關(guān)鍵詞：排沙控制水位；工程安全；累計(jì)淤積量；淤積形態(tài)；西霞院水庫

0引言

西霞院水庫是小浪底水庫的反調(diào)節(jié)水庫，由于庫區(qū)水面寬、水深淺，因此具有灘地易淤積、庫容淤損快的特點(diǎn)，若運(yùn)用不當(dāng)將影響其效益發(fā)揮。為了控制泥沙淤積速度、長期保持水庫有效庫容，在小浪底水庫排沙時(shí)，西霞院水庫一般維持較低的排沙控制水位。2018-2020年黃河遇連續(xù)豐水年，西霞院水庫長時(shí)間“低水位、高含沙”敞泄排沙運(yùn)用后，樞紐泄流排沙建筑物出現(xiàn)了擋墻損毀、鋪蓋掏空、干砌石沖垮等不同程度的沖刷破壞現(xiàn)象，對(duì)工程安全造成了一定程度的影響。

汛期合理的排沙控制水位是長期保持水庫有效庫容、充分發(fā)揮水庫效益、確保工程安全運(yùn)行的前提。在小浪底、西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度方面相關(guān)學(xué)者開展了一些研究，但針對(duì)汛期排沙控制水位的研究較少?；诖耍P者根據(jù)西霞院水庫工程特性以及實(shí)際調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，研究排沙控制水位對(duì)水庫排沙效率的影響，結(jié)合設(shè)計(jì)水沙系列，計(jì)算分析不同排沙控制水位方案的泥沙沖淤變化，提出水庫排沙控制水位優(yōu)化方案，以期為水庫排沙調(diào)度提供技術(shù)支撐。

1水庫概況、方法及數(shù)據(jù)

1.1水庫概況

西霞院水庫位于黃河干流中游，在河南省洛陽市境內(nèi)，壩址左、右岸分別為洛陽市的吉利區(qū)和孟津區(qū)，上距小浪底壩址16km，下距花園口水文站112km?？刂屏饔蛎娣e69.46萬km2，工程主要任務(wù)是以對(duì)小浪底水電站日內(nèi)調(diào)峰發(fā)電下泄流量過程進(jìn)行反調(diào)節(jié)為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧灌溉、供水等綜合利用。水庫正常蓄水位134.0m，汛期限制水位131.0m，設(shè)計(jì)洪水位（100a一遇）132.56m，校核洪水位（5000a一遇）134.75m。正常蓄水位以下原始庫容為1.45億m3，設(shè)計(jì)淤積平衡庫容為0.45億m3。

1.2研究方法

采用一維恒定流懸移質(zhì)不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算水庫泥沙沖淤量，基本方程包括水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程、泥沙連續(xù)方程（或稱為懸移質(zhì)擴(kuò)散方程）以及河床變形方程。該模型由黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司研發(fā)，在黃河流域得到廣泛應(yīng)用，被黃河水利委員會(huì)評(píng)定為應(yīng)用級(jí)模型。

水流挾沙力計(jì)算采用張紅武公式，該公式對(duì)高含沙洪水適應(yīng)性較好，在黃河上應(yīng)用廣泛，計(jì)算公式如下：

1.3研究數(shù)據(jù)

黃河中游潼關(guān)水文站的水沙過程經(jīng)三門峽和小浪底水庫調(diào)節(jié)后，進(jìn)入西霞院水庫。其中三門峽水文站為三門峽水庫的出庫站，小浪底水文站為小浪底水庫的出庫站和西霞院水庫的入庫站，西霞院水文站為西霞院水庫的出庫站。以上各水文站均觀測(cè)有流量、輸沙率、含沙量、水位等資料，觀測(cè)資料每年經(jīng)黃河水利委員會(huì)水文局整編。此外，每年還會(huì)對(duì)西霞院庫區(qū)進(jìn)行大斷面測(cè)量，斷面平均間距為0.6km。

受氣候變化和人類活動(dòng)影響，近30a來黃河水沙量明顯減少．1990年7月-2020年6月潼關(guān)站實(shí)測(cè)多年平均水沙量分別為245.54億m3、4.22億t，較1960年7月-1990年6月分別減少了37.8%、64.1%。目前對(duì)未來黃河年輸沙量的預(yù)測(cè)結(jié)果一般為3億～8億t，具體數(shù)字尚有分歧?？紤]近期黃河水沙變化情況，結(jié)合研究需要，筆者選取1991-2000年和2001-2010年潼關(guān)站實(shí)測(cè)水沙系列（簡稱1991系列和2001系列）作為設(shè)計(jì)水沙條件，其中1991系列潼關(guān)站實(shí)測(cè)年均水量、沙量分別為264.28億m3、7.14億t，2001系列潼關(guān)站實(shí)測(cè)年均水量、沙量分別為220.13億m3、2.98億t。

潼關(guān)站水沙過程經(jīng)三門峽、小浪底水庫調(diào)節(jié)后，得到進(jìn)入西霞院水庫的水沙過程。其中，三門峽水庫汛期庫水位不超305.0m，洪水期入庫流量大于1500m3/S時(shí)敞泄排沙運(yùn)用，非汛期最高運(yùn)行水位不超過318.0m;小浪底水庫運(yùn)用方式采用《小浪底水庫攔沙期防洪減淤運(yùn)用方式研究》的成果。經(jīng)計(jì)算，1991系列、2001系列進(jìn)入西霞院水庫即小浪底水文站的年均沙量分別為4.66億t和1.37億t。潼關(guān)、三門峽、小浪底水文站的水沙特征值見表1。

2結(jié)果與分析

2.1實(shí)測(cè)資料分析

根據(jù)收集到的2011-2022年西霞院水庫人出庫水沙及庫水位資料，對(duì)比分析了不同排沙控制水位（128.5m以下、128.5～130.0m、130.0～131.0m、131.0～134.0m）對(duì)水庫排沙比及沖淤量的影響，結(jié)果見圖1～圖2。

由分析結(jié)果可知：1）水庫排沙控制水位131.0m以下時(shí)排沙比大多在60%以上，不同排沙控制水位之間相差不大，僅個(gè)別年份如2012年、2013年水庫來沙量少，都僅為0.03億t，水庫排沙比較低，分別為34%、39%，相應(yīng)的水庫淤積量都僅為0.02億t;2）水庫排沙控制水位在131.0m以上時(shí)排沙比較小，基本在50%以下，相應(yīng)水庫淤積量也大，如2022年水庫淤積量為1.70／億t。

進(jìn)一步分析了2019-2022年小浪底水庫排沙期間，西霞院水庫不同排沙控制水位對(duì)水庫排沙比以及沖淤量的影響，結(jié)果見表2。2019年以來，小浪底水庫排沙期間，西霞院水庫平均排沙控制水位為130.06～131.50m，排沙比為75.9%～106.9%。整體上，隨著排沙控制水位的降低，水庫排沙比有所增大。

2.2數(shù)學(xué)模型計(jì)算

2.2.1計(jì)算方案設(shè)置

采用西霞院水庫2023年汛前實(shí)測(cè)地形作為初始地形邊界。截至2023年4月，水庫正常蓄水位以下庫容為0.75億m3，水庫累計(jì)淤積泥沙0.70億m3。根據(jù)西霞院水庫工程特性、運(yùn)用條件以及水庫排沙規(guī)律，擬定128.5、130.0、131.0 m共3個(gè)水庫排沙控制水位方案，其中128.5m為最低發(fā)電水位、131.0m為汛限水位、130.0m為中間值（按照調(diào)度規(guī)則，汛期庫水位不得超過汛限水位，因此最高排沙控制水位設(shè)置為131.0m）。汛期7-10月，當(dāng)入庫流量大于汛限水位131.0m相應(yīng)的泄流能力時(shí)，水庫敞泄滯洪運(yùn)用，洪峰流量過后，庫水位逐漸降到汛限水位以下；調(diào)水調(diào)沙時(shí)段，當(dāng)入庫流量大于2600m3/s或入庫含沙量大于1kg/m3時(shí)，水庫維持排沙控制水位運(yùn)用；非調(diào)水調(diào)沙時(shí)段，庫水位不超過汛限水位131.0m運(yùn)行。汛期水庫運(yùn)用方式見表3。非汛期11月一次年6月，庫水位不超過正常蓄水位134.0m。

2.2.2水庫淤積量變化

利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的1991系列和2001系列西霞院水庫累計(jì)淤積量變化過程見圖3和圖40從圖3和圖4可知，水庫排沙控制水位越高，累計(jì)淤積量越大，但各方案間整體差別不大。1991系列排沙控制水位131.0、130.0、128.5m方案，西霞院水庫分別于2029年、2029年、2030年進(jìn)入正常運(yùn)用期。進(jìn)入正常運(yùn)用期后，各方案有沖有淤，均可保持有效庫容，計(jì)算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案多淤0.02億m3，相當(dāng)于累計(jì)淤積量增加2070。2001系列來沙量較少，未來10 a水庫仍處于攔沙期，計(jì)算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案分別多淤0.04億m3和0.09億m3，相當(dāng)于累計(jì)淤積量增加7%和13%。總體來看，1991系列和2001系列各方案水庫淤積速度相差不大，且進(jìn)入正常運(yùn)用期后均可保持有效庫容。因此，從避免排沙期間水位過低導(dǎo)致泄洪排沙建筑物被沖刷破壞的角度出發(fā)，推薦排沙控制水位為131.0m。

2.2.3水庫淤積形態(tài)變化

利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的1991系列和2001系列計(jì)算期末（2033年）西霞院水庫淤積形態(tài)（深泓線）如圖5和圖6所示。排沙控制水位越高，庫區(qū)斷面最低河底高程越高，但各方案整體差別不大。1991系列131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2、0.5m; 2001系列131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2、0.3m。總體來看，各方案水庫淤積形態(tài)均在設(shè)計(jì)淤積平衡形態(tài)之下，不會(huì)影響水庫正常運(yùn)行。因此，推薦排沙控制水位為131.0m。

3結(jié)論

1）實(shí)UJql5waBCFxnek4fPQsiELuNz6SpKUkdPViMdhmJtxI=測(cè)資料分析表明，西霞院水庫排沙控制水位在131.0m以下時(shí)排沙比較大，不同年份基本在60%以上，且水庫淤積量小：水庫排沙控制水位在131.0m以上時(shí)排沙比較小，不同年份基本在50%以下，相應(yīng)水庫淤積量較大。

2）水庫排沙控制水位越高，水庫累計(jì)淤積量越大，但排沙控制水位131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案，水庫淤積量增加有限。對(duì)于設(shè)計(jì)的1991系列和2001系列，計(jì)算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案累計(jì)淤積量僅增大2%～13%。

3）水庫排沙控制水位越高，庫區(qū)斷面最低河底高程越高，但各方案整體差別不大。對(duì)于設(shè)計(jì)的1991系列和2001系列，計(jì)算期末（2033年）131.0m方案較130.0m方案、128.5m方案平均多抬升0.2～0.5m，均在設(shè)計(jì)淤積平衡形態(tài)以下。從工程安全的角度出發(fā)，推薦西霞院水庫排沙控制水位為131.0m。