2021, Vol. 33 
(2: 武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室, 武汉 430072)
(2: State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, P. R. China)
小浪底水利枢纽是解决黄河下游防洪、减淤问题的关键性控制工程. 小浪底库区支流众多，275 m高程以下原始库容大于1亿m3的支流有11条[1]. 库区支流平时流量很小甚至断流，只是在汛期发生历时短暂的洪水时，有砂卵石推移质顺流而下. 据计算分析库区支流年平均推移质输沙总量约为27万t，悬移质输沙量约为297万t，与干流来沙量相比可忽略不计. 因此，支流库容的拦沙量取决于干流进入支流的沙量. 支流库容对水库发挥防洪、减淤等综合利用效益具有重要的作用[1-2].
小浪底库区支流入库沙量与干流相比可忽略不计，但支流拦沙量取决于干流倒灌沙量[3]. 在支流泥沙运行规律研究方面，周勤等[4]关注了干清支浑型水库泥沙淤积形态和运动规律, 王婷等[1]分析了小浪底水库支流近年来淤积形态的演变，李涛等[5]研究了水库降水冲刷过程中支流的影响问题. 在支流淤积形成拦门沙方面，多个水库存在相同难题，汉江的丹江口水库支流远河河口与支流河床的高差达10余米，拦门沙逐年增长[6]. 朱玲玲等[7-8]研究了三峡水库支流河口淤积成因及拦门沙形成风险，杨霞等[9]研究了三峡水库香溪河河口泥沙淤积特性，王永艳等[10]分析了三峡忠县段悬移质泥沙淤积特点，胡春宏等[11]针对永定河上的官厅水库支流妫水河拦门沙淤堵河口、使水库功能弱化的特点，提出逐步采用工程措施改善现状; 张俊华等[12]从小浪底水库拦沙后期防洪减淤运用方式系列年模型试验认识到：①大多支流淤积形态与设计相近，但库区原始库容最大的支流畛水的淤积形态与设计值有较大的差别；②支流淤积形态与小浪底目前淤积形态有较大差别. 小浪底水库运用以来的实测资料显示，支流最大拦门沙坎与其河床的高差已超过10 m[13]. 因此，水库拦门沙的发展机理与变化受到管理部门和水库调度部门的广泛关注. 由于水库运用过程中，库区边界条件、入库水沙过程与水库水位变化[14-15]，影响了库区支流淤积形态，且相应的演变过程具有随机性与多种可能性，再加上干支流交汇处水流一般形成螺旋流，具有较强的三维特性，导致其演变机理异常复杂.
本研究利用小浪底水库实测数据，重点分析支流淤积形态与变化过程及其主要影响因素，探讨水沙倒灌支流的淤积机理，进而为水库调水调沙方案编制、支流泥沙冲淤规律认识、支流库容有效利用、水库拦沙期寿命延长提供技术支撑.
1 研究区域小浪底水库坝址控制流域面积69.42万km2，占黄河流域面积的92.3 %. 大坝位于河南洛阳以北约40 km的黄河干流上，上距三门峡水库123.4 km，下距郑州花园口115 km. 小浪底水库正常蓄水位为275 m，支流河口拦沙坎淤堵库容为3亿m3. 根据1997年9月实测资料计算原始库容为127.538亿m3，干流库容为74.904亿m3，约占总库容的58.7 %；支流库容为52.634亿m3，约占总库容的41.3 %. 水库原始库容特征如下：高程230 m以上库容85.09亿m3，占总库容的66.7 %. 距坝约30 km范围内库容约占总库容的60.3 %；素有“八里胡同”之称的库段以下4条大支流(东洋河、石井河、畛水、大峪河)占支流总库容的比例为59.6 %；库区原始库容大于1亿m3的支流有11条，集中分布在水库下段. 距坝67 km以上(占总库长的52 %)库容约占总库容的6.8 %. 小浪底水库蓄水至275 m时，形成东西长约130 km，南北宽300~3000 m的狭长水域. 小浪底水库平面示意图见图 1.
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图 1 小浪底库区平面示意图 Fig.1 Plan sketch of Xiaolangdi Reservoir area |
小浪底水库入库站为三门峡水文站(以下简称三门峡站)，由于小浪底库区其他支流来水来沙量较小，一般不做考虑，仅把三门峡站作为库区的入库水沙站. 出库站为小浪底水文站(以下简称小浪底站). 本文的主要研究区域为小浪底水库典型支流畛水河与石井河.
畛水河是小浪底水库库容最大的一级支流，在距坝17.2 km的黄河右岸顺直河段汇入干流，畛水支流平面形态呈葫芦状，进口小而内部库容大且地势狭长，河床原始比降为0.68 ‰，随着干流河床的不断淤积，河口拦门沙发育较快，但产生倒比降.
石井河是小浪底水库一级支流，在距坝22.1 km的黄河右岸弯道处汇入干流，石井河平面形态外口宽阔，与上下游滩地相连，内部急剧缩窄，略显窄浅，随着干流河床的不断淤积，河口拦门沙发育较快，支流内部无倒比降.
2 干流横断面形态调整过程1999年10月下闸蓄水时，库底纵剖面淤积形态为原始河床，随着水库蓄水运用，库区干流地形表现为三角洲淤积形态. 水库运用以来，随着库区泥沙淤积，三角洲顶点不断向坝前推进，至2015年10月，三角洲顶点位置由运用初期的距坝6 0 km以上，下移至距坝16.39 km的HH11断面，三角洲顶点高程为222.36 m. 库区内沿程淤积基本分为上下两段，上段为明流淤积和壅水明流淤积交替，局部出现明显滩槽，下段为异重流淤积段，以平行淤积抬升为主. 水库淤积的纵剖面受来水来沙影响较大.
河槽形态也取决于水沙过程，长时期的小流量过程导致河槽逐步萎缩，历时较长的大流量过程则引起河槽下切展宽，河槽过水面积显著扩大. 水库运用以来，大部分时段库区主槽位置相对固定. 随着库区泥沙的淤积，横断面整体表现为同步淤积抬升趋势.
如图 2a~d分别为典型年份HH01、HH10、HH37、HH45断面套绘图. HH01断面距坝1.32 km，其横断面变化代表坝前淤积形态的变化，从2000年10月水库蓄水拦沙，坝前淤积速度加快，到2003年10月坝前淤积，深泓点高程由159.67 m抬高到174.36 m，深泓点由居中摆动到偏右岸，之后全断面平行抬升，至2010年10月到188.93 m；在2011年汛后在断面居中偏左岸出现梯形河槽，经过冲淤调整，至2015年汛后，其上底宽为192 m，下底宽约为99 m，河槽最大深度约4.0 m，左滩坡度为8.6 %，右滩坡度为9.7 %.
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图 2 典型年份代表断面套绘图 Fig.2 Drawing of representative cross sections in typical years |
HH10断面距坝约13.99 km，位于支流畛水口门下游，其横断面形态的变化一定程度上代表了畛水口门干支流交汇处附近地形的变化，2002年10月之前，断面基本为平行抬升，断面上沿横向略有起伏，部分年份出现深泓点，深泓点多偏右岸，在2002年10月之后，河道冲淤变幅增加，尤其是2011年汛前、汛后相比，断面两侧出现低槽，中间出高滩. 2011年10月之后，断面形态仍表现为平行抬升.
3 支流纵向与横向淤积形态从图 3a、b可以看出，支流与干流自然相连，支流口门淤积厚度随干流淤积的增加而增加，支流淤积情况与口门处干流挟沙水流的形态关系密切. 当干支流相交处处于干流三角洲顶点以下，干流往往为发生异重流进入支流的现象，同时支流口门淤积为平行抬升，由于存在泥沙的沿程淤积分选，支流河道沿水流流向形成较大坡降. 当干流处于三角洲面时，河道内塑造出明显的滩槽，支流成为干流滩地的一部分. 干流浑水以明流流态倒灌进入支流，也发生沿程落淤，结果是支流口门形成淤积较厚，口门以上淤积厚度沿程减少.
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图 3 典型支流历年汛后深泓点纵剖面套绘图 Fig.3 Longitudinal profile set drawing of thalweg point of typical tributaries after flood over the years |
支流畛水横断面淤积形态大多是平行抬升的(图 4). 畛水的淤积随着干流同步抬升，其淤积是从口门自下而上逆向淤积，距离口门越近，淤积越多，淤积泥沙颗粒越粗. 从支流畛水典型年份ZSH07横断面套绘图(图 4b)可以看出，2011年10月之前，在此断面淤积较少，而在2012年10月之后，该断面淤积增加迅速，可以从2012年10月与2013年10月地形的对比看出. 随着支流畛水口门断面的淤积厚度的增加，支流畛水内外高差增大，比降增大，支流畛水口门以内淤积量增加，支流畛水口门以内淤积量占支流畛水总淤积的比例增大. 从这个角度来说，一定程度上，支流口门淤积的形成对支流拦沙库容的利用是有利的.
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图 4 支流畛水典型年份横断面套绘图 Fig.4 Cross-sectional map of the tributary Zhenshui in typical years |
水库运用后，石井SJH01、SJH02横断面在1999—2015年一直保持平行抬升的趋势(图 5). 其中，石井SJH01横断面在2011年汛前停止测验，这是由于该横断面位于石井口门，石井口门宽阔，由于2012年之后库区干流三角洲顶点推过石井口门后，在水流泥沙作用下形成了新的河势，与上游右岸边滩连为一体，逐渐成为干流滩面的一部分，支流石井则成为该河段干流滩面的延伸. 石井SJH01断面变为干流的滩面一部分，后续不再测验，后期选择石井SJH02断面作为口门断面分析.
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图 5 支流石井典型年份横断面套绘图 Fig.5 Cross-sectional map of the tributary Shijing in typical years |
畛水口ZSH01横断面随着淤积抬升其河宽也逐步展宽，石井口SJH02横断面随着淤积抬升其河宽也逐步展宽(表 1). 从两个口门河底宽度对比来看，石井口门河底宽度大于畛水口门，其内部河底宽度却比畛水内部河底宽度小很多，这也是两支流淤积形态不同的重要原因.
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表 1 畛水ZSH01和石井SJH02横断面河底宽度变化 Tab. 1 River bottom width change of cross section ZSH01 of Zhenshui and SJH02 of Shijing |
图 6a、b分别为两条支流河底淤积宽度(以下简称河宽B)、口门断面淤积厚度(H)随时间的变化图.畛水河宽处于缓慢增大的过程，石井河的河宽变化与畛水一致，但增幅大于畛水的(图 6a). 畛水口门淤积变化幅度大，具有缓慢增大趋势，石井的口门淤积变化与畛水一致(图 6b).
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图 6 两条支流河宽、口门断面淤积厚度随时间的变化 Fig.6 Variation of the width of the two tributaries and the siltation thickness of the portal section with time |
干流水沙进入支流大多以异重流形式进入，支流口门淤积的规模增加在断面方向上表现为宽度和高度二维变化，认为B与H的组合H/B的变化可代表口门断面淤积的变化规模，根据上文分析可知，水库支流口门淤积的增长一定程度上代表了干支流水沙分配与淤积结果，流量Q代表入库水流动力，Sv为入库浑水体积比含沙量，Q为入库流量，Q越大，H/B越小，对支流口门形成的淤积越不利(图 7a).
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图 7 支流畛水口门淤积特征值与各因子的关系 Fig.7 The relationship between characteristic values and factors of portal deposition in tributary Zhenshui |
Sv代表入库泥沙条件，含沙量越高，H/B越大，对支流口门形成的淤积越有利(图 7b)；库区的淤积形态(用淤积三角洲顶点距坝里程L表示)影响异重流的形成位置和运行距离，L代表沿程阻力，该值越大，支流距离三角洲顶点越远，H/B越大(图 7c). 构造无量纲因子Q0.4/(g0.2·L)表征入库动力与库区淤积形态的变化(图 7d)，可见Q0.4/(g0.2·L)越大，H/B越小，对支流口门形成的淤积越不利.
异重流倒灌时石井支流口门断面淤积厚度特征与水库来沙及库区淤积形态的关系表明，H/B与含沙量Sv呈正相关关系，与淤积形态L呈弱正相关关系，与水库来流Q0.4/(g0.2·L)呈弱负相关关系(图 8).
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图 8 支流石井口门断面淤积特征值与各因子的关系 Fig.8 The relationship between characteristic values and factors of portal deposition in tributary Shijing |
根据以上分析，按不同输沙水流形态条件建立以下公式. 从公式(1)、(2)计算值与实测值的对比可以看出，计算值与实测值均较为接近(图 9)，畛水、石井河的R2分别为0.64、0.70.
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图 9 支流畛水(a)和石井(b)H/B实测值与计算值的对比 Fig.9 Comparison between measured values and calculated values of H/B in the tributaries Zhenshui (a) and Shijing (b) |
畛水：
| $ \frac{H}{B} = 0.007S_{\rm{v}}^{0.917}{\left( {\frac{{{Q^{0.4}}}}{{{g^{0.2}} \cdot L}}} \right)^{ - 0.413}}\ \;{R^2} = 0.64 $ | (1) |
石井：
| $ \frac{H}{B} = 2.71 \times {10^{ - 5}}S_{\rm{v}}^{0.403}{\left( {\frac{{{Q^{0.4}}}}{{{g^{0.2}} \cdot L}}} \right)^{ - 0.868}}\ \;{R^2} = 0.70 $ | (2) |
通过以上分析可知，支流的分流及淤积与入库流量、含沙量及库区的淤积形态有关. 入库流量越大，支流分流比小，支流淤积规模小；入库含沙量越大，支流分沙比越大，支流淤积规模越大.
这说明在水库调度或调水调沙过程，加大入库流量、减小入库含沙量可以减小支流淤积规模. 对于水库异重流塑造过程中，相同条件下，加大入库流量可减小支流分流比例，减小能量损失，从这个角度来说，可提高异重流运动到坝前的可能性. 而较小的入库流量则会增大支流分流比，增加能量损失，减小异重流运动到坝前的可能性.
5 结论通过对典型多沙河流水库运用对支流淤积的影响进行分析，认为入库水量及入库沙量对支流淤积的抬升具有重要的影响.
1) 1999年10月小浪底库底纵剖面淤积形态为原始河床，水库运用以来，随着库区泥沙淤积，三角洲顶点不断向坝前推进. 当干支流相交处处于干流三角洲顶点以下，支流口门淤积为平行抬升，由于存在泥沙的沿程淤积分选，支流河道沿水流流向形成较大坡降. 当干流处于三角洲面时，河道内塑造出明显的滩槽，支流成为干流滩地的一部分. 支流口门形成淤积较厚，口门以上淤积厚度沿程减少.
2) 探讨了淤积滩面变化规模与入库流量、入库体积比含沙量、库区淤积三角洲距坝里程的变化特性，建立了不同输沙水流形态条件下的淤积滩面变化公式，公式表明，支流的分流及淤积与入库流量、含沙量及库区的淤积形态有关. 入库流量越大，支流淤积规模小；入库含沙量越大，支流淤积规模越大. 淤积滩面变化的规模与支流拦门沙坎变化同步.
3) 通过研究发现，增加入库洪水流量或减小入库洪水含沙量，使得支流淤积规模减小. 在水库异重流所形成的淤积形态过程中，支流口门淤积规模与滩地相同，支流淤积规模与支流的几何形态关系紧密.
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