水库拦沙期黄河下游洪水冲刷效率调整分析概要

1水库拦沙期黄河下游洪水冲刷效率调整分析李文学1，李小平2（1.黄河勘测规划设计有限公司,河南郑州450003;2.黄河水利科学研究院,河南郑州450003）摘要：本文分析研究了三门峡水库和小浪底水库拦沙期黄河下游低含沙量洪水的冲刷效率，结果显示：水库拦沙期黄河下游洪水的全沙冲刷效率在平均流量小于4000m3/s时随着洪水平均流量的增大而增大，当流量达到4000m3/s以后，冲刷效率随着流量的增大不再显著增加，基本保持在20kg/m3。通过研究分组泥沙的冲刷效率，发现全沙冲刷效率在流量大于4000m3/s以后不再显著增加，主要是由于当流量大于4000m3/s后细颗粒泥沙冲刷效率降低的幅度大于粗颗粒泥沙冲刷效率增加的幅度，河床细颗粒泥沙的补给能力对全沙冲刷效率具有决定性作用。建议在小浪底水库拦沙期，调控下泄流量使进入下游河道的洪水平均流量在4000m3/s左右，使黄河下游洪水的冲刷效率最大，从而实现利用有限的水资源产生最大的冲刷效益，尽快增大下游河道的排洪能力。关键词：冲刷效率，水库拦沙期，全沙，分组泥沙，低含沙量洪水，泥沙补给，黄河下游1引言1999年10月小浪底水库建成投入运用后，在运用初期（拦沙期）进入下游河道的水沙搭配发生了根本性变化，下泄的水流基本为清水，下游河道进入冲刷调整状态。在低含沙水流挟沙能力和床沙变化等方面，虽然不少学者进行过许多深入的探讨[1~3]，但是对于黄河干流修建大型水利枢纽工程，改变进入下游河道的水沙过程后，低含沙水流的冲刷效率及其影响因素方面的研究目前很少。如何利用水库调节出库水沙过程、增大下游河道冲刷效果、提高下游河道过洪能力，减小“二级悬河”的威胁是目前迫切需要解决的难题。本文重点研究水库拦沙期黄河下游洪水的冲刷效率及其变化规律，探讨影响冲刷效率的因素，提出高效冲刷的调控流量，从而实现用有限的水资源达到最大冲刷效益的目的。2资料及方法本文研究选取的资料是三门峡水库和小浪底水库拦沙期，清水或是通过水库异重流排沙形成的水沙搭配系数（Q/S）小于0.015的低含沙量洪水。在水库拦沙期，通过异重流排入下游河道的泥沙属于极细沙，这些泥沙对洪水的冲刷效率基本没有影响。在黄河下游，泥沙分组定义为：025.0dmm为细颗粒泥沙（d表示泥沙粒径，01.0dmm为极细沙），mm05.0mm025.0d为中颗粒泥沙，05.0dmm为粗颗粒泥沙。本文共选取了41场洪水，在下游河道的演进过程中均发生了冲刷。其中，三门峡水库蓄水运用期27场，小浪底水库运用初期14场，含沙量低于15kg/m3的有38场（其中含沙量低于10kg/m3的有33场），洪水的特征值见表1。2表1洪水水沙特征阈值统计表项目历时(天）水量（亿m3)沙量(亿t)平均流量(m3/s)平均含沙量(kg/m3)来沙系数冲刷量(亿t）冲刷效率（kg/m3)最小值2.83.90649000.0081.7最大值4370.10.864570730.60.01321.20122.0总共617.81223.26.14322925.00.002217.714.43冲刷效率分析本文把冲刷效率定义为：洪水期进入黄河下游的1m3水量从河床中冲刷并输送出下游河道出口站利津站的沙量，单位与含沙量的单位相同，为kg/m3，用e表示(表示效率，下标e表示冲刷)，一般用冲刷量除以来水量计算：WWse（1）式中sW为冲刷量，W为来水量（小浪底、黑石关和武陟三个站的水量之和，简称小黑武，下同）。考虑水量、沙量、流量、含沙量、下游引水量、洪水历时等关系以及洪水演进过程中坦化耗损现象，可以得出引出进SSSe（2）进S为三黑小平均含沙量，出S为利津站的平均含沙量，引S为沿程的平均引水含沙量，（接近1的系数）表示黄河下游洪水在演进过程中会发生坦化和水量损耗等现象。式（2）表明冲刷效率e实际上是洪水的平均含沙量在下游河道的变化。3.1全沙冲刷效率根据上述统计的洪水资料，点绘出洪水的冲刷效率与洪水的平均流量的关系图（图1）。当洪水平均流量小于4000m3/s时，场次洪水的冲刷效率随平均流量的增大而增大；当流量达到4000m3/s左右时，洪水的冲刷效率约为20kg/m3；之后，随着平均流量的增大，冲刷效率变化不明显，基本维持在20kg/m3左右，甚至个别场洪水的冲刷效率还有所降低。由此可见，冲刷效率与平均流量有较好的相关关系。从图中还可以看出，三门峡水库拦沙运用期和小浪底水库拦沙期下游河道的洪水冲刷效率随着流量增大变化的趋势相同。值得注意的是，当洪水平均流量大于4000m3/s时，虽然冲刷效率不再显著增加，但在相同时间内洪水的洪量大，泥沙的冲刷总量也大。可见，拦沙期进入水库下游的洪水的含沙量低且来沙颗粒极细，冲刷效率主要取决于水流的能量和河床的床沙补给。3-24-20-16-12-8-400100020003000400050006000洪水平均流量(m3/s)单位水量冲淤量(kg/m3)19601961196219631964200320042005图1清水下泄期黄河全下游全沙冲刷效率与平均流量的关系3.2分组沙冲刷效率上述分析表明全沙的冲刷效率与流量的关系密切，为了进一步分析分组泥沙的冲刷效率与洪水平均流量的关系，点绘了分组泥沙的冲刷效率与平均流量的关系图（图2）。-25-20-15-10-5050100020003000400050006000洪水平均流量（m3/s）冲刷效率（kg/m3）全沙d0.0250.025-0.050.05-0.1d0.1图2清水下泄期全沙和分组沙冲刷效率与平均流量的关系分组泥沙的冲刷效率以细颗粒泥沙最大，特粗颗粒泥沙的冲刷效率几乎为0。细颗粒泥沙和中颗粒泥沙的冲刷效率的变化趋势相同（为下凹曲线），均是在洪水流量较小时随着流量的增大而迅速增大。细颗粒泥沙的冲刷效率在流量为3000m3/s时达到最大，约为12kg/m3，之后随着流量的增大而减小；中颗粒泥沙的冲刷效率在流量为2200m3/s上下时达到最大，约为5kg/m3，之后随着流量的增大基本保持不变。较粗颗粒泥沙冲刷效率的变化趋势和特粗颗粒泥沙冲刷效率的变化趋势也相同，在流量较小时基本保持不变，接近于0，当流量达到一定量级后才开始缓慢增大，如粒径在0.05~0.1mm之间的泥沙，只有当流量大于4000m3/s时才缓慢增加。分析认为，全沙冲刷效率在流量大于4000m3/s以后不再显著增加，主要是由于细颗粒泥沙冲刷效率降低的幅度远远大于粗颗粒泥沙冲刷效率增加的幅度。44影响冲刷效率的因素分析4.1冲刷效率调整机理从式（2）可以看出，冲刷效率实际上就是洪水的平均含沙量在下游河道中的变化。在水库拦沙期低含沙洪水条件下，不考虑引水引沙的影响（洪水期引水一般较少）时，含沙量在下游河道中的变化约等于洪水在下游河道中充分调整后的挟沙力（利津河段的挟沙力），即e＝*S。根据张瑞瑾挟沙力公式[4]：mgRVKS3*（3）式中V为流速，R为水力半径，对于宽浅河道R约等于水深h，为泥沙沉速。黄河下游悬沙的平均粒径一般小于0.1mm，下沉状态属于滞性状态，根据斯托克斯滞性区沉速公式：2181dgs（4）该式适用于中、低含沙量（含沙量在0.1~100kg/m3）的牛顿体紊流，本文研究的洪水均为低含沙水流。根据曼宁公式：21321JhnV（5）根据连续方程：AVQ（6）将式（5）代入式（6）得到：5321)(BJnQh（7）将式（4）、（5）、（7）代入式（3），得到：mBdngQJKS5/3251225356*10.91（8）式中系数K和指数m，通过黄河实测资料统计分析得到。式（8）中，比降J在短时间内的变化很小，可以看作常数；动力粘滞系数是和温度相关的数，黄河洪水发生多在夏秋，水温变化不大，因此也可以看作常数；重力加速度g是个常数。由此可以看出，挟沙力*S主要与流量Q、糙率n、悬沙粒径d以及河宽B四个因素相关，与流量Q的m)5/3(次方成正比，与糙率n的m)5/12(次方、悬沙粒径d的m2次方以及河宽B的m)5/3(次方成反比。在诸多影响因素中，糙率n和悬沙粒径d指数较高，其对挟沙力的影响较为显著。54.2影响冲刷效率的因素分析4.2.1水力因子（hV3）的变化经过大量的实测资料分析，在不漫滩情况下，黄河下游河道中流速和水深一般都是随着流量增大而增大的，只有漫滩后才会出现流速随着流量的增大而减小的现象。挟沙力*S与流速V的高次方成正比，与水深h的低次方成反比。虽然流速为较敏感因子，但由于流速和水深随着流量的增大有着相同的变化关系，因此为了描述挟沙力随着水流的变化趋势，用hV/3表示水力因子，图3和图4点绘了花园口站和高村站洪水期水力因子与流量的关系。可以看出，在三门峡水库和小浪底水库的拦沙期，下游洪水的水力因子都随流量的增大而增大，因而挟沙力*S是随着流量的增大而增大。图3和图4还表明，同流量的水力因子在拦沙运用后期要比初期的小。由于河道发生持续的冲刷，拦沙后期河道展宽、河道糙率因河床粗化而变大，这都导致水力因子减小，挟沙能力降低。因此拦沙后期洪水的冲刷效率比前期的小。01234567891001000200030004000500060007000流量(m3/s)水力因子(v3/h)1961-11961-21962-11962-21963-11963-21963-31963-41964-11964-2(a)三门峡水库拦沙期00.511.522.533.544.550500100015002000250030003500流量(m3/s)水力因子(v3/h)20022003-12003-22003-32004-12004-2(b)小浪底水库拦沙期图3水库拦沙期花园口站洪水期水力因子hV/3与流量的关系4.2.2床沙粒径和悬沙粒径的变化修建三门峡水库前，黄河下游河道床沙中粗泥沙约占80％，中泥沙约占10％，细泥沙极少[6]；滩地受洪水落淤影响，中细沙含量要高于主槽，中细沙所占的比例分别为21％和42％[7]。经过三门峡水库拦沙运用后，下游河床中的泥沙发生明显粗化（图5）。1999年下游取样资料表明，下游河道经过1986年以来的枯水系列的累积性淤积，床沙组成有所细化，河道主槽表层床沙中细颗粒泥沙的含量为23％，中颗粒泥沙含量为31％，粗颗粒泥沙含量为46％。图6表明，小浪底水库蓄水拦沙运用以来，黄河下游河道河床泥沙发生了明显粗化，高村断面床沙的中值粒径从1999年8月的0.05mm到2004年6月增大为0.125mm，孙口断面的床沙的中值粒径从0.045mm增大到0.08mm。在水库拦沙期随着清水下泄历时的增长，黄河下游河床中的中、细颗粒泥沙基本被冲走，到拦沙末期床沙组成几乎都是大于0.05mm的粗颗粒泥沙。60246810120200040006000800010000流量(m3/s)V3/h1961-11961-21962-11962-219631964（a）三门峡水库拦沙期0246810121401000200030004000流量(m3/s)V3/h19992003-12003-22004-12004-22004-3（b）小浪底水库拦沙期图4水库拦沙期高村站洪水期水力因子hV/3与流量的关系01020304050607080901000.010.11粒经(mm)小于某粒经的百分数(%)1961196219631964(a)花园口01020304050607080901000.010.11粒经(mm)小于某粒经的百分数(%)1961196219631964(b)孙口图5三门峡水库拦沙期下游河道典型断面的床沙级配曲线01020304050607080901000.0010.010.11粒径(mm)小于某粒径的百分数(％)1999-82004-6(a)高村01020304050607080901000.0010.010.11粒径（mm）小于某粒径的百分数（%）1999-062004-06(b)孙口图6小浪底水库拦沙期下游河道典