多沙河流水庫徑流泥沙聯合調節方式研究

摘 要：多沙河流水庫供水興利與排沙減淤之間具有獨立性與融合性，如何長期保持有效庫容且滿足供水要求，是水庫高效運用面臨的待解難題之一。以涇河東莊水庫（年均入庫含沙量為１４０ ｋｇ／ ｍ３）為研究對象，采用實測資料分析和數學模型計算等方法，研究利于減輕下游河道泥沙淤積、長期保持東莊水庫有效庫容的水庫排沙流量指標，提出水庫徑流泥沙聯合調節方式。結果表明：攔沙期主汛期７—９ 月當入庫流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時東莊水庫敞泄排沙，正常運用期主汛期７—９ 月當入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時東莊水庫敞泄排沙；排沙期水庫無法供水，與周邊已建調蓄水庫聯合調節，可使農業灌溉保證率從３０％提高到５０％，工業供水保證率從５７％提高到９５％。

關鍵詞：多沙河流；供水；庫容保持；東莊水庫；涇河；渭河下游

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＶ８８２．１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２５．０４．００６

引用格式：陳翠霞，王海霞，溫志超，等．多沙河流水庫徑流泥沙聯合調節方式研究［Ｊ］．人民黃河，２０２５，４７（４）：３２－３７．

０ 引言

水庫工程開發任務一般包括防洪、供水、發電、灌溉等［１－２］ ，在多沙河流上修建的水庫工程，還要承擔下游河道的減淤任務。與清水河流不同，多沙河流水庫泥沙淤積問題往往制約著水庫綜合功能的有效發揮［３－４］ 。為了長期保持有效庫容，多沙河流水庫須具有一定的泄流排沙規模，汛期不僅要將來沙排出水庫，還須將非汛期蓄水或汛期滯洪時淤積的泥沙排出水庫，但是降低水位排沙會制約供水和發電等興利功能的發揮［５］ 。水庫在汛期若蓄水興利，則極易造成庫區嚴重淤積，蓄水興利與泄水排沙的矛盾突出。這一問題在入庫含沙量大于１００ ｋｇ／ ｍ３的特高含沙量河流上的水庫更為突出。

處理好多沙河流尤其是特高含沙量河流上水庫蓄水和排沙的關系，需要合理確定徑流泥沙調度的方式［６－７］ ，已建水庫在制定調度規則時考慮了排沙與興利間的協同。如鐘德鈺等［８］ 基于微分對策理論，建立了以排沙和供水綜合效益為性能指標函數的多沙河流水庫汛期調度模型；謝金明［９］ 分別構建防洪效益、供水效益與發電效益的計算方法，用以快速確定給定庫容對應的水庫效益；王利［１０］ 選用ＢＰ 人工神經網絡技術預測庫區泥沙淤積趨勢，利用帶偏好的多準則群決策的協調權方法確定排沙與發電的權重；王新宏等［１１］以王瑤水庫為例，研究了高含沙河流上的供水水庫運用方式對水庫效益的影響。現有對水庫排沙、興利調度方式的研究，主要在少沙河流水庫或含沙量相對較低的多沙河流水庫，而對于含沙量在１００ ｋｇ／ ｍ３ 以上的特高含沙河流水庫研究較少。

水庫調度方式與來水來沙條件、工程開發任務等有關［１２－１５］ 。多沙河流水庫要實現河道減淤、供水興利、庫容保持等目標，需要明確水庫排沙流量、供水調度方式等。筆者以特高含沙量河流涇河上的東莊水庫為研究對象，從減輕渭河下游河道泥沙淤積、長期保持水庫有效庫容、滿足供水需求等方面出發，研究水庫泥沙調控指標、徑流泥沙聯合調節方式，以期為多沙河流水庫調度提供參考，助力流域經濟社會發展。

１ 水庫概況、研究數據與方法

１．１ 水庫概況

東莊水庫位于黃河的二級支流涇河下游峽谷段，控制流域面積４．３１ 萬ｋｍ２，占涇河流域面積的９５％。東莊水庫設計總庫容為３２．７６ 億ｍ３，其中攔沙庫容為２０．５３ 億ｍ３，工程開發任務以防洪減淤為主、兼顧供水發電和改善生態，即控制涇河洪水，通過攔沙和調水調沙減少渭河下游河道泥沙淤積，解決渭北地區水資源短缺問題，并實現發電和改善生態環境等功能。當前工程正在建設中，預計２０２５ 年１１ 月下閘蓄水（工程位置見圖１）。

涇河具有輸沙量大、水流含沙量高等特點，東莊水庫入庫多年平均輸沙量為２．３７ 億ｔ，年均含沙量為１４０ ｋｇ／ ｍ３，是黃河平均含沙量的５ 倍；汛期平均含沙量高達２０６ ｋｇ／ ｍ３，最大含沙量為１ ４２８ ｋｇ／ ｍ３。水庫汛期入庫沙量大，蓄水會導致庫區泥沙淤積、無法長期保持有效庫容，若汛期排沙則難以滿足供水興利要求，水庫調度面臨著如何協調減淤與興利功能發揮這一難題。

１．２ 研究數據

１．２．１ 水文數據

東莊水庫的設計代表站為涇河張家山水文站，渭河下游涇河入匯口以上有咸陽水文站、涇河入匯口以下有華縣水文站，各站多年平均水沙量見表１。

２０００ 年以來，張家山水文站來水來沙量大幅度減少，年均徑流量由２０ 世紀６０ 年代的２１．９５ 億ｍ３ 減少至１０．６４億ｍ３，年均輸沙量由２．７３ 億ｔ 減少至０．８８ 億ｔ，見圖２～圖３。研究東莊水庫調度方式時，主要采用２０００ 年以來的水沙系列開展計算。

１．２．２ 供水區需水量

東莊水庫供水對象為陜西省涇惠渠灌區、銅川新區、西咸新區、富平及工業園區、三原縣。根據《陜西省涇河東莊水利樞紐工程初步設計報告》，２０３０ 年設計水平年涇惠渠灌區灌溉用水需求量為３．２８ 億ｍ３，其他區域城鎮生活用水及工業用水需求量為１．６５ 億ｍ３。

１．２．３ 河道生態流量

根據張家山水文站歷年實測資料得到，涇河多年平均流量為５３．３ ｍ３ ／ ｓ。每年魚類繁殖敏感期４ 月１５日—６ 月１５ 日，需要東莊水庫下泄流量不低于多年平均流量的２０％，６ 月１６ 日—８ 月３１ 日下泄流量不低于多年平均流量的３０％，９ 月１ 日至次年４ 月１４ 日下泄流量不低于多年平均流量的１０％。

１．３ 研究方法

選用自主研發的多沙河流供水水庫徑流－泥沙聯合配置模型，基于“干流水庫調沙＋調蓄水庫供水”并聯水庫開發模式［１６］ 對入庫含沙量在１００ ｋｇ／ ｍ３以上的特高含沙量河流進行模擬計算。模型計算模塊包括水庫調度計算、水力要素計算、泥沙沖淤計算、河床變形計算等。經計算，若水庫按預案制定的規則運行則無法實現工程開發任務，須對水庫運用方式進行調整。

１．３．１ 水庫調度計算

水庫調度計算的目的是根據入庫水沙條件，采用多沙河流水庫水沙分置并聯水庫初步擬定的調度運用方式，確定干流水庫和調蓄水庫的出庫流量。

１）干流水庫。干流水庫來沙量大，汛期水庫遇到合適的水沙條件時泄流排沙，防止泥沙大量淤積在庫區導致水庫有效庫容淤損；汛期其他時段和非汛期，水庫進行興利調節，向調蓄水庫充蓄水量，并經調蓄水庫對供水區供水。根據水庫調度運用方式，對進入干流水庫的水流進行調節，得到出庫流量Ｑ出，干流，即當汛期水庫排沙運用時，Ｑ出，干流為排沙出庫流量，一般等于Ｑ入，干流＋Ｖ可調／ΔＴ （Ｑ入，干流為入庫流量，ΔＴ 為排沙運用時間，Ｖ可調為排沙水位以上水庫蓄水量）；當干流水庫蓄水進行興利調節時，Ｑ出，干流為干流水庫充蓄調蓄水庫的流量與干流水庫下泄的生態流量之和。

２）調蓄水庫。調蓄水庫的入庫流量即從干流水庫引入的流量，若調蓄水庫設置在支流上，則應加上支流來水量。調蓄水庫的出庫流量即根據供水要求輸送給供水對象的流量與調蓄水庫所在支流下泄的生態流量之和。

１．３．２ 水力要素計算

水力要素計算的目的是確定干流水庫沿程流量、水位、水深、流速等，以及調蓄水庫蓄水位和蓄水量。基于水量平衡原理，計算得到壩前斷面水位；依據水流連續方程，計算得到沿程各斷面過流流量；選用水流運動方程計算得到各斷面過流面積、水位等。

１．３．３ 泥沙沖淤計算

干流水庫泥沙沖淤計算的目的是確定各時段庫區各斷面分組沙挾沙力、斷面分組沙含沙量，調蓄水庫泥沙沖淤計算的目的是確定水庫引沙量和淤積量。調蓄水庫淤積的泥沙主要來自于干流水庫引沙量和自身來沙量。自身來沙量根據進入水庫的沙量統計得到；干流水庫引沙量根據引水流量、相應的干流水庫引水口含沙量及引水歷時相乘求得。

１．３．４ 河床變形計算

對于干流水庫，根據計算得到的水力要素、泥沙沖淤要素，由下式計算各斷面的沖淤面積，然后修正各斷面高程，得到計算時段末庫區河道的地形。

式中：ΔＺｂ 為河床高程，α 為恢復飽和系數（根據實測資料分析率定），ω 為沉速，Ｓ 為含沙量，Ｓ?為水流挾沙力，Δｔ 為時間，ｋ 為粒徑組編號，ｉ 為斷面編號。

對于調蓄水庫，一般無排沙設施，干流水庫引入的沙量和支流來沙量在調蓄水庫中按平鋪淤積考慮。

２ 結果與分析

２．１ 水庫泥沙調節方式

東莊水庫泥沙調節需要考慮水庫有效庫容長期保持、渭河下游河道減淤等要求。從利于渭河下游河道減淤、水庫長期保持有效庫容兩個角度，提出東莊水庫泥沙調控指標。

２．１．１ 利于渭河下游河道減淤的泥沙調控指標

１９７４ 年以來渭河下游河道沖淤主要受來水來沙條件影響。為分析涇河洪水對渭河下游河道沖淤的影響，統計得到涇河發生的１７０ 場非漫灘洪水（歷時９３４ ｄ）期間渭河下游共沖刷泥沙２．９８ 億ｔ。按照涇河張家山水文站洪水不同流量級、不同含沙量級進行統計，分析洪水期渭河下游河道沖淤表現，見圖４（正值為淤積，負值為沖刷，余同）。由圖４ 可知，涇河洪水含沙量在２００ ｋｇ／ ｍ３ 以下時，渭河下游河道均表現為沖刷；涇河洪水含沙量為２００～３００ ｋｇ／ ｍ３時，渭河下游河道轉為淤積；涇河洪水含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３ 且流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ 時，渭河下游淤積嚴重；隨著流量增加至３００ ｍ３ ／ ｓ，渭河下游河道由淤積轉為沖刷，尤其在６００ ｍ３ ／ ｓ 以上時，渭河下游河道沖刷量顯著增加。因此，渭河下游的淤積主要集中在張家山水文站含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３且流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ 的水沙過程。

１９７４ 年以來，渭河下游共發生非漫灘洪水１３３場，歷時７５８ ｄ，期間渭河下游共沖刷泥沙４．７９ 億ｔ。根據進入渭河下游的咸陽水文站和張家山水文站合計值，按照不同流量級、不同含沙量級進行統計，分析渭河下游洪水期的河道沖淤情況，見圖５。由圖５ 可知，渭河下游洪水流量在６００ ｍ３ ／ ｓ 以上時，河道沖刷量較大。

因此，要實現渭河下游河道的沖刷，需要涇河東莊水庫在攔沙期攔蓄容易造成渭河下游河道淤積的洪水，泄放利于渭河下游河道沖刷的洪水，即：當涇河來水流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時，渭河下游河道泥沙淤積嚴重，東莊水庫應對這類洪水進行攔蓄；當涇河來水流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時，渭河下游沖刷較為明顯，東莊水庫應適當泄放這類洪水，在沖刷渭河下游河道的同時也盡量減少水庫泥沙淤積。

２．１．２ 水庫排沙保庫容調控指標

正常運用期，東莊水庫應當在入庫流量較大時敞泄排沙，沖刷庫區淤積的泥沙，長期保持水庫有效庫容。水庫敞泄排沙期間，出庫水流含沙量大，若排沙流量在３００ ｍ３ ／ ｓ 以下，出庫的高含沙小流量過程極易造成渭河下游河道淤積。但是，水庫排沙流量越大，敞泄排沙機會越少，水庫可能無法長期保持有效庫容。本文計算了排沙流量為３００、４００ ｍ３ ／ ｓ 兩個方案，即當入庫流量大于排沙流量時，水庫敞泄排沙，以比較不同方案的庫容保持情況。

基于２０００—２０２１ 年水沙系列，利用數學模型計算了不同排沙流量方案東莊水庫淤積量，見圖６。由圖６可知，水庫運用４０ ａ 攔沙庫容２０．５３ 億ｍ３ 淤滿以后，排沙流量３００ ｍ３ ／ ｓ 方案，汛期入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ時敞泄排沙可以長期保持有效庫容； 排沙流量４００ ｍ３ ／ ｓ方案，水庫敞泄排沙機會減少，難以將庫區淤積的泥沙排出，無法長期保持有效庫容。因此，水庫正常運用期，汛期入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時水庫敞泄排沙。

２．２ 水庫徑流泥沙聯合調節方式

東莊水庫按上述排沙調度方式運用，利用數學模型計算得到其工業供水保證率僅５７％、農業灌溉保證率僅３０％，不能滿足工業供水保證率９５％、農業灌溉保證率５０％的要求。若汛期東莊水庫以供水為主不排沙，模型計算得到庫區泥沙沖淤變化情況見圖７，由圖７ 可知，入庫泥沙將大量淤積在庫區，僅２４ ａ 水庫設計攔沙庫容２０．５３ 億ｍ３就淤滿，且水庫淤積量不斷增加，無法長期保持有效庫容。

為實現東莊水庫有效庫容保持和供水興利的雙重目標，提出東莊水庫與周邊已建的泔河水庫、西郊水庫、龍潭水庫、賀蘭水庫等４ 座水庫聯合調節。東莊水庫蓄水興利運用時，由東莊水庫向調蓄水庫充水，并向用水對象供水；汛期東莊水庫敞泄排沙時，由４ 座調蓄水庫向用水對象供水。東莊水庫與調蓄水庫之間通過管道連接，見圖８。

水庫聯合調控規則如下：

１）水庫攔沙期。主汛期７—９ 月，當入庫流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３時，入庫含沙量較大，且這樣的水沙搭配過程對渭河下游河道減淤有利，東莊水庫敞泄排沙，調蓄水庫對外供水。

主汛期其他時段和１０ 月至次年６ 月，東莊水庫蓄水運用，在泄放下游生態流量的同時，向調蓄水庫充水，東莊水庫和調蓄水庫同時對外供水。

２）水庫正常運用期。主汛期７—９ 月，當入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時，為長期保持水庫有效庫容，東莊水庫敞泄排沙，調蓄水庫對外供水。

主汛期７—９ 月當入庫流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ 時和１０月—次年６ 月，東莊水庫運用方式同水庫攔沙期。

２．３ 聯合調節效果

２．３．１ 下游河道減淤

東莊水庫與調蓄水庫聯合調節改變涇河泄入渭河的水沙過程，減少渭河下游河道的淤積。由數學模型計算結果可知，東莊水庫生效前，渭河下游河道持續淤積，５０ ａ累計淤積泥沙３．８７ 億ｔ，見圖９。東莊水庫投入運行后，渭河下游河道累計沖刷泥沙１．７６ 億ｔ，可徹底扭轉渭河下游河道持續淤積的局面。與無東莊水庫相比，東莊水庫累計減淤量為５．６３ 億ｔ，年均減淤量為０．１１億ｔ，累計減少泥沙淤積厚度１．１９ ｍ，相當于無東莊水庫條件下渭河下游河道９０ ａ 不淤積。

２．３．２ 水庫供水量

東莊水庫是陜西關中地區工農業生產和城鄉生活的重要水源。經計算，東莊水庫多年平均供水量為４．３５億ｍ３，其中供給涇惠渠灌區農業灌溉水量２．７３ 億ｍ３，使農業灌溉保證率從３０％提高到５０％；供給銅川新區、富平縣城及工業園區、西咸新區及三原縣城城鎮生活和工業水量１．６２ 億ｍ３，供水保證率滿足９５％要求。

２．３．３ 生態基流保證效果

東莊水庫生效前，通過分析涇河張家山水文站１９６０—２０２１ 年實測徑流數據得到，河道流量不滿足流量５．３３ ｍ３ ／ ｓ 的天數為１２４ ｄ，魚類繁殖敏感期４ 月１５日—６ 月１５ 日，河道流量低于生態基流１０．６６ ｍ３ ／ ｓ 的年均天數為２５ ｄ，６ 月１６ 日—８ 月３１ 日河道流量低于生態基流１５．９９ ｍ３ ／ ｓ 的年均天數為２９ ｄ。數學模型計算得到， 東莊水庫運行后， 全年生態流量均大于５．３３ ｍ３ ／ ｓ，魚類繁殖敏感期河道內流量均大于１０．６６ ｍ３ ／ ｓ，６月１６ 日—８月３１ 日河道內流量均大于１５．９９ ｍ３ ／ ｓ，可有效地改善生態流量不足和斷流對生態的影響。

３ 結論

１）東莊水庫攔沙期泥沙調度以減輕渭河下游河道淤積為主，水庫應攔蓄入庫流量小于３００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３ 的高含沙小洪水，泄放入庫流量大于６００ ｍ３ ／ ｓ、含沙量大于３００ ｋｇ／ ｍ３的洪水；水庫正常運用期泥沙調度以長期保持水庫有效庫容為主，當入庫流量大于３００ ｍ３ ／ ｓ 時水庫敞泄排沙。

２）東莊水庫高含沙洪水期降低水位敞泄排沙，由周邊已建的泔河水庫、西郊水庫、龍潭水庫、賀蘭水庫等４ 座調蓄水庫對外供水。平水期或非汛期東莊水庫調蓄徑流，泄放涇河下游生態流量的同時，將清水引入調蓄水庫，東莊水庫和調蓄水庫同時對外供水。經數學模型計算，水庫運用以后年均可減少渭河下游河道淤積０．１１ 億ｔ，多年平均供水量為４．３５ 億ｍ３，出庫流量均滿足河道生態基流要求。

未來東莊水庫投入運用后，可結合流域水沙情勢變化，進一步優化水庫徑流泥沙調節方式。

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【責任編輯 張 帥】

基金項目：國家重點研發計劃項目（２０２２ＹＦＣ３０８０３００）；國家自然科學基金資助項目（Ｕ２２Ａ２０２３７，Ｕ２２４３２３７）；水利部重大科技專項（ＳＫＲ－２０２２０３０）