王 婷，王遠(yuǎn)見，閆振峰，任智慧，王子路

（1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003）

2021年8月下旬至10月月底，黃河流域遭遇罕見的華西秋雨，發(fā)生了新中國成立以來極為罕見的秋汛洪水。受持續(xù)降雨影響，黃河干流共發(fā)生3場(chǎng)編號(hào)洪水，支流出現(xiàn)多場(chǎng)洪水過程。潼關(guān)站10月7日洪峰流量達(dá)8 360 m3／s，為1979年以來最大；支流多站出現(xiàn)建站以來最大流量。黃河水利委員會(huì)通過科學(xué)部署、精細(xì)調(diào)度，奪取了2021年秋汛洪水防御工作的全面勝利［1］。小浪底水利樞紐是一座以防洪（防凌）、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電的綜合性樞紐工程［2－3］，自投入運(yùn)用以來在保障下游防洪減淤及生活、生產(chǎn)、灌溉和生態(tài)用水安全等方面發(fā)揮了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益［4－6］。在本次秋汛洪水過程中，小浪底水庫以攔洪削峰運(yùn)用為主，庫水位持續(xù)抬升，從8月20日至10月31日，平均運(yùn)用水位為257.5 m，運(yùn)用水位在270 m以上的時(shí)間達(dá)20 d，最高運(yùn)用水位273.5 m，為水庫運(yùn)用以來最高值。高水位運(yùn)用期間，庫區(qū)蓄水量較大，淤積較多，但仍出現(xiàn)排沙現(xiàn)象。8月20日至10月31日，入庫沙量2.274億t，出庫沙量0.196億t。本文主要針對(duì)小浪底水庫高水位運(yùn)用期間異重流出庫條件及排沙影響因素進(jìn)行分析，以期為今后的水庫調(diào)度提供一定的技術(shù)支撐。

1 高水位異重流排沙情況

小浪底水庫運(yùn)用以來的實(shí)測(cè)資料表明，水庫排沙主要集中在低水位運(yùn)用期間。洪水期間，較低的水庫運(yùn)用水位有利于排沙出庫，尤其是運(yùn)用水位在225 m以下（見圖1）。水庫運(yùn)用以來，水位225 m以下運(yùn)用歷時(shí)占總歷時(shí)的17.9%，排沙13.163億t，占水庫總排沙量的79.2%。在較高的運(yùn)用水位條件下，水庫蓄水量較大，回水較長(zhǎng)，異重流排沙較少。但在一定的條件下，高水位運(yùn)用期間仍然存在排沙的可能性，例如：小浪底水庫水位235 m對(duì)應(yīng)回水長(zhǎng)度一般在60 km以上，位于庫區(qū)峽谷型庫段，排沙機(jī)會(huì)較少。水位235 m以上運(yùn)用歷時(shí)占總歷時(shí)的70.2%，排沙2.178億t，占水庫總排沙量的8.9%。為此，以近期汛限水位235 m作為下限值，對(duì)高水位運(yùn)用條件下小浪底水庫異重流排沙情況進(jìn)行研究。

圖1 小浪底水庫運(yùn)用以來各級(jí)運(yùn)用水位出庫沙量對(duì)比

小浪底水庫運(yùn)用以來，運(yùn)用水位在235 m以上仍排沙的洪水出現(xiàn)過多場(chǎng)，典型的高水位運(yùn)用排沙一般出現(xiàn)在8月20日以后，如2021年（見圖2）。小浪底水庫高水位運(yùn)用時(shí)，蓄水量較大，回水較長(zhǎng)，入庫水流動(dòng)力一般以沿程衰減為主，對(duì)于上年淤積在庫區(qū)的泥沙，一般難以發(fā)生沿程沖刷。水庫排出的泥沙主要為當(dāng)年入庫的泥沙，或者前期洪水滯留在庫區(qū)的懸沙或疏松凝聚狀態(tài)的泥沙，出庫含沙量一般不大。2021年秋汛洪水小浪底水庫排沙5次，最大平均出庫含沙量9.5 kg／m3，最高平均庫水位271.7 m，見表1。

圖2 2021年后汛期小浪底水庫進(jìn)出庫水沙過程

表1 2021年秋汛小浪底水庫各場(chǎng)次洪水進(jìn)出庫水沙量及排沙比

2 高水位異重流出庫條件

異重流形成后，能否持續(xù)運(yùn)動(dòng)到壩前，還要看它是否滿足持續(xù)運(yùn)動(dòng)的條件，即在一定的水庫地形條件下，入庫洪水能維持異重流在水庫中持續(xù)向前運(yùn)動(dòng)到達(dá)壩址而排出水庫所要滿足的條件。異重流持續(xù)運(yùn)動(dòng)條件主要包括上下游邊界條件與庫區(qū)邊界條件，即入庫流量和洪水持續(xù)時(shí)間、庫底坡降、地形條件、異重流有效重力、閘門調(diào)度等。

針對(duì)小浪底水庫運(yùn)用以來場(chǎng)次洪水，考慮來水流量、含沙量、懸沙組成、洪水歷時(shí)、水庫調(diào)度等主要因素，選取運(yùn)用水位接近或高于235 m、入庫含沙量大于5 kg／m3的場(chǎng)次洪水，分析小浪底水庫高水位異重流持續(xù)運(yùn)動(dòng)條件。圖3為基于小浪底水庫高水位運(yùn)用發(fā)生異重流時(shí)的入庫水沙資料點(diǎn)繪的小浪底入庫流量與含沙量的關(guān)系，從點(diǎn)群分布狀況可大致劃分A、B、C 3個(gè)區(qū)域。

圖3 高水位運(yùn)用發(fā)生異重流時(shí)入庫流量與含沙量的關(guān)系

A區(qū)為滿足異重流持續(xù)運(yùn)動(dòng)至壩前的區(qū)域。在該區(qū)域，小浪底入庫洪水過程需滿足歷時(shí)不小于3 d、細(xì)泥沙含量高于40%，同時(shí)還要滿足下列條件之一：①入庫流量Q入≥4 000 m3／s，且入庫含沙量S入＞13.0 kg／m3；②1 700 m3／s≤入庫流量Q入＜4 000 m3／s，且入庫含沙量S入＞86－0.018Q入。相應(yīng)地，入庫流量Q入＝1 700 m3／s時(shí)，入庫含沙量S入須大于55.0 kg／m3，則出庫含沙量S出＞0。

C區(qū)為異重流不能排沙的區(qū)域。在該區(qū)域洪水一般具有如下特征之一：①入庫流量Q入＜1 700 m3／s；②入庫含沙量S入＜13.0 kg／m3；③1 700 m3／s＜入庫流量Q入＜3 500 m3／s時(shí)，入庫含沙量與流量的關(guān)系為S入≤75－0.017Q入。

B區(qū)為能排沙出庫與不能排沙出庫兩者的臨界區(qū)域，可作為判斷異重流能否輸移到壩前的標(biāo)準(zhǔn)。

就2021年5場(chǎng)秋汛洪水而言，8月23日、9月18日、9月27日以及10月5日左右入庫的4場(chǎng)洪水，入庫流量較大或者含沙量較高，均在A區(qū)，均發(fā)生明顯的排沙過程。而9月6日左右的洪水，平均入庫流量3 006 m3／s、含沙量26.5 kg／m3，運(yùn)用水位245.8 m，位于B區(qū)，出庫含沙量過程非常弱，日均出庫含沙量為1.35 kg／m3，最大瞬時(shí)出庫含沙量12.3 kg／m3。

3 高水位異重流排沙影響因素

水庫排沙效果與入庫水沙過程及水庫運(yùn)用方式等因素關(guān)系密切。研究表明［7］，水庫壅水排沙期間，進(jìn)出庫流量的比值越小，意味著水庫的攔蓄作用越小，水庫排沙效果越好，排沙比η越大；或者說越大，意味著水庫的攔蓄作用越大，則排沙效果越差，排沙比η越小。蓄水體積與出庫流量的比值越小，意味著水庫泄空時(shí)間越短，則排沙效果越好，排沙比η越大。水庫排沙比η與影響因素存在如下關(guān)系：

表2統(tǒng)計(jì)了小浪底庫區(qū)地形條件接近的2020年和2021年秋汛洪水期間小浪底水庫6場(chǎng)洪水相關(guān)參數(shù)，圖4給出了相應(yīng)的水庫排沙比η與之間的關(guān)系。結(jié)果表明，2021年秋汛前4場(chǎng)洪水期間，均大于2，說明水庫的攔蓄作用較大，排沙比較小，尤其是第2場(chǎng)洪水，達(dá)到7.11，水庫基本不排沙。而第5場(chǎng)洪水為1，排沙比相對(duì)較高，達(dá)到19.4%。這6場(chǎng)洪水期間，水庫均為高水位運(yùn)用，均較大，水庫排沙比整體較小，均低于20%。

表2 2020年和2021年秋汛小浪底水庫6場(chǎng)洪水參數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖4 水庫排沙比與·關(guān)系

除水庫運(yùn)用方式外，入庫水流動(dòng)力過程也是影響水庫排沙的重要因素。異重流排沙水流動(dòng)力主要指流量、含沙量、細(xì)顆粒泥沙含量等因素的綜合作用，其中入庫輸沙率能夠在一定程度上代表入庫水流動(dòng)力。小浪底水庫高水位運(yùn)用期間異重流能夠運(yùn)行至壩前且產(chǎn)生明顯的排沙過程一般需要3 d的入庫洪水過程。根據(jù)小浪底水庫運(yùn)用以來實(shí)測(cè)資料，計(jì)算水庫高水位運(yùn)用異重流排沙時(shí)入庫最大連續(xù)3 d輸沙率，并選取運(yùn)用水位接近時(shí)的水庫排沙情況進(jìn)行對(duì)比，見圖5（圖中標(biāo)注（x1，x2，x3），x1、x2為進(jìn)出庫流量，x3為庫水位）。可以得到，當(dāng)運(yùn)用水位接近時(shí)，最大連續(xù)3 d入庫輸沙率越大，水流動(dòng)力越強(qiáng)，排沙效果越好。

圖5 最大連續(xù)3 d平均入庫輸沙率與排沙比的關(guān)系

4 結(jié) 論

基于實(shí)測(cè)資料，分析了小浪底水庫高水位運(yùn)用條件下異重流出庫需要滿足的水沙條件，研究了高水位異重流排沙效果影響因素。

（1）小浪底水庫高水位（235 m以上）運(yùn)用期間異重流運(yùn)行至壩前需滿足兩個(gè)條件：①入庫洪水過程不小于3 d、細(xì)泥沙含量高于40%；②入庫流量Q入≥4 000 m3／s且 入 庫 含 沙 量S入＞13.0 kg／m3，或 者1 700 m3／s＜入庫流量Q入＜4 000 m3／s且入庫含沙量S入＞86－0.018Q入。

（2）水庫排沙效果與入庫水沙過程及水庫運(yùn)用方式等因素關(guān)系密切。水庫壅水排沙期間，進(jìn)出庫流量的比值越小，意味著水庫的攔蓄作用越小，水庫排沙效果越好，排沙比η越大；或者說越大，意味著水庫的攔蓄作用越大，則排沙效果越差，排沙比η越小。蓄水體積與出庫流量的比值越小，意味著水庫泄空時(shí)間越短，則排沙效果越好，排沙比η越大。

（3）最大連續(xù)3 d入庫輸沙率越大，水流動(dòng)力越強(qiáng)，排沙效果越好。