论文部分内容阅读
摘 要：2018—2019年汛期，黃河来水量大，小浪底水库连续两年实施了低水位、长历时、大流量、高含沙的排沙运用，取得了显著的排沙效果。基于小浪底水库实际排沙运用情况，分析水库排沙影响因素，采用回归分析方法建立水库排沙比计算公式，结果表明库区蓄水量、坝前最小水深、入库流量、水平回水长度等与水库排沙比关系较为密切，相关系数均在0.80以上，经实测资料验证，排沙比计算公式可较好地模拟水库排沙情况。进一步结合坝区地形观测资料，分析近坝区泥沙冲淤变化。2014年以来，受泄流底孔排沙影响，距坝4.5 km范围内河床比降稳定在4.3‰～5.1‰之间;进水塔前泥沙淤积最低高程在176～181 m之间变化，当前左岸泥沙淤积高程逐步抬升，坡度逐渐变陡，尚未形成稳定边坡，而右岸受山体控制，坡度大，泥沙淤积量少。
关键词：排沙比;敞泄排沙;库坝区淤积;小浪底水库
中图分类号：TV697.1;TV882.1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.006
引用格式：李珍，江颖，安静泊.2018—2019年汛期小浪底水库排沙运用分析[J].人民黄河，2021，43（9）：32-37.
Analysis of the Sediment Discharging Effect of Xiaolangdi Reservoir in 2018-2019 Flood Seasons
LI Zhen， JIANG Ying， AN Jingbo
（Xiaolangdi Multi-Purpose Dam Project Management Center， Ministry of Water Resources， Zhengzhou 450000， China）
Abstract： In the flood seasons of 2018 and 2019，the inflow of Xiaolangdi Reservoir was higher than before and it was the first time that the operation of low reservoir level， long duration，large discharge， and high sediment concentration was applied for two consecutive years， which effectively scoured the sediment in the reservoir area. This paper analyzed the influencing factor of sediment discharge and established the calculation formula of the reservoir sediment discharge ratio by the regression analysis method， based on the actual sediment discharge operation of the reservoir. The results point out that pondage， lowest water depth and inflow are most closely related to sediment discharging， with a high correlation above 0.80. The calculation formula for the sediment discharge ratio verified by the measured data can simulate the sediment discharge of the reservoir well. Based on the observation data of the topography of the reservoir dam area， the sediment scour and silting change in the dam area were analyzed， and it was proposed that the river bed gradient within 4.5 km of the reservoir area had been stabilized between 4.3‰ and 5.1‰ since 2014， under the influence by the discharge bottom hole. The lowest elevation of sediment deposition in front of the intake tower varies between 176 m and 181 m. On the right bank in front of the dam， the sediment deposition elevation gradually rises and the slope becomes steeper. Currently， a stable slope has not been formed. As the left bank in front of the dam is close to the mountain with a high slope and there is little sediment accumulation.
Key words： suspended sediment discharge ratio; open drain sediment; sediment deposition in reservoir dam area; Xiaolangdi Reservoir 小浪底水库位于黄河中游最后一个峡谷河段，坝址距下游花园口水文站128 km，处于控制黄河下游来水来沙的关键部位，坝址以上控制流域面积为69.4万km2，占黄河流域总面积的92.3%，是解决黄河下游防洪减淤等问题不可替代的关键性工程。工程开发任务以防洪（包括防凌）减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，除害兴利，综合利用[1]。小浪底水库自1999年10月下闸蓄水以来，取得了巨大的社会、经济和生态效益。截至2020年4月，小浪底水库已累计淤积泥沙32.86亿m3，处于拦沙后期第一阶段。水库运用以蓄水拦沙和调水调沙运用为主，如何科学调控水沙，减缓库区泥沙淤积，长期发挥以防洪减淤为主的综合利用效益是当前小浪底水库运用面临的重大技术问题。
2018—2019年汛期，黄河上中游地区降水偏多，干流洪水洪量相对较大、持续时间较长。黄河防汛抗旱总指挥部抓住有利时机，积极应对，实施小浪底水库降低水位排沙运用，充分利用洪水入库过程冲刷库区淤积的泥沙，实现了库容恢复和河道多排沙的目标。2018—2019年汛期降低水位排沙运用期间，小浪底水库排沙量分别为3.63亿、4.67亿t，排沙比分别达到237%、346%，无论排沙量还是排沙比均高于以往历次排沙运用。
笔者通过研究2018—2019年排沙运用情况，结合以往水库排沙资料，分析小浪底水库排沙影响因素，并以此为基础建立排沙比计算公式，同时研究水库排沙对坝区漏斗淤积形态的影响，以期为今后小浪底水库调度运用提供参考。
1 2018—2019年汛期小浪底水库排沙运用情况
1.1 2018年汛期
2018年汛期，黄河流域降水量较常年偏多24%，强降水主要集中于上中游的龙刘区间、刘兰区间、兰托区间和山陕区间北部。受降水影响，黄河上游共出现3次编号洪水[2]，中游泾渭河、山陕区间及黄河下游大汶河也相继出现了明显的洪水过程。
為应对渭河洪水和上游来水，在洪水来临前，7月3日小浪底水库开始加大下泄流量，腾库迎洪，降低库水位排沙减淤。7月4日5时30分，水库异重流开始排沙出库，7月13日库水位最低降至211.77 m（相应蓄水量2.0亿m3），低于淤积三角洲高程10.59 m，出库含沙量明显增大，最大出库含沙量达到369 kg/m3。考虑到进入下游的高含沙水流可能导致下游洪峰增大，高含沙水流出库期间适当减小了出库流量。随着入库洪水流量减小，小浪底水库7月22日后逐级减小下泄流量，7月27日减小至1 000 m3/s，水库开始逐步回蓄，降水排沙阶段结束。8月20日前按不超过汛限水位230 m运用，8月21日起向后汛期汛限水位过渡。
7月4—27日小浪底水库降水位排沙运用期间，水库入库沙量为1.54亿t，排沙比为265.9%，平均出库含沙量为59.3 kg/m3。整个汛期（7—10月，下同）小浪底水库入库水量为241.5亿m3，入库沙量为4.84亿t，出库水量为221.9亿m3，出库沙量为4.66亿t，水库总体呈现微淤，淤积量0.18亿t。2018年汛期小浪底水库进出库水沙及库水位变化过程见图1。
1.2 2019年汛期
2019年汛期，黄河流域暴雨过程频繁，强降水落区重叠度高，雨区主要集中在黄河源区、泾渭洛河、山陕区间。黄河源区降水持续时间长，降水总量大，山陕区间降水主要发生在7月下旬至8月上旬，泾渭洛河降水主要发生在6月下旬至8月初。受降水影响，汛期流域洪水过程多、历时长、发生时间早，上、中、下游河道洪水洪量较大，编号洪水出现4次，其中上游3次、中游1次[3]。
为应对渭河洪水和上游来水，小浪底水库汛前合理调控出库流量，于6月底降至汛限水位235 m。为增强水库排沙效果，水库7月1日后继续大流量下泄，实施降水位排沙运用，下泄控制流量最大为4 200 m3/s。7月20日库水位降至210 m附近后运行至8月1日，小浪底水库按进出库平衡运用，最低库水位为7月26日的209.12 m。8月1日20时，水库开始按流量1 400 m3/s下泄，库水位逐步升高，至8月5日库水位涨至220 m左右。为应对中游洪水及九号台风“利奇马”可能带来的影响，8月5日水库再次实施降水位运用，至8月9日库水位降至213 m附近，而后根据来水情况，逐步减小下泄流量，8月12日下泄流量减小至500 m3/s，8月21日库水位回升至233.96 m，开始向后汛期汛限水位过渡。9月中下旬，为应对第3号洪水，水库又进行了防洪运用。
7月14日—8月12日水库降水位排沙运用期间，水库入库沙量为1.23亿t，排沙比为325.6%，平均出库含沙量为42.9 kg/m3。整个汛期小浪底水库入库水量为220.9亿m3，入库沙量为2.74亿t，出库水量为220.0亿m3，出库沙量为5.45亿t，水库冲刷2.71亿t。2019年汛期小浪底水库进出库水沙及库水位变化过程见图2。
2 水库排沙影响因素分析
2.1 水库排沙影响因素相关性分析
水库排沙与入库水沙、库区地形及水库运用方式等密切相关。一般用出库沙量与入库沙量的比值即排沙比η表示水库排沙效果，影响水库排沙比的因素众多，如入库流量、出库流量、库区蓄水量、坝前运用水位、前期淤积量等。以往专家开展了大量的研究，如涂启华等[4]、张启舜等[5]基于实测资料，得到水库排沙比与水库蓄水量成反比，与入库流量成正比;焦恩泽等[6]综合考虑进出库流量、入库含沙量、水面坡降、库容等影响因素，提出同时适用于水库壅水排沙和明流排沙的排沙比公式;黄仁勇等[7]利用逐步回归法研究表明V/Q（水库蓄水量与出库流量之比）为出库排沙比的主要影响因素;张帅等[8]分析了小浪底水库汛期排沙比与入库平均含沙量、进出库平均流量、平均库容等影响因素之间的相关程度;王婷等[9]通过分析水库降水冲刷效果影响因素，认为适时降水冲刷可以合理处理长期保持有效库容和减少黄河下游河道淤积的关系。 统计2004年以来小浪底水库调水调沙期间降低水位排沙时水库运用指标和水沙特征值，见表1;采用最小二乘法分析各影响因素与排沙比的相关系数，见图3。可以看出，水库排沙期库区有效蓄水量、坝前平均水深、坝前最小水深、入库流量、水平回水长度、前期淤积量等因素对水库排沙影响较大，其中有效蓄水量、坝前最小水深、水平回水长度、入库流量与水库排沙比的相关系数均在0.80以上。
当前小浪底水库主要以异重流形式排沙，水库回水末端断面流量、含沙量过程是异重流形成并持续运行的动力条件，在一定的库区河床边界条件下，水库运用水位越低，回水末端以上库区自然河段就越长，调水调沙期三门峡水库下泄大流量“清水”冲刷恢复的含沙量就越高，形成的水库异重流挟沙能力强且能量大，加之水库蓄水较小，异重流向坝前运动过程中能量消耗不大，排沙出库的含沙量相应就越高。若后续洪水流量大、持续时间长，则前期形成的异重流得到源源不断的动力补充，水库排沙效果就更明显。
2018年、2019年小浪底水库排沙效果明显，主要是因为异重流排沙期间小浪底水库运用水位较低，平均水位分别为218.30、215.99 m（相应坝前平均水深分别为43.30、40.99 m），最低水位为211.80、209.00 m（相应坝前最小水深分别为36.80、34.00 m），加之后期洪水时间长，异重流排沙的后续动力充足，因此水库排沙比、排沙量均居历次前列。2012年、2013年调水调沙期间小浪底水库运用水位较低，水库排沙比也相对较大，但入库水量较小，异重流后续动力不足，水库排沙量相对较小。
2.2 水库排沙比计算公式
选取与小浪底水库排沙密切相关的库区有效蓄水量、入库流量等因素，建立水库排沙比计算公式，对排沙比影响较大的坝前最小水深、水平回水长度与库区有效蓄水量直接或间接相关，对排沙比的影响可通过库区有效蓄水量表达。采用回归分析方法建立水库排沙比的计算公式如下：
η=1.808（Q入V有效）0.737（1）
式中：η为排沙比，%;V有效为水库排沙期有效蓄水量，亿m3;Q入为入库流量，m3/s。
利用历年排沙资料对式（1）进行验证，排沙比公式计算值与实测值对比见图4，计算值与实测值的拟合度达0.88，故可以认为本排沙比公式可较好地模拟水库排沙情况。
根据水库排沙比计算公式可以看出，要取得较好的排沙效果，小浪底水库排沙期间要提前预泄，降低库水位，在洪水入库前保持较小的蓄水量，使异重流更易潜入并较好地排泄出库。当然，水库异重流的排沙效果还与库区地形（如比降、庫区断面形态）、入库悬移质泥沙组成、排沙期孔洞组合调度及泄流量等因素有关，本次针对小浪底水库提出的水库排沙比计算公式可为近期水库排沙调度方案制定提供参考。今后，随着水库泥沙淤积，河道断面形态发生明显变化时，水库排沙特性也可能发生相应变化。
3 坝区漏斗形态变化分析
随着小浪底水库库区泥沙淤积量增加，淤积三角洲顶点逐步向坝前推进，淤积面不断抬高，枢纽泄水孔洞泥沙淤堵的风险越来越大。水库排沙比可以反映库区冲淤状态，但无法表达近坝区冲淤变化过程，有必要进一步分析坝区泥沙冲淤变化。小浪底水库距坝4.5 km范围内设置了31个漏斗测验断面，距坝210 m以内断面间距为50 m，距坝210～710 m范围内断面间距为100 m，距坝710 m以上的漏斗区范围内断面间距为100～200 m。
3.1 纵剖面形态变化
小浪底水库坝区纵剖面形态变化见表2、图5、图6。随着小浪底库区泥沙淤积量增加，淤积三角洲顶点逐步向坝前推进，淤积三角洲前坡段（距坝约10 km范围内）比降变大，2019年10月比降达到4.7‰。坝区4.5 km范围内河床比降也逐步变大，受泄流底孔排沙影响，2014年以来比降基本稳定在4.3‰～5.1‰。
2018年、2019年水库近坝段（距坝15 km范围内）纵剖面变化见图7和图8。受汛期降低水位排沙影响，2018年汛期水库淤积三角洲顶点向坝前推进3.7 km，距坝4.5 km范围内水库纵剖面变化不大，4.5 km以上至三角洲顶点河段河床发生明显淤积。2019年汛期水库淤积三角洲顶点位置未发生变化，距坝4.5 km范围内河床发生明显冲刷，冲刷深度2～3 m，4.5 km以上至三角洲顶点河段河床发生淤积。
3.2 横断面形态变化
HHLD01断面（距坝60 m）形态变化见图9，进水塔前断面形态变化见图10。可以看出，受水库泄流排沙影响，进水塔前泥沙淤积最低高程在176～181 m之间变化。进水塔左岸坝前泥沙逐步淤积抬升，泥沙淤积高程已达205 m，随着坝前淤积厚度增加，坡度逐渐变陡，尚未形成稳定的边坡。进水塔右岸受山体控制，坡度大，泥沙淤积量少。
2018—2019年HHLD01断面形态变化见图11和图12。2018年汛期水库降低水位排沙运用，坝前含沙量较高，泥沙在坝前明显落淤，平均淤积厚度达到10 m，进水塔前泥沙淤积最低高程为178.1～180.2 m。2019年汛期坝前泥沙平均淤积厚度为5 m左右，进水塔前泥沙淤积最低高程为176.1～176.9 m。
4 结 论
（1）2018—2019年汛期，黄河上中游地区降水偏多，干流河道洪水洪量相对较大、持续时间较长，小浪底水库实施了降低水位排沙运用，充分利用入库洪水过程冲刷库区淤积的泥沙，取得了较好的排沙效果，有效减缓了库区泥沙淤积。2018—2019年汛期降水位排沙运用期间，小浪底水库排沙量分别为3.63亿t、4.67亿t，排沙比分别达237%、346%。
（2）分析水库排沙期库区有效蓄水量、坝前平均水深、坝前最小水深、入库流量、水平回水距离、前期淤积量等因素对水库排沙的影响，表明库区有效蓄水量、坝前最小水深、水平回水长度、入库流量与水库排沙比关系较为密切，相关系数均在0.80以上。采用回归分析方法建立了排沙比计算公式，可为近期水库排沙调度方案制定提供参考。
（3）分析库区坝前泥沙淤积形态的变化，结果表明，随着小浪底库区泥沙淤积量增加，淤积三角洲顶点逐步向坝前推进，淤积三角洲前坡段逐年变陡，2019年10月比降达到4.7‰。距坝4.5 km范围内河床比降也逐步变大，受泄流底孔排沙影响，2014年以来比降稳定在4.3‰～5.1‰。进水塔前泥沙淤积最低高程在176～181 m之间变化，进水塔左岸坝前泥沙逐步淤积抬升，坡度逐渐变陡，目前尚未形成稳定的边坡。进水塔右岸受山体控制，坡度大，泥沙淤积量少。
参考文献：
[1] 李晓宇，李焯，郭银.小浪底水库2018年主汛期防洪预泄排沙效果分析[J].人民黄河，2019，41（12）：13-15，19.
[2] 魏军，任伟，杨会颖，等.2018年汛期黄河水沙调度实践[J].人民黄河，2019，41（5）：1-4，8.
[3] 水利部黄河水利委员会.2019年汛期黄河洪水技术总结[R].郑州：水利部黄河水利委员会，2019：12.
[4] 涂启华，杨赉斐.泥沙设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：133-155.
[5] 张启舜，张振秋.水库淤积形态及其过程的计算[J].泥沙研究，1982，7（1）：1-12.
[6] 焦恩泽，林斌文.水库淤积的简化估算方法[J].人民黄河，1982，4（1）：9-15.
[7] 黄仁勇，谈广鸣，范北林.三峡水库蓄水运用后汛期洪水排沙比初步研究[J].水力发电学报，2013，32（5）：129-133，152.
[8] 张帅，夏军强，李涛.小浪底水库汛期排沙比研究[J].人民黄河，2018，40（1）：7-11.
[9] 王婷，马迎平，张俊华，等.小浪底水库降水冲刷效果影响因素试验研究[J].人民黄河，2014，36（8）：4-6.
【责任编辑 张 帅】
关键词：排沙比;敞泄排沙;库坝区淤积;小浪底水库
中图分类号：TV697.1;TV882.1
文献标志码：A
doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.09.006
引用格式：李珍，江颖，安静泊.2018—2019年汛期小浪底水库排沙运用分析[J].人民黄河，2021，43（9）：32-37.
Analysis of the Sediment Discharging Effect of Xiaolangdi Reservoir in 2018-2019 Flood Seasons
LI Zhen， JIANG Ying， AN Jingbo
（Xiaolangdi Multi-Purpose Dam Project Management Center， Ministry of Water Resources， Zhengzhou 450000， China）
Abstract： In the flood seasons of 2018 and 2019，the inflow of Xiaolangdi Reservoir was higher than before and it was the first time that the operation of low reservoir level， long duration，large discharge， and high sediment concentration was applied for two consecutive years， which effectively scoured the sediment in the reservoir area. This paper analyzed the influencing factor of sediment discharge and established the calculation formula of the reservoir sediment discharge ratio by the regression analysis method， based on the actual sediment discharge operation of the reservoir. The results point out that pondage， lowest water depth and inflow are most closely related to sediment discharging， with a high correlation above 0.80. The calculation formula for the sediment discharge ratio verified by the measured data can simulate the sediment discharge of the reservoir well. Based on the observation data of the topography of the reservoir dam area， the sediment scour and silting change in the dam area were analyzed， and it was proposed that the river bed gradient within 4.5 km of the reservoir area had been stabilized between 4.3‰ and 5.1‰ since 2014， under the influence by the discharge bottom hole. The lowest elevation of sediment deposition in front of the intake tower varies between 176 m and 181 m. On the right bank in front of the dam， the sediment deposition elevation gradually rises and the slope becomes steeper. Currently， a stable slope has not been formed. As the left bank in front of the dam is close to the mountain with a high slope and there is little sediment accumulation.
Key words： suspended sediment discharge ratio; open drain sediment; sediment deposition in reservoir dam area; Xiaolangdi Reservoir 小浪底水库位于黄河中游最后一个峡谷河段，坝址距下游花园口水文站128 km，处于控制黄河下游来水来沙的关键部位，坝址以上控制流域面积为69.4万km2，占黄河流域总面积的92.3%，是解决黄河下游防洪减淤等问题不可替代的关键性工程。工程开发任务以防洪（包括防凌）减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，除害兴利，综合利用[1]。小浪底水库自1999年10月下闸蓄水以来，取得了巨大的社会、经济和生态效益。截至2020年4月，小浪底水库已累计淤积泥沙32.86亿m3，处于拦沙后期第一阶段。水库运用以蓄水拦沙和调水调沙运用为主，如何科学调控水沙，减缓库区泥沙淤积，长期发挥以防洪减淤为主的综合利用效益是当前小浪底水库运用面临的重大技术问题。
2018—2019年汛期，黄河上中游地区降水偏多，干流洪水洪量相对较大、持续时间较长。黄河防汛抗旱总指挥部抓住有利时机，积极应对，实施小浪底水库降低水位排沙运用，充分利用洪水入库过程冲刷库区淤积的泥沙，实现了库容恢复和河道多排沙的目标。2018—2019年汛期降低水位排沙运用期间，小浪底水库排沙量分别为3.63亿、4.67亿t，排沙比分别达到237%、346%，无论排沙量还是排沙比均高于以往历次排沙运用。
笔者通过研究2018—2019年排沙运用情况，结合以往水库排沙资料，分析小浪底水库排沙影响因素，并以此为基础建立排沙比计算公式，同时研究水库排沙对坝区漏斗淤积形态的影响，以期为今后小浪底水库调度运用提供参考。
1 2018—2019年汛期小浪底水库排沙运用情况
1.1 2018年汛期
2018年汛期，黄河流域降水量较常年偏多24%，强降水主要集中于上中游的龙刘区间、刘兰区间、兰托区间和山陕区间北部。受降水影响，黄河上游共出现3次编号洪水[2]，中游泾渭河、山陕区间及黄河下游大汶河也相继出现了明显的洪水过程。
為应对渭河洪水和上游来水，在洪水来临前，7月3日小浪底水库开始加大下泄流量，腾库迎洪，降低库水位排沙减淤。7月4日5时30分，水库异重流开始排沙出库，7月13日库水位最低降至211.77 m（相应蓄水量2.0亿m3），低于淤积三角洲高程10.59 m，出库含沙量明显增大，最大出库含沙量达到369 kg/m3。考虑到进入下游的高含沙水流可能导致下游洪峰增大，高含沙水流出库期间适当减小了出库流量。随着入库洪水流量减小，小浪底水库7月22日后逐级减小下泄流量，7月27日减小至1 000 m3/s，水库开始逐步回蓄，降水排沙阶段结束。8月20日前按不超过汛限水位230 m运用，8月21日起向后汛期汛限水位过渡。
7月4—27日小浪底水库降水位排沙运用期间，水库入库沙量为1.54亿t，排沙比为265.9%，平均出库含沙量为59.3 kg/m3。整个汛期（7—10月，下同）小浪底水库入库水量为241.5亿m3，入库沙量为4.84亿t，出库水量为221.9亿m3，出库沙量为4.66亿t，水库总体呈现微淤，淤积量0.18亿t。2018年汛期小浪底水库进出库水沙及库水位变化过程见图1。
1.2 2019年汛期
2019年汛期，黄河流域暴雨过程频繁，强降水落区重叠度高，雨区主要集中在黄河源区、泾渭洛河、山陕区间。黄河源区降水持续时间长，降水总量大，山陕区间降水主要发生在7月下旬至8月上旬，泾渭洛河降水主要发生在6月下旬至8月初。受降水影响，汛期流域洪水过程多、历时长、发生时间早，上、中、下游河道洪水洪量较大，编号洪水出现4次，其中上游3次、中游1次[3]。
为应对渭河洪水和上游来水，小浪底水库汛前合理调控出库流量，于6月底降至汛限水位235 m。为增强水库排沙效果，水库7月1日后继续大流量下泄，实施降水位排沙运用，下泄控制流量最大为4 200 m3/s。7月20日库水位降至210 m附近后运行至8月1日，小浪底水库按进出库平衡运用，最低库水位为7月26日的209.12 m。8月1日20时，水库开始按流量1 400 m3/s下泄，库水位逐步升高，至8月5日库水位涨至220 m左右。为应对中游洪水及九号台风“利奇马”可能带来的影响，8月5日水库再次实施降水位运用，至8月9日库水位降至213 m附近，而后根据来水情况，逐步减小下泄流量，8月12日下泄流量减小至500 m3/s，8月21日库水位回升至233.96 m，开始向后汛期汛限水位过渡。9月中下旬，为应对第3号洪水，水库又进行了防洪运用。
7月14日—8月12日水库降水位排沙运用期间，水库入库沙量为1.23亿t，排沙比为325.6%，平均出库含沙量为42.9 kg/m3。整个汛期小浪底水库入库水量为220.9亿m3，入库沙量为2.74亿t，出库水量为220.0亿m3，出库沙量为5.45亿t，水库冲刷2.71亿t。2019年汛期小浪底水库进出库水沙及库水位变化过程见图2。
2 水库排沙影响因素分析
2.1 水库排沙影响因素相关性分析
水库排沙与入库水沙、库区地形及水库运用方式等密切相关。一般用出库沙量与入库沙量的比值即排沙比η表示水库排沙效果，影响水库排沙比的因素众多，如入库流量、出库流量、库区蓄水量、坝前运用水位、前期淤积量等。以往专家开展了大量的研究，如涂启华等[4]、张启舜等[5]基于实测资料，得到水库排沙比与水库蓄水量成反比，与入库流量成正比;焦恩泽等[6]综合考虑进出库流量、入库含沙量、水面坡降、库容等影响因素，提出同时适用于水库壅水排沙和明流排沙的排沙比公式;黄仁勇等[7]利用逐步回归法研究表明V/Q（水库蓄水量与出库流量之比）为出库排沙比的主要影响因素;张帅等[8]分析了小浪底水库汛期排沙比与入库平均含沙量、进出库平均流量、平均库容等影响因素之间的相关程度;王婷等[9]通过分析水库降水冲刷效果影响因素，认为适时降水冲刷可以合理处理长期保持有效库容和减少黄河下游河道淤积的关系。 统计2004年以来小浪底水库调水调沙期间降低水位排沙时水库运用指标和水沙特征值，见表1;采用最小二乘法分析各影响因素与排沙比的相关系数，见图3。可以看出，水库排沙期库区有效蓄水量、坝前平均水深、坝前最小水深、入库流量、水平回水长度、前期淤积量等因素对水库排沙影响较大，其中有效蓄水量、坝前最小水深、水平回水长度、入库流量与水库排沙比的相关系数均在0.80以上。
当前小浪底水库主要以异重流形式排沙，水库回水末端断面流量、含沙量过程是异重流形成并持续运行的动力条件，在一定的库区河床边界条件下，水库运用水位越低，回水末端以上库区自然河段就越长，调水调沙期三门峡水库下泄大流量“清水”冲刷恢复的含沙量就越高，形成的水库异重流挟沙能力强且能量大，加之水库蓄水较小，异重流向坝前运动过程中能量消耗不大，排沙出库的含沙量相应就越高。若后续洪水流量大、持续时间长，则前期形成的异重流得到源源不断的动力补充，水库排沙效果就更明显。
2018年、2019年小浪底水库排沙效果明显，主要是因为异重流排沙期间小浪底水库运用水位较低，平均水位分别为218.30、215.99 m（相应坝前平均水深分别为43.30、40.99 m），最低水位为211.80、209.00 m（相应坝前最小水深分别为36.80、34.00 m），加之后期洪水时间长，异重流排沙的后续动力充足，因此水库排沙比、排沙量均居历次前列。2012年、2013年调水调沙期间小浪底水库运用水位较低，水库排沙比也相对较大，但入库水量较小，异重流后续动力不足，水库排沙量相对较小。
2.2 水库排沙比计算公式
选取与小浪底水库排沙密切相关的库区有效蓄水量、入库流量等因素，建立水库排沙比计算公式，对排沙比影响较大的坝前最小水深、水平回水长度与库区有效蓄水量直接或间接相关，对排沙比的影响可通过库区有效蓄水量表达。采用回归分析方法建立水库排沙比的计算公式如下：
η=1.808（Q入V有效）0.737（1）
式中：η为排沙比，%;V有效为水库排沙期有效蓄水量，亿m3;Q入为入库流量，m3/s。
利用历年排沙资料对式（1）进行验证，排沙比公式计算值与实测值对比见图4，计算值与实测值的拟合度达0.88，故可以认为本排沙比公式可较好地模拟水库排沙情况。
根据水库排沙比计算公式可以看出，要取得较好的排沙效果，小浪底水库排沙期间要提前预泄，降低库水位，在洪水入库前保持较小的蓄水量，使异重流更易潜入并较好地排泄出库。当然，水库异重流的排沙效果还与库区地形（如比降、庫区断面形态）、入库悬移质泥沙组成、排沙期孔洞组合调度及泄流量等因素有关，本次针对小浪底水库提出的水库排沙比计算公式可为近期水库排沙调度方案制定提供参考。今后，随着水库泥沙淤积，河道断面形态发生明显变化时，水库排沙特性也可能发生相应变化。
3 坝区漏斗形态变化分析
随着小浪底水库库区泥沙淤积量增加，淤积三角洲顶点逐步向坝前推进，淤积面不断抬高，枢纽泄水孔洞泥沙淤堵的风险越来越大。水库排沙比可以反映库区冲淤状态，但无法表达近坝区冲淤变化过程，有必要进一步分析坝区泥沙冲淤变化。小浪底水库距坝4.5 km范围内设置了31个漏斗测验断面，距坝210 m以内断面间距为50 m，距坝210～710 m范围内断面间距为100 m，距坝710 m以上的漏斗区范围内断面间距为100～200 m。
3.1 纵剖面形态变化
小浪底水库坝区纵剖面形态变化见表2、图5、图6。随着小浪底库区泥沙淤积量增加，淤积三角洲顶点逐步向坝前推进，淤积三角洲前坡段（距坝约10 km范围内）比降变大，2019年10月比降达到4.7‰。坝区4.5 km范围内河床比降也逐步变大，受泄流底孔排沙影响，2014年以来比降基本稳定在4.3‰～5.1‰。
2018年、2019年水库近坝段（距坝15 km范围内）纵剖面变化见图7和图8。受汛期降低水位排沙影响，2018年汛期水库淤积三角洲顶点向坝前推进3.7 km，距坝4.5 km范围内水库纵剖面变化不大，4.5 km以上至三角洲顶点河段河床发生明显淤积。2019年汛期水库淤积三角洲顶点位置未发生变化，距坝4.5 km范围内河床发生明显冲刷，冲刷深度2～3 m，4.5 km以上至三角洲顶点河段河床发生淤积。
3.2 横断面形态变化
HHLD01断面（距坝60 m）形态变化见图9，进水塔前断面形态变化见图10。可以看出，受水库泄流排沙影响，进水塔前泥沙淤积最低高程在176～181 m之间变化。进水塔左岸坝前泥沙逐步淤积抬升，泥沙淤积高程已达205 m，随着坝前淤积厚度增加，坡度逐渐变陡，尚未形成稳定的边坡。进水塔右岸受山体控制，坡度大，泥沙淤积量少。
2018—2019年HHLD01断面形态变化见图11和图12。2018年汛期水库降低水位排沙运用，坝前含沙量较高，泥沙在坝前明显落淤，平均淤积厚度达到10 m，进水塔前泥沙淤积最低高程为178.1～180.2 m。2019年汛期坝前泥沙平均淤积厚度为5 m左右，进水塔前泥沙淤积最低高程为176.1～176.9 m。
4 结 论
（1）2018—2019年汛期，黄河上中游地区降水偏多，干流河道洪水洪量相对较大、持续时间较长，小浪底水库实施了降低水位排沙运用，充分利用入库洪水过程冲刷库区淤积的泥沙，取得了较好的排沙效果，有效减缓了库区泥沙淤积。2018—2019年汛期降水位排沙运用期间，小浪底水库排沙量分别为3.63亿t、4.67亿t，排沙比分别达237%、346%。
（2）分析水库排沙期库区有效蓄水量、坝前平均水深、坝前最小水深、入库流量、水平回水距离、前期淤积量等因素对水库排沙的影响，表明库区有效蓄水量、坝前最小水深、水平回水长度、入库流量与水库排沙比关系较为密切，相关系数均在0.80以上。采用回归分析方法建立了排沙比计算公式，可为近期水库排沙调度方案制定提供参考。
（3）分析库区坝前泥沙淤积形态的变化，结果表明，随着小浪底库区泥沙淤积量增加，淤积三角洲顶点逐步向坝前推进，淤积三角洲前坡段逐年变陡，2019年10月比降达到4.7‰。距坝4.5 km范围内河床比降也逐步变大，受泄流底孔排沙影响，2014年以来比降稳定在4.3‰～5.1‰。进水塔前泥沙淤积最低高程在176～181 m之间变化，进水塔左岸坝前泥沙逐步淤积抬升，坡度逐渐变陡，目前尚未形成稳定的边坡。进水塔右岸受山体控制，坡度大，泥沙淤积量少。
参考文献：
[1] 李晓宇，李焯，郭银.小浪底水库2018年主汛期防洪预泄排沙效果分析[J].人民黄河，2019，41（12）：13-15，19.
[2] 魏军，任伟，杨会颖，等.2018年汛期黄河水沙调度实践[J].人民黄河，2019，41（5）：1-4，8.
[3] 水利部黄河水利委员会.2019年汛期黄河洪水技术总结[R].郑州：水利部黄河水利委员会，2019：12.
[4] 涂启华，杨赉斐.泥沙设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：133-155.
[5] 张启舜，张振秋.水库淤积形态及其过程的计算[J].泥沙研究，1982，7（1）：1-12.
[6] 焦恩泽，林斌文.水库淤积的简化估算方法[J].人民黄河，1982，4（1）：9-15.
[7] 黄仁勇，谈广鸣，范北林.三峡水库蓄水运用后汛期洪水排沙比初步研究[J].水力发电学报，2013，32（5）：129-133，152.
[8] 张帅，夏军强，李涛.小浪底水库汛期排沙比研究[J].人民黄河，2018，40（1）：7-11.
[9] 王婷，马迎平，张俊华，等.小浪底水库降水冲刷效果影响因素试验研究[J].人民黄河，2014，36（8）：4-6.
【责任编辑 张 帅】