8所示。由于錐體淤積形態(tài)的水流流速沿程減小較明顯，因此庫(kù)區(qū)上段受河道邊界影響有沖有淤，總體沖淤變化較小，中下段庫(kù)區(qū)淤積明顯，尤其是下段河道較寬處，最大淤積厚度可達(dá)10 m，壩前因汛期水位降低運(yùn)行而略有沖刷。水庫(kù)排沙比由三角洲淤積形態(tài)時(shí)的35%左右降低至錐體淤積形態(tài)時(shí)的27%左右，因此錐體淤積形態(tài)的水庫(kù)淤積總量增加約8%。

本節(jié)計(jì)算對(duì)人工清淤因素進(jìn)行了考慮，人工清淤方案與三角洲淤積形態(tài)時(shí)一致，即假定在水庫(kù)三角洲頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行汛前集中清淤，清淤泥沙同樣約為600萬(wàn)m3。錐體淤積形態(tài)對(duì)泥沙動(dòng)態(tài)調(diào)控的響應(yīng)模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，由于人工清淤量與實(shí)際水庫(kù)淤積量相比占比非常小，因此淤積形態(tài)總體變化情況與不考慮人工清淤時(shí)基本類(lèi)似，未發(fā)生明顯變化，僅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定變化，具體表現(xiàn)為：從高程看，以清淤段為中心，河床向壩前和庫(kù)尾方向高程略有降低，但影響范圍較小，基本為清淤長(zhǎng)度的3倍左右;從局部河床比降變化看，在影響范圍內(nèi)，清淤上段比降略有變陡，下段坡降變緩。這一變化特征與三角洲淤積形態(tài)基本一致。

需要指出的是，本文計(jì)算中假定在水庫(kù)三角洲頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行汛前集中清淤，而水庫(kù)清淤部位不同，對(duì)淤積形態(tài)的影響可能也會(huì)不同，本文僅對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了初步探討，還需結(jié)合水庫(kù)泥沙清淤利用的可能性等，開(kāi)展進(jìn)一步研究。此外，筆者僅在2010年、2013年汛期調(diào)度條件下進(jìn)行了研究，水庫(kù)泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)理復(fù)雜，水庫(kù)淤積形態(tài)對(duì)水沙調(diào)控的響應(yīng)規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

采用考慮細(xì)顆粒淤積物流動(dòng)特性的水庫(kù)淤積形態(tài)數(shù)值模型，針對(duì)三角洲和錐體兩種典型淤積形態(tài)，開(kāi)展了小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)對(duì)水沙調(diào)控響應(yīng)的模擬分析。

（1）三角洲淤積形態(tài)及頂點(diǎn)位置隨著水庫(kù)的運(yùn)行調(diào)控而發(fā)生變化。隨著汛期壩前水位降低運(yùn)行，庫(kù)區(qū)上游河段開(kāi)始產(chǎn)生沖刷，下游河段產(chǎn)生淤積;當(dāng)水位繼續(xù)下降時(shí)，沖刷河段逐漸向下游發(fā)展，三角洲前坡段向前淤積推進(jìn)。三角洲頂點(diǎn)附近頂坡段的沖淤調(diào)整和水庫(kù)運(yùn)行低水位與三角洲頂點(diǎn)高程之間存在較明顯的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)水庫(kù)低水位低于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)三角洲頂坡段出現(xiàn)沖刷，當(dāng)水庫(kù)低水位高于三角洲頂點(diǎn)高程時(shí)三角洲頂坡段出現(xiàn)淤積。

（2）淤積形態(tài)為錐體時(shí)，水流流速沿程減小較明顯，庫(kù)區(qū)上段受河道邊界影響有沖有淤，中下段淤積明顯，尤其是下段河道較寬處淤積厚度較大。淤積形態(tài)為錐體時(shí)淤積量較三角洲淤積形態(tài)增加約8%。

（3）考慮人工清淤措施時(shí)，由于清淤量與水庫(kù)淤積總量相比占比非常小，因此淤積形態(tài)總體變化情況與不考慮人工清淤時(shí)基本類(lèi)似，僅在清淤疏浚部位及附近局部河段有一定變化，具體表現(xiàn)為：從高程看，以清淤段為中心，河床向壩前和庫(kù)尾方向高程略有降低，但影響范圍較小，基本為清淤長(zhǎng)度的3倍左右;從局部河床比降變化看，在影響范圍內(nèi)，清淤上段比降略有變陡，下段坡降變緩。

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[10] 假冬冬，王遠(yuǎn)見(jiàn)，江恩惠，等.小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)數(shù)值模擬[J].水科學(xué)進(jìn)展，2020，31（2）：240-248.

【責(zé)任編輯 張 帥】