2003—2020年三门峡水库原型试验分析.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023摘要：三门峡水库自2002年11月起开展了“318水位控制”原型试验。基于三门峡水库原型试验以来多年的数据资料，首先分析了三门峡水库入库水沙条件的变化，其次分析了水库在不同时期的控制运用方式对库区泥沙冲淤的影响，最后在此基础上对库区不同河段的泥沙冲淤状况进行了分析。分析结果表明：原型试验以来，三门峡水库入库的水沙条件发生了显著变化，来沙量显著减少为库区减淤和库容恢复创造了有利条件；原型试验期间基本实现了汛期洪水沿程冲刷与溯源冲刷的有机结合，库区总体呈现良好的冲刷效果，潼关高程下降1.20 m，总库容增大3.492亿m3。上述分析表明，在新的水沙条件和水库运用边界条件下，应合理优化三门峡水库控制运用指标，进一步提高水库运行质量，充分发挥水库综合效益。关键词：三门峡水库；原型试验；控制运用；潼关高程；输沙量；含沙量；库区冲刷中图分类号：TV697.1；TV882.1文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.004三门峡水利枢纽是黄河干流上修建的第一座以防洪为主的大型综合利用水利枢纽工程。三门峡水库最高防洪、防凌运用水位分别为335、326 m（大沽高程，下同）。现阶段三门峡水库的主要任务是防洪、防凌、调水调沙和发电1。三门峡水库建成后经历了“蓄水拦沙”和“滞洪排沙”两种运用方式后，自1974年采用“蓄清排浑”运用以来，库区泥沙淤积情况才有所好转2。但1986年龙羊峡和刘家峡水库联合运用以来，黄河径流年内分配和过程的改变，同时也改变了三门峡水库入库的水沙条件，水库入库水量不断减少使得库区出现累积性淤积3-5，潼关高程 潼关（六）断面1 000 m3/s流量相应水位值 呈现间歇性抬升，2002年汛后潼关高程已升至328.78 m，水库335 m高程下库容减少至55.94亿m3。面临这一新情况，自2002年11月起三门峡水库开展了“318水位控制运用”原型试验，以期通过调整运用指标解决水库库区累积性淤积问题，恢复水库有效库容。为此，基于20032020年原型试验期间三门峡水库的入库水沙情况，结合水库在不同时期的控制运用方式，对比分析库区不同河段泥沙淤积及冲淤变化情况，以期为水库的调度运用提供参考，充分发挥水库的综合效益。1入库水沙分析1.1入库水沙量2002年11月2020年10月三门峡水库18个运用年间（简称20032020年），入库潼关站年均径流量、输沙量、含沙量分别为268.0亿m3、2.230 3亿t、8.32 kg/m3，较19741985年分别小33.2%、小78.7%、小68.2%，较19862002年分别大7.85%、小68.5%、小70.8%。其中，入库输沙量减幅大于径流量减幅，入库含沙量减幅接近70%，总体上属枯水枯沙系列。20032020年潼关站径流量、输沙量与含沙量统计见表1。收稿日期：2022-12-07作者简介：季利（1971），男，天津蓟州人，高级工程师，硕士，主要从事水文泥沙分析、水库调度研究和防汛管理E-mail：20032020年三门峡水库原型试验分析季利，王海军（黄河水利委员会 三门峡水利枢纽管理局，河南 三门峡 472000）非汛期潼关站平均径流量、输沙量分别为 130.8 亿 m3、0.446 4亿t，占全年比重分别为48.8%、20.0%；汛期平均径流量、输沙量分别为137.2亿m3、1.784亿t，占全年比重分别为51.2%、80.0%。即非汛期、汛期径流量大致各占50%，而来沙量80%集中在汛期。20032007年潼关站输沙量相对稍大，20082020年潼关站输沙量呈减少趋势。水库原型试验期入库输沙量的显著减少，使得汛期平均入库含沙量呈现原型试验之前非汛期特征。1.2入库洪水20032020年汛期，三门峡入库潼关站最大洪峰流量为6 400 m3/s，大于2 000 m3/s的洪峰共53次，年均3次。其中，大于3 000、4 000、5 000、6 000 m3/s的次数分别为24、12、6、2次，有16次来水以黄河为主、9次以渭河为主、28次由黄渭河共同形成。期间，入库最大含沙量为431 kg/m3，大于150 kg/m3的沙峰共10次，7次以渭河来沙为主，3次由黄渭河共同组成。年最大洪峰流量平均值为3 710 m3/s，仅为19742002年同期均值5 950 m3/s的62.4%。其中，有7年汛期最大入库洪峰小于3 000 m3/s，最小值仅为1 480 m3/s。统计表明：三门峡入库潼关站输沙量大幅度减少，高含沙洪水多来自渭河，汛期洪峰也相对减小。为此，非汛期应合理地控制三门峡水库水位以促进库区淤积重心下移，汛期应充分利用洪水敞泄排沙以增强泥沙冲刷效率。2水库控制运用分析三门峡水库原型试验以来，20032015年连续13年开展18次黄河调水调沙（汛前12次、汛期6次），20062015年连续10年开展利用并优化桃汛洪水冲刷降低潼关高程试验。此间，平均运用水位为 313.22 m，最高、最低年均库水位分别为314.58 m（2014年）、311.70 m（2003年）；最高、最低月均库水位分别为317.56 m（5月）、303.75 m（7月）。2.1非汛期运用一般控制库水位不超过318 m。“桃汛”洪水入库前，适当降低库水位以冲刷降低潼关高程；个别应急调度期，有时库水位短时间超318 m。最高、最低运用水位分别为319.42、284.80 m，平均水位为317.04 m，年均最高、最低水位分别为317.75、315.59 m；水位超过318 m的时间年均11 d，较19731986年、19862002年超过水位 318 m 的平均时间分别减少 109、77 d；水位超过 317、表120032020年潼关站年均径流量、输沙量与含沙量统计时段20032007年20082020年20032020年19741985年19862002年平均径流量/亿m3非汛期118.2135.6130.8164.6137.9汛期113.3146.4137.2236.3110.6年231.5282.0268.0400.9248.5平均输沙量/亿t非汛期0.774 30.320 20.446 41.610 01.833 0汛期2.7301.4201.7848.8715.238年3.5041.7402.23010.4817.071平均含沙量/（kg m-3）非汛期6.552.363.419.7813.30汛期24.19.713.037.547.4年15.106.178.3226.1028.50 7人 民 黄 河2023年S1315 m的时间年均分别为178、227 d。非汛期水库最高运用水位的降低与高水位运用时间的减少，促进了库区泥沙淤积重心整体下移，有利于提高水库汛期洪水敞泄过程的排沙效率。2.2汛期运用一般情况为平水过程控制水位305 m，发生洪水时进行敞泄排沙。库水位305 m的年均时间分别为10、64、49 d，分别占汛期总时间的8%、52%、40%。其中，高于305 m水位运用时间主要在水库汛初调水调沙准备期、汛期敞泄滞洪期、汛期应急调度期及汛末水库回蓄过渡期等时段。原型试验期间，汛期平均库水位为305.68 m；汛期平均水位最高为308.50 m（2014年），主要原因为：该年汛初进行黄河调水调沙，89月为三门峡市区应急抗旱蓄水按310 m水位控制运用，汛末提前向非汛期运用过渡等。2.3敞泄排沙原型试验期，一般在洪水入库前打开12个底孔、12个深孔与2条隧洞（高水位条件下有时包含7台发电机组与1条排沙钢管），真正地实现“敞泄排沙”与“空库迎洪”，最低排沙水位降至284292 m，较原型试验前排沙运用水位300 m显著降低，有效增加近坝段水面纵比降，增大溯源冲刷强度。一般敞泄运用主要集中在两个时段：一是6月末或7月初黄河调水调沙期；二是汛期洪水排沙期。各年敞泄排沙次数、历时与当年入库洪水场次、时间长短密切相关。敞泄排沙共53次，以输沙量法统计，累计入库沙量14.04亿t、出库沙量34.29亿t，平均排沙比244%；累计冲刷泥沙20.25亿t，占汛期总出库沙量的70.8%，占汛期总冲刷量的124%；累计历时293 d，年均敞泄16.3 d，占汛期时间的13.2%；年均敞泄2.9次，平均每次敞泄时间5.5 d。汛期敞泄排沙以13.2%的时间排出汛期70.8%的泥沙，表明水库排沙主要集中在汛期洪水敞泄排沙期。3库区冲淤分析3.1水库回水影响范围分析水库回水影响范围与水库蓄水位、入库流量及河床纵比降等关系密切。对多沙河流水库而言，回水影响范围直接决定着水库泥沙淤积部位。根据实测资料，原型试验期间，一般情况为：库水位305、310、315、318、320 m的回水影响长度距离大坝分别约29、53、68、81、87 km，具体位置分别在黄淤19断面、26断面上游2 km、30断面、33断面、35断面下游2 km。非汛期回水影响最远到黄淤33断面，大多数在黄淤33到30断面间，库区黄淤33断面至潼关（六）断面（间距32 km）、潼关以上库区的黄河小北干流河段及渭河下游河段均呈自然河道状态。3.2黄河小北干流河段冲淤分析黄河小北干流河段全线冲刷，累计冲刷泥沙3.705亿m3，各断面都出现较大幅度的冲刷下切。黄淤4145、4550、5059、5968断面间累计冲刷泥沙分别为0.267 7亿、0.523 9亿、1.062亿、1.852亿m3。3.3渭河下游河段冲淤分析渭河下游河段全线冲刷，累计冲刷泥沙2.869亿m3，主要表现为主槽刷深拓宽。其中，渭拦4渭淤1、渭淤110、1026、2637断面间累计冲刷泥沙分别为0.082 2亿、0.514 3亿、0.8415亿、1.431亿m3。渭河下游各控制断面河槽过洪能力均得到显著增大。其中，咸阳站由1 700 m3/s增至3 710 m3/s，临潼站由3 000m3/s增至3 700 m3/s，华县站由1 400 m3/s增至2 900 m3/s。各断面河槽过洪能力均超过2 900 m3/s。3.4潼关以下库区冲淤分析2002年11月至2020年10月，以分段冲淤累计体积计算，潼关黄淤41断面以下库区累计冲刷泥沙1.362亿m3。其中，黄淤15断面以上全部冲刷，最大冲刷段在黄淤1819断面间，冲刷量为0.209 4亿m3；次大冲刷段在黄淤3132断面间，冲刷量为0.143 7亿m3。黄淤811、1415断面间仅有微量淤积。3.4.1非汛期冲淤非汛期潼关黄淤41断面以下库区累计淤积泥沙9.827亿m3。淤积部位在黄淤36断面以下，淤积体大致呈三角洲分布，三角洲顶点位于黄淤1721断面之间，淤积重心在黄淤1832断面间，黄淤2728断面间累计淤积量最大，为1.180亿m3；黄淤3236断面间呈现弱溯源淤积现象，淤积末端一般在黄淤3436断面间，黄淤36断面以上有冲有淤、冲淤量较小，其冲淤变化主要受来水来沙条件影响。3.4.2汛期冲淤汛期潼关黄淤41断面以下库区各段累计冲淤量分布见图1。汛期潼关黄淤41断面以下库区累计冲刷11.19亿m3。冲刷部位基本在黄淤36断面以下，主要冲刷河段在黄淤1832断面间，其中黄淤2728断面间累计冲刷量最大，为1.233亿m3。黄淤3237断面间呈现溯源冲刷且逐渐减弱，汛期在有利的水沙条件下，水库敞泄所产生的溯源冲刷最远发展到黄淤37断面附近；黄淤37断面以上河段汛期有冲有淤，冲淤量相对较小，表明该段不受水库运用影响，呈现自然河道冲淤特性。黄淤18断面以下河段，汛期一般有冲有淤，总体上呈冲刷状态。原型试验前，三门峡水库非汛期库水位低于320.5 m，水库运用对潼关河床的淤积基本没有影响。原型试验后，非汛期一般控制最高库水位不超过318 m，使水库运用进一步脱离了对潼关河床冲淤的影响，实现了淤积部位整体进一步下移，潼关以下河段汛期冲刷范围覆盖了非汛期淤积范围，汛期冲刷量总体大于非汛期淤积量，即不仅将原型试验期内非汛期淤积泥沙冲出库外，而且还将原型试验前一部分淤积泥沙冲出库外。3.4.3淤积断面变化分析原型试验期间，三门峡库区潼关以下各淤积断面最低河底高程总体降低，平均降低1.78 m。其中，黄淤14断面最低河底高程降低最大为12.56 m，黄淤41断面最低河底高程下降2.86 m。黄淤28断面以上普遍冲刷降低，以下有降有升。各断面最低河底高程变化与各年分段冲淤累计体积变化基本一致。潼关以下绝大多数主要淤积断面335 m高程下面积增加，平均增加面积1 444 m2，最大增加8 875 m2（黄淤6断面）；个别断面面积减小，减小面积最大为1 009 m2（黄淤8断面）。近坝段河段受水库运用特别是汛期敞泄排沙运用断面冲淤变化剧烈。黄淤22断面以上淤积断面面积普遍增加，且越往上受水库运用影响越弱。3.5潼关高程变化2002年汛后至2020年汛后，潼关高程仍遵从非汛期上升、汛期下降的规律，且汛期降幅大于非汛期升幅。非汛期平均上升0.26 m，汛期平均下降0.33 m，年均下降0.07 m，潼关高程由328.78 m降为327.58 m，试验期累计下降1.20 m。非汛期除2020年潼关高程下降0.12 m外其余年份全为上升，年度最大升幅0.61 m（2015年），汛前潼关高程最高、最低分别为328.82 m（2003年）、327.76 m（2012年）。汛期潼关高程除2018年上升0.05 m外其余年份全为下降，最大年度降幅为0.88 m（2003年），汛后最高、最低分别为328.78 m（2002年）、327.38 m（2012年）。4水库库容变化分析近几年研究成果表明：三门峡水库全库区淤积物粒径大于等于0.05 mm的泥沙重量占总沙重基本为50%，呈现粉砂特性，多年淤积物存在着密实演化与缩体现象；部分距坝较远的断面（黄淤5068断面及渭淤1137断面）多年累积淤积体已超出335 m高程范围。因此，以各年度断面法测算的冲淤量为基础计算得到的三门峡水库多年累计冲淤量，并不能真正代表实际图1汛期潼关黄淤41断面以下库区各段累计冲淤量（下转第39页）8人 民 黄 河2023年S1老漳河、滏东排河等已有渠道，这些渠道大部分未衬砌，个别渠段边坡稳定性不强，在遭遇暴雨天气或因渠底坡度变缓而导致壅水较高时，容易引发边坡坍塌，形成“卡脖子”段，降低工程输水能力。（3）供水安全。渠村线路大部分输水渠段两侧未安装防护设施，引水期间（特别是夏季）容易发生溺亡事故。自工程通水以来，仅河南省境内沿线发生的溺亡事故就累计超过十余起。每次发生溺亡事故后，渠首闸均立即关停，至能够恢复正常供水一般需历经23 d，一定程度上影响了供水秩序。（4）未形成高效运行的协商管理机制。引黄入冀补淀工程为跨流域调水工程，没有统一的运行管理单位，主要由黄河河务部门、河南和河北两省各级水利部门等多个单位按照权限分别管理，协调配合存在一定难度，如用水高峰期河北、河南两省错峰引水问题，沿线取用水监管问题，交水断面输水率等问题。（5）完善的协调管理机制尚未形成。引黄入冀补淀渠村线路输水线路长、沿线口门多、管理难度大，用水高峰期易发生供用水矛盾。由于协调管理机制不完善，各方沟通协调效率不高，出现问题得不到及时解决，因此不利于维护供水秩序、保障输水安全。4对策（1）提高渠首引水能力。针对黄河下游河势多变特性,当大河主流远离渠首时，一是可通过在渠首架设移动泵站进行抽水，提供稳定可靠的水源保障；二是采用移动式工程稳定河势。使用常规的工程措施实施周期长、费用高，加之该河段两岸分属不同省区及管辖单位，建设控制河势的挑流工程较难实现，采用重复组装式导流桩坝技术，使用高压射水沉桩和拔桩技术，将空心管桩等设备在河道快速插桩做坝，形成导流桩坝，可以逐步调整溜势，缩小河道的游荡范围，稳定渠首河势2，同时还方便拆除，可在一定程度上缓解河势南移、远离渠首带来的引水不利影响。（2）探索多线路联合供水。可通过多线路联合供水方式增加引水量，从红旗闸引水，通过大功干渠引水沿金堤河、硝河进入东风干渠，还可沿金堤河向渠村线路供水，必要时3条线可一起向东风干渠输水，不仅可以有力补充现有单条渠道引水不足问题，而且能以主要河流带动沿线支渠，增强水资源统筹调配、供水保障和防洪排涝能力。（3）临河放淤沉沙改善二级悬河。泥沙处理恰当与否，直接影响引黄工程效益发挥，探索输沙兴利是解决沉沙能力不足问题的根本。可在大堤内选取适当位置建设一级沉沙池，在滩区内沉沙缓解现有沉沙池沉沙负担，同时利用沉沙在临堤1 km范围内划定淤高，在防洪标准范围内对濮阳段大堤至主槽间的滩地进行再造：修筑平行于大堤的高填方路段，结合滩区地形和居民安置需要，作为居民安置区或生态景观区，高填方路段与嫩滩之间的临河滩地用于发展高效生态农业、观光农业等。既能解决濮阳数量庞大的滩区群众搬迁问题，又能有效治理“二级悬河”，还能通过协调生态、生产和防洪安全,实现生产空间的集约高效、生活空间的适度宜居、生态空间的健康稳定,服务黄河下游生态经济带建设3。（4）构建科学高效的协调沟通机制。完善的体制和有效的机制是保障远程跨区供水工作顺利进行的关键所在，维护好供水秩序和输水安全对保障各方用水权益具有重要意义。根据以往供水线路运行中出现的问题，建议成立引黄入冀补淀议事协调机构，建立健全运行管理、监督体制机制和制度体系，明确供水、输水、用水各方责任和权利，实现协同联动、密切配合、信息共享，提升管理水平和输水突发事件应急反应能力，切实保障输水安全和供水效益。5结语引黄入冀补淀工程跨流域调水的实施,对于保障河南省、河北省粮食生产区用水安全和生态文明安全、有效遏制华北地区地下水超采现状、全力服务支持沿线区域经济发展和雄安新区建设具有重要意义。通过采用移动式工程稳定河势，探索多线路联合供水，临河放淤沉沙改善二级悬河，构建科学高效的协调沟通机制，进一步保障引黄入冀补淀工程持续、稳定、高效利用，不断优化水资源配置格局,提高水资源统筹调配能力、供水保障能力、战略储备能力。参考文献：1 夏修杰，万强.黄河下游规划流路应用比对及措施 J.中国水利，2022（4）：13-15.2 耿明全，李永强，孙伟芳，等.重复组装式导流桩坝研究与应用M.郑州：黄河水利出版社，2014：序一.3 张金良，刘继祥，李超群,等.黄河下游滩区治理与生态再造模式发展:“黄河下游滩区生态再造与治理研究”之四 J.人民黄河，2018，40（10）：1-5，24.【责任编辑张华兴】库容的变化。实际库容的变化应以时段始末实测库容差来计算分析。根据2002年汛后与2020年汛后实测库容资料比较，三门峡水库原型试验以来各级高程下的库容均呈增大结果，其中，305、318、326、335 m库容分别增大0.096亿、0.727亿、1.529亿、3.492亿m3；黄河小北干流库段、渭河下游库段、北洛河库段及潼关以下库段335 m高程相应库容分别增大0.458 0亿、1.510亿、0.001 3亿、1.523亿m3。5结论（1）2003年特别是2008年以后，三门峡入库潼关站输沙量、含沙量显著减少，非汛期、汛期及全年平均含沙量均小于原型试验前非汛期平均含沙量，水库原“蓄清排浑”控制运用的水沙条件发生了重大变化，含沙量减少为水库减淤与库容恢复创造了有利条件。（2）原型试验以来非汛期水库最高运用水位的降低与高水位运用时间的减少，促进了库区泥沙淤积重心整体下移，提高了水库汛期洪水敞泄过程的排沙效率；汛期敞泄排沙冲刷效率与库区前期淤积量成正比，前期淤积量越大，冲刷效率越高。（3）三门峡水库原型试验以来非汛期最高库水位一般控制不超过318 m，原型试验期基本实现了汛期洪水沿程冲刷与溯源冲刷的有机结合，库区总体呈现良好的冲刷效果，潼关高程下降1.20 m，总库容增大3.492亿m3。（4）随着三门峡水库来沙量的大幅减少、潼关高程的显著下降及渭河流域重点治理规划的全面实现等重要条件变化，新阶段三门峡水库“蓄清排浑”控制运用指标应合理进行完善与优化，以实现水库生态保护和高质量运行，充分发挥水库综合效益。参考文献：1 水利部黄河水利委员会.黄河流域综合规划（20122030年）M.郑州：黄河水利出版社，2013：58，53.2 李星瑾，张格铖，娄书建，等.三门峡水库运用实践与分析 J.人民黄河，2017，39（7）：7-10，34.3 杨光彬，吴保生，章若茵，等.三门峡水库“318”控制运用对潼关高程变化的影响 J.泥沙研究，2020，45（3）：38-45.4 林秀芝，侯素珍，常温花，等.利用桃汛洪水降低潼关高程原型试验效果分析 J.人民黄河，2007，29（3）：14-15，79.5 王育杰.三门峡水库“蓄清排浑”运用与潼关高程关系研究 J.人民黄河，2003，25（7）：16-18.【责任编辑张华岩】（上接第8页）39