小浪底水庫支流倒灌與淤積形態模型試驗

張俊華，馬懷寶，王 婷，蔣思奇

(1.黃河水利科學研究院黃河小浪底研究中心，河南 鄭州 450003;2.水利部黃河泥沙重點實驗室，河南鄭州 450003)

小浪底水庫支流倒灌與淤積形態模型試驗

張俊華1，2，馬懷寶1，2，王 婷1，2，蔣思奇1，2

(1.黃河水利科學研究院黃河小浪底研究中心，河南 鄭州 450003;2.水利部黃河泥沙重點實驗室，河南鄭州 450003)

利用小浪底水庫實體模型開展水庫攔沙后期運用方式長系列年試驗，對爭議較大的庫區支流倒灌及其淤積形態問題進行重點分析。結果表明:庫區最大支流畛水河口門狹窄且庫容較大，攔門沙問題最為突出，其縱坡面形態與設計有一定的差別;支流年淤積量與當年大于2600 m3/s流量時段的總水量有較好的相關性;通過優化水庫運用方式可較長時期保持動態三角洲淤積形態，有利于支流庫容的有效利用;水庫干流河床處于動平衡狀態時，支流河床仍然會逐漸淤積抬升而使得干支流淤積面高差趨于減少。

小浪底水庫;支流倒灌;淤積形態;攔門沙;模型試驗

小浪底水庫支流庫容52.63億m3，占總庫容的41.3%。設計支流攔沙量與有效庫容均占相應總量的30%以上，支流庫容對水庫發揮防洪、減淤等綜合利用效益具有重要的作用。小浪底庫區支流入庫沙量與干流相比可忽略不計，支流攔沙量取決于干流倒灌沙量。已建水庫實測資料表明，隨著水庫運用庫區淤積，往往在支流口門產生攔門沙，在攔門沙坎高程以下的支流庫容難以參與水庫正常調度［1］。例如位于永定河的官廳水庫，支流媯水河攔門沙逐年抬升淤堵河口，使水庫調節能力大幅度減弱［2］，不得不采取工程措施加以解決;丹江口水庫漢江庫區支流遠河口門與支流河床的高差達12.3 m，且隨著今后干流邊灘的淤積攔門沙還會有所淤高［3-4］;小浪底水庫運用以來的實測資料顯示，支流最大攔門沙坎與其河床的高差已超過10 m。正因如此，小浪底水庫支流能否正常發揮效益是工程規劃設計階段就存在的具有爭議性的問題。

針對支流倒灌問題專門開展實體模型試驗研究成果較少。在小浪底水庫運用方式研究過程中，曾利用多家數學模型開展長系列的計算，但對支流倒灌與淤積形態問題大多計算結果與實測值有一定的出入。由于水庫運用過程中，庫區邊界條件、入庫水沙過程與水庫調度方式不斷變化，決定了庫區支流淤積形態與變化過程具有多樣性與隨機性，而且干支流交匯處含沙水流具有較強的三維運動特性，因此水庫實體模型試驗是研究支流倒灌問題的重要手段之一。本研究利用小浪底水庫實體模型開展了水庫攔沙后期運用方式長系列模型試驗，重點分析支流淤積形態與變化過程及主要影響因素，進而為控制水庫泥沙淤積部位、充分利用支流庫容、延長水庫攔沙期壽命提供技術支撐。

1 小浪底水庫概況

小浪底水庫為峽谷型水庫，平面形態上窄下寬。根據平面形態可劃分為兩段，上段自三門峽水文站至HH37斷面，長60.92 km，河谷底寬200～400 m;下段長62.49 km，河谷底寬800～1400 m，其中距大壩27～31 km之間河谷寬僅300 m左右。庫區支流原始庫容大于1億m3的有11條，均分布在水庫下段，水庫正常蓄水位275 m。庫區平面圖見圖1，主要支流庫容與所處位置見表1［5］。

圖1 小浪底庫區平面示意圖

表1 小浪底庫區主要支流特征值統計

小浪底水庫正常蓄水位275 m高程以下總原始庫容127.50億 m3。設計的水庫總攔沙庫容約75億m3，總有效庫容51.00億m3，支流攔沙量與有效庫容均占相應總量的30%以上。設計的支流河口段為倒錐體形態，各支流攔門沙坎高度變化范圍4.0～4.8m，支流倒錐體內死水容積總量約3億m3。

到2010年10月，小浪底庫區累計淤積量28.225億m3，約為總攔沙量的37%，其中干流淤積22.395億m3，支流淤積5.830億m3。小浪底庫區支流只有在發生歷時短暫的洪水時，挾帶極少量的泥沙順流而下，與干流來沙量相比可忽略不計，故支流攔沙庫容淤積泥沙主要源于干流渾水倒灌。水庫運用以來，干流倒灌淤積改變了支流淤積形態與河床組成，縱向調整總的趨勢是由原始狀態的正坡逐步調整至水平，而后至倒坡。原始庫容最大的支流畛水河原始比降相對較小(0.56%)，回水距離最長，其縱剖面變化過程見圖2。

圖2 小浪底庫區支流畛水河淤積縱剖面變化過程

2 小浪底水庫實體模型概況與試驗條件

小浪底水庫實體模型模擬范圍自三門峽水文站至小浪底大壩約124 km庫段，覆蓋了100%的干流庫容與支流大部分庫容。模型水平比尺1∶300，垂直比尺1∶60，變率5。模型沙選用鄭州熱電廠粉煤灰。模型設計采用的相似條件包括水流重力相似、阻力相似、挾沙相似、泥沙懸移相似、河床變形相似、泥沙起動及揚動相似，同時考慮異重流運動相似，即異重流發生(或潛入)相似、異重流挾沙相似及異重流連續相似［6-8］。采用小浪底水庫2001—2002年洪水期以及2004年汛前調水調沙人工塑造異重流時段實測資料對模型進行驗證，確定模型糙率比尺1∶0.88，沉速比尺1∶1.34，含沙量比尺1∶1.50，時間比尺1∶44.9。

小浪底水庫模型曾進行了水庫攔沙初期調度方式研究和黃河調水調沙模型試驗研究等［9-10］，為優化水庫攔沙初期調度及黃河調水調沙等提供了重要的技術支撐，同時，模型試驗結果為研究多沙河流水庫模擬理論與技術、水沙輸移規律等奠定了基礎。

在小浪底水庫進入攔沙后期之際，為優化調度方式，在數學模型方案比選的基礎上，利用實體模型開展了水庫攔沙后期運用方式研究長系列年模型試驗，重點檢驗庫區干支流淤積形態與過程，水庫輸沙流態與排沙過程，以及庫容變化過程與形態分布。試驗初始地形采用2007年10月實測地形，庫區淤積總量為23.875億m3(接近水庫攔沙初期與攔沙后期的界定值21億 ～22億m3)，其中支流淤積4.113億 m3。水沙條件采用2020年水平1960—1976年共17個年份設計系列。水庫調度方式為“多年調節泥沙，相機降水沖刷”運用方式。

3 長系列年模型試驗地形變化過程

3.1 干流地形變化過程

庫區初始地形為三角洲淤積形態，頂點距大壩27.2 km，頂點高程220.07 m。三角洲頂點以下的前坡段，水深陡增，流速驟減，水流挾沙力急劇下降，試驗初期大量泥沙在該庫段落淤，三角洲持續向壩前推進。至系列年第5年三角洲頂點推進至壩前轉化為錐體淤積形態，僅在壩前存在沖刷漏斗。之后河床逐步抬升，縱比降趨于減緩。系列年第14年汛期壩前段灘面高程達到254 m，且累積淤積量達到75.5億m3，水庫攔沙期結束轉入正常運用期。第17年遇豐水年，水庫相機降水沖刷運用，庫區溯源沖刷與沿程沖刷的共同作用，使河槽大幅度降低，形成高灘深槽形態，水庫縱剖面變化過程見圖3。

圖3 干流縱剖面變化過程(深泓點)

3.2 支流地形變化過程

支流地形條件不同，其淤積形態與過程各不相同，甚至有較大的差別。距大壩約18km的畛水河是庫容最大的一條支流，275 m高程原始庫容17.81億m3，回水長度達20 km以上。溝口斷面狹窄，約600 m，上游地形開闊，在2 500 m以上，進入支流的水沙沿流程過流寬度驟然增加，流速迅速下降，泥沙沿程大量淤積，倒灌支流的渾水越遠離口門，挾帶的沙量越少，而過流(鋪沙)寬度卻沿程增大。在水庫攔沙期，隨著支流河口淤積面不斷抬高，遠離河口的支流河床抬升緩慢，兩者高差呈增大趨勢，見圖4。

圖4 支流畛水河縱剖面變化過程(深泓點)

與畛水河平面形態不同的是距大壩約22 km的支流石井河，原始庫容為5.24億m3，275 m高程回水長度約10 km，溝口寬度大于2000 m，向上游逐漸縮窄至500 m左右。支流口門開闊，有利于干流水沙側向倒灌，支流沿流程寬度逐步減小，河床抬升速度相對較快，攔門沙問題不突出，見圖5。

圖5 支流石井河縱剖面變化過程(深泓點)

支流縱剖面的變化過程還反映，即使水庫攔沙期結束，干流河床處于動平衡狀態，支流仍會隨渾水倒灌而緩慢抬升，從而使得支流河口與支流河床淤積面高差趨于減小。例如支流畛水河第15年與第17年縱剖面相比，口門高程基本無變化，而距口門5 km處淤積面高程抬升約6 m。

支流橫斷面淤積形態大多是平行抬升。當水庫降水沖刷運用，干流河床大幅度下降時，支流近口門處淤積面會隨之降低，形成明顯的河槽。距大壩約4km的支流大峪河，系列年試驗過程中前10余年之前基本為平行淤積抬升，經歷第17年降水沖刷后距河口較近的DY01斷面出現明顯的灘槽，見圖6(圖中起點距為距斷面起點樁的水平距離)。

圖6 支流大峪河DY01斷面調整過程

4 支流倒灌影響因素分析

支流相當于干流河床的橫向延伸，支流河床倒灌淤積過程(包括淤積量與形態)與支流地形條件、干流的淤積形態、入庫水沙過程、水庫調度方式等因素密切相關。

a.地形條件。干流水沙在輸移至干支流交匯處側向倒灌支流，若支流庫容大、回水長、口門狹窄而內部開闊，則不利于泥沙倒灌淤積，將使攔門沙突出，支流淤積緩慢，縱向高差大，如支流畛水河(圖4)。與之地形條件不同的是石井河(圖5)，兩者的縱剖面有顯著的區別。

b.干流的淤積形態。水庫攔沙期，干流淤積過程往往是三角洲向下游推進的過程，當干流淤積三角洲頂點位于支流上游時，一般情況下干流水沙在三角洲頂點附近產生異重流，其運行至支流口門處仍以異重流倒灌支流。異重流倒灌時，支流淤積面縱向較為平整，只是由于泥沙沿程分選而呈現一定的坡降。當干流三角洲頂點推進并越過支流溝口時，該庫段干流河床與支流口門附近淤積面驟然大幅度抬升而形成明顯的攔門沙。以支流大峪河為例(圖7)，系列年試驗的第1年至第4年，干流三角洲頂點基本位于支流口上游，干流渾水以異重流倒灌支流，支流縱剖面較為平整，至第5年干流三角洲頂點推進至支流口門下游，攔門沙坎驟然形成，這種變化趨勢和野外觀測資料一致。

圖7 支流大峪河縱剖面調整過程

c.入庫水沙過程。無論是異重流或明流倒灌，洪水歷時長、量級大、水流含沙量高，則更有利于支流倒灌淤積。若干支流為異重流倒灌，洪水歷時長，不僅可以充滿支流庫容，而且倒灌支流渾水中懸浮的泥沙不斷沉淀淤積，析出清水后回歸干流，在干流渾水與支流清水不斷發生交換過程中，支流河床被淤積抬升;若為明流倒灌，長歷時大洪水才有漫過攔門沙進入支流的可能，若支流水位低，干支流水位差使得倒灌流速大，甚至會沖刷降低支流攔門沙高程加速支流倒灌。圖8為支流畛水河年淤積量與當年入庫流量大于2600 m3/s時段總水量的關系［11］，可看出兩者具有較好的相關性。

圖8 畛水河年淤積量與當年流量大于2600 m3/s時段總水量的關系

d.水庫調度。水庫調度過程是影響庫區淤積形態與輸沙流態的重要因素之一。初步分析認為通過優化水庫運用方式可較長時期保持動態三角洲淤積形態，有利于支流庫容的有效利用。專門開展的模型對比試驗結果表明［12］，在相同的水沙條件與初始邊界條件下，優化水庫運用方案可使得支流畛水河攔門沙坎降低10 m左右。

需要指出的是，在水庫攔沙階段，干流淤積面逐步抬升，對于庫容較大的支流畛水河，由于抬升幅度小于干流而使得干支流淤積面高差逐漸加大，當水庫攔沙期基本結束，干流河床不再持續抬升，處于動平衡狀態時，支流淤積面仍然會隨著干流水流漫灘，或通過貫通于干支流的河槽倒灌而逐漸淤積抬升，使得支流縱向淤積面高差趨于減小。

5 結論

a.支流相當于干流河床的橫向延伸。若支流庫容大、回水長、口門狹窄而內部開闊，則不利于泥沙倒灌淤積，相應支流淤積緩慢，縱向高差大，攔門沙突出。

b.若干支流為異重流倒灌，支流沿流程淤積分布相對均勻。當干流淤積三角洲頂點推進并越過支流口門時，攔門沙坎驟然形成，且隨著倒灌流態由異重流為主轉變為明流為主，攔門沙坎呈愈加顯著的趨勢，這種變化趨勢和野外觀測資料一致。

c.進一步優化水庫調度方式，控制庫區淤積形態與過程，可有效降低攔門沙高程，通過長系列年模型試驗，對比分析兩種擬定的調度方案，優化方案畛水河口攔門沙壩可降低10 m左右，更有利于支流庫容的有效利用。

［1］張俊華，陳書奎，李書霞，等.小浪底水庫攔沙初期水庫泥沙研究［M］.鄭州:黃河水利出版社，2007:140-147.

［2］胡春宏，王延貴，張世奇，等.官廳水庫泥沙淤積與水沙調控［M］.北京:中國水利水電出版社，2003:63-70.

［3］柳發忠，王洪正，楊凱，等.丹江口水庫支流庫容的淤積特點與問題［J］.人民長江，2006，37(8):26-28.(LIU Fazhong， WANG Hongzheng， YANG Kai， etal.Characteristics and problems of tributary deposition in Danjiangkou Reservoir［J］.Yangtze River，2006，37(8):26-28.(in Chinese))

［4］章厚玉，胡家慶，郎理民，等.丹江口水庫泥沙淤積特點與問題［J］.人民長江，2005，36(1):27-31.(ZHANG Houyu，HU Jiaqing，LANG Liming，et al.Sedimentation characteristics and problems of Danjiangkou Reservoir［J］.Yangtze River，2005，36(1):27-31.(in Chinese))

［5］林秀山.黃河小浪底水利樞紐規劃設計叢書:工程規劃［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:203-205.

［6］張紅武，江恩惠，白詠梅，等.黃河高含沙洪水模型的相似律［M］.鄭州:河南科學技術出版社，1994:115-137.

［7］張俊華，張紅武，江春波，等.黃河水庫泥沙模型相似律的初步研究［J］.水力發電學報，2001(3):52-58.(ZHANG Junhua，ZHANG Hongwu，JIANG Chunbo，et al.A primary study on physical model similarity for reservoir on the Yellow River［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2001(3):52-58.(in Chinese))

［8］高航，江恩惠，張俊華，等.模型黃河建設理論與方法［M］.鄭州:黃河水利出版社，2007:163-203.

［9］張俊華，陳書奎，李書霞，等.小浪底水庫攔沙初期泥沙輸移及河床變形研究［J］.水利學報，2007，38(9):1085-1089.(ZHANG Junhua，CHEN Shukui，LI Shuxia，et al.Sedimenttransportand morphologicalchangesof Xiaolangdi Reservoirin earlysedimentimpoundment period［J］.Journal of Hydraulic Engineer，2007，38(9):1085-1089.(in Chinese))

［10］王光謙，胡春宏.泥沙研究進展［M］.北京:中國水利水電出版社，2006:586-599.

［11］蔣思奇，王婷，李濤，等.小浪底庫區支流攔門沙形成及淤積形態分析［R］.鄭州:黃河水利科學研究院，2012:74-75.

［12］張俊華，馬懷寶，竇身堂，等.小浪底水庫攔沙期后期運用方式優化與調控［C］//第五屆黃河國際論壇論文摘要集.鄭州:黃河水利出版社，2012:143-144.

Model test of water intrusion and deposition morphology of tributary in Xiaolangdi Reservoir

ZHANG Junhua1，2，MA Huaibao1，2，WANG Ting1，2，JIANG Siqi1，2(1.Research Centre of Xiaolangdi，Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，China;2.Key Laboratory of Yellow River Sediment Research of Ministry of Water Resources，Zhengzhou 450003，China)

Xiaolangdi Reservoir;water intrusion of tributary;deposition morphology;sandbar;model test

TV145

A

1006-7647(2013)02-0001-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.001

國家自然科學基金(51179072);水利部公益性行業科研專項(200901015)

張俊華(1957—)，女，河南西華人，教授級高級工程師，博士，主要從事河流泥沙研究。E-mail:zhangjh1126@163.com

70

Based on a physical model of the Xiaolangdi Reservoir，experiments on the operational mode of the reservoir during a later sediment retaining period were carried out to analyze water intrusion and deposition morphology of a tributary.The results show that the Zhenshui River，which is the largest tributary of the Xiaolangdi Reservoir，has a narrow estuary and an obvious sandbar problem，and its longitudinal surface is different from the design.There is good linear correlation between the annual sedimentation of the tributary and total water volume with a discharge of more than 2 600 m3/s.By optimizing the reservoir operational mode，the deposition morphology of a dynamic delta can be maintained for a long time，which is better for efficient utilization of tributary storage.When the main river bed is in dynamic equilibrium，the height between main rivers bed and tributaries bed decreases due to the accretion of the tributary river bed.

2012-06-06 編輯:熊水斌)