小浪底水庫對接時機與對接水位的庫區調控效應

楊飛 王若水 王遠見 江恩慧

關鍵詞：對接時機；對接水位；水沙調控；小浪底水庫；三門峽水庫

0引言

水沙調控是黃河水沙關系調節的關鍵手段。胡春宏等認為未來黃河來水來沙量是制定水沙調控策略的關鍵基礎，并提出了完善水沙調控工程體系、灘區協同、黃土高原分區分類水土保持的策略。趙連軍等采用實測資料分析得出水沙調控的調度效果并給出了下游灘槽協同治理的思路。王遠見等提出并論證了黃河流域全河水沙調控的模式，分析了實際水庫調度對水沙過程的影響。水庫群聯合調度是實現流域尺度水沙調控的途徑，李國英等認為干流水庫群水沙聯合調度是黃河調水調沙3種基本模式之一。水庫水沙聯合調度模型與一般調度模型的差異在于是否考慮泥沙的沖淤計算，包為民等采用異重流總流微分模型建立了三門峽水庫水沙聯合調度模型，吳巍等將一維水庫水沙數學模型與優化理論結合構建了多沙河流供水水庫水沙聯合優化調度模型，彭楊等采用一維水庫水沙數學模型構建了梯級水庫水沙聯合優化調度多目標決策模型，談廣鳴等運用動態規劃方法建立了基于水庫一河道耦合關系的水庫多目標優化調度數學模型，Wang等采用博弈論建立了黃河流域主要水庫多利益主體的水沙調控合作博弈模型。采用經驗公式可以大大簡化沖淤計算，Chen等從簡化沖淤計算角度，采用水庫排沙效率經驗公式，建立了三門峽小浪底聯合水沙調控的優化調度模型：白濤等采用河道斷面水沙關系計算沙漠寬谷河段輸沙量，建立黃河上游水沙調控多目標調度模型。排沙運用是多沙河流水庫可持續利用的主要手段，而在水庫水沙聯合調度模型框架下的泥沙計算日寸空尺度比較大，難以分辨排沙運用中水庫間水沙的精細對接過程。水庫與上游水沙的對接時機與對接水位能夠明顯影響水庫的排沙效果，目前圍繞三門峽、小浪底等單一水庫的排沙研究較多，而對于水庫的對接時機與對接水位研究較少。李昆鵬等提出小浪底水庫對接水位接近或低于淤積三角洲頂點高程，與三門峽水庫大流量下泄過程相對應時，可提高沖刷型異重流的排沙效果。

本文選擇小浪底水庫開展調水調沙期水沙調控效應計算，通過設計三門峽水庫與小浪底水庫的對接時機和對接水位，量化兩庫聯合調控時對接水位與對接時機對排沙效果的影響。

1計算方法與算例設置

研究方法采用一維水沙數學模型，水動力計算采用考慮支流人匯影響的一維圣維南方程，包括水流連續方程、水流運動方程，泥沙運動只考慮懸移質，通過懸移質不平衡輸沙方程確定泥沙濃度，通過河床變形方程計算沖淤量。水流挾沙力采用張紅武挾沙力公式計算，模型計算不考慮異重流影響，支流庫容只考慮水量交換。模型采用HLL格式進行數值離散求解。水流泥沙過程數值求解為非耦合方式，即先聯立水流連續方程、水流運動方程求解各斷面的水力要素（斷面流量、水位等），再利用泥沙連續方程和河床變形方程求解斷面平均含沙量以及河床沖淤體積。以小浪底水庫2023年汛前地形為基礎，選擇2023年汛前調水調沙期小浪底庫區沖淤情況進行驗證，按照實際調度的三門峽站水沙過程、庫水位設置控制條件（見圖1），小浪底出庫輸沙率驗證結果如圖2所示，計算的出庫輸沙率過程線和輸沙總量與小浪底站實測值基本一致，說明模型可以用于調水調沙期的水庫沖淤量計算。

把按照設計的三門峽水庫與小浪底水庫對接時機和對接水位計算得到的庫區沖淤變化情況作為兩庫的水沙調控效應。這里的對接水位是指小浪底水庫泄水后的最終水位，對接時機采用三門峽水庫相對起泄時間表示，用三門峽水庫開始泄水時間與小浪底水庫水位降至對接水位的時間的時差進行計算。2023年7月7日2時小浪底水庫水位降至對接水位216.44m，三門峽水庫自7月6日18時起按2000m3/S下泄，則三門峽水庫相對起泄時間為-8h。本次計算不考慮三門峽上游水庫泄水，假定調水調沙期間三門峽水庫入庫流量為300m3/S，水位從318m下降至305m，出庫水量5.5億m3，設定泄水時出庫流量為1200m3/S。小浪底水庫水位從254m開始下降，設定小浪底水庫泄水時出庫流量為4000m3/S。分析對接水位時，固定三門峽水庫泄流時間和出庫流量過程（見圖3），選取從235m至210m范圍內間隔Sm的6種不同的小浪底水庫對接水位進行庫區沖淤量計算。分析兩庫對接時機時，固定小浪底水庫泄流出庫的水位和流量過程（忽略三門峽水庫人流過程對小浪底庫水位的影響），保持三門峽出庫流量量級不變，調整三門峽泄流的起始時間實現對接時機的調整，選取從0d至8d內間隔0.5d的17種對接時機進行庫區沖淤計算，此時小浪底水庫的對接水位接近215m，與小浪底實際對接水位接近。

2結果分析

采用小浪底水庫一維水沙數學模型進行不同對接水位的水庫沖淤量模擬計算，所有對接水位算例的水庫初始水位和到達對接水位前的庫水位下降過程一致，230m和215m對接水位的小浪底水庫出庫流量過程如圖4所示，230m對接水位是在庫水位降至230m后庫水位保持不變，進出庫平衡：215m對接水位則水位更低，出庫流量4000m3/S歷時更長。

模型計算的水庫沖刷量如圖5所示，隨著對接水位的降低，庫區沖刷量逐漸增加。對接水位降低使得庫區j角洲洲面段逐漸擺脫庫水位的壅水影響，輸沙流態從傾向淤積的明流壅水輸沙流態變為傾向沖刷河床的均勻明流輸沙流態。上游三門峽水庫5.5億m3的蓄水量，通過改變對接水位，可以使得小浪底庫區沖刷量從0.01億m3增加到0.25億m3。本次模型計算的庫區沖刷是隨著對接水位降低的漸變過程，這與庫區淤積形態關系密切。

相同對接水位下不同對接時機的水庫沖刷量如圖6所示，隨著對接時機的推遲，庫區沖刷量呈現先增加后減少的趨勢。對接時機過早時，三門峽水庫前期下泄的水流進入小浪底庫區，小浪底水庫的水位很高，靠近大壩的部分三角洲洲面段受到壅水影響，對水流沖刷產生不利影響，因而隨著對接時機的延后，庫區沖刷量逐漸增加。同時，三門峽水庫下泄水流會與小浪底庫區支流泄水發生疊加，使得小浪底水庫出庫大流量過程得到延長，有利于庫區沖刷。對接時機過晚時，隨著小浪底庫區自身蓄水的泄出，三門峽水庫下泄水流失去了與存蓄水量的疊加作用，使得這部分水量與小浪底前期泄流出庫過程明顯脫節（見圖7），庫區沖刷量也相應減少，因而隨著對接時機的繼續延后，庫區沖刷量有所減少。

3結論

以2023年汛前調水調沙時期為例分析了三門峽、小浪底水庫不同對接時機與對接水位的小浪底水庫進出庫水沙過程，量化了兩庫間不同對接時機與對接水位的水沙調控效應，得到的主要結論如下：雖然三門峽水庫自身蓄水量較小、調水能力有限，但通過改變三門峽泄流出庫時機，產生的小浪底庫區沖刷效果差異較大：隨著小浪底水庫對接水位的降低，小浪底庫區沖刷量逐漸增加：隨著三門峽水庫相對起泄時間的推遲，庫區沖刷量呈現先增加后減少的趨勢。