1、PDF外文：http:/ 2012,24(6):914-924 DOI: 10.1016/S1001-6058(11)60319-3 黄河下游小浪底水库运行 10 年期间的水库淤积和库区演变 陈建国 1 国际泥沙研究培训中心（ IRTCRS）中国北京 100048 E-mail： 周文豪；陈强 中国水利水电科学研究院（ IWHR）中国北京 100048 收稿时间： 2012.6.1 修改时间： 2012.7.14 摘要：小浪底水 利枢纽是黄河中游主要的大型水利工程之一。从 1999 年 10 月蓄
2、水后，它已经运行了 10 年。从蓄水到 2010 年 10 月该水库已经拦下 2.833109 立方米的泥沙，并且造成黄河下游 1.891109 吨的总侵蚀量。 不仅仅黄河下游严峻的衰退情形已经开始复苏，而且泥沙输移的许多新现象和河道清淤行为正在到来。本文详尽的阐述和讨论了这些问题。 关键词：水库淤积；异重流；水沙管理；人造洪水； 河道 的淤积和侵蚀；侵蚀能力；河流结构 前言 因为严重的沉积，黄河下游水流会挟带大量的泥沙，这一点是声名狼藉的。它由一条河道组成，这条河 道的河床质很容易被侵蚀、淤积和形态极其容易改变。在最近的 50 年里，它已经发生了两次显
3、著的河道侵蚀 过程。 第一次沿河道持续的侵蚀发生在 1960-1964期间，正当三门峡水库失效 1。在三门峡水库两次重建运行之后，由于它的严重的淤积，黄河下游河道退回到先前严峻的淤积的处境。特别在气候条件恶化、供水 需求 增加和 其他人类活动影响下，河流的径流戏剧性地 在减少 ，而在黄河下游的主要河道，泥沙淤积严重增加，输水能力离奇下降，因此黄河下游防洪安全变成了挑战性的难题。面对这些严峻的局面，小浪底水利枢纽工程被迫开始建设。由于水库的 蓄水， 整个黄河下游的河道都已经遭遇二次持续性的侵蚀，然后河道洪水输水能力、供水能力和生态环境开始逐渐的恢复。同时， 一系列的水库淤积和黄河下游的河道恢复开
4、始进入一个新时代，比如水库沉积模式，异重流的形成和流动，黄河下游的侵蚀的特征和效率，床沙铠装的影响，水库沉积与河道侵蚀的关系和 水库淤积的补偿指数。因为这个大型水利工程建设在高含沙的河流，所以，所有这些现象都极大地丰富了河床演变学科的内涵。 1.小浪底水库 &nbs
5、p; 基金项目：国家重点基础研究发展计划（ 973 计划，项目编号 2011BAB02B01）；十二五科学技术支持工程（项目编号 2012BAB02B01）；公益性福利资金计划（ 200901014） 作者简介：陈建国（ 1962-），男，硕士，教授。 1.1 工程概况 小浪底水利枢纽位于三门峡水库下游的 130 公里（如图 1 所示）。 它控制着下游整个花园口站 95.1%的面积，共 0.694106 平方公里。该工程的主要任务包括调洪调沙、黄河下游的灌溉与供水以及发电。它有一个最大高度
6、 为 173 米的大坝和 总库容为 12.5109 立方米的水库组成，截止 2010 年 10 月，总沉积量达到 2.833109 立方米 2，大约占到水库总库容的 22.7%。 图 1 黄河上大型水利工程的布置图 小浪底水库作为一个普通水库 3，在枯水期 （从十一月到次年六月） 高水头运行而在洪水期 （从七月到十月）低水头运行。 对该水库做了一系列的实地试验之后 ，提出和完善了一个被称作 “水沙管理 ”的水库特殊运行模式。 该运行模式的基本理念是为了充分发挥黄河下游水流的泥沙搬运能力，这正好和河流中大流量的排放成正比。为了宣泄和
7、运输黄河下游更多的泥沙沉积物到大海中去，被储存在水库里的水在水流比较大的情况下必须被释放。这种模式 能减轻水库的淤积并且调整沉积物的位置。这两方面对于保持水库的有效库容都是十分有益的。 这个特殊的运行模式包括两个阶段。第一个阶段，从六月末到七月初这段时间，为了控制洪水，在限制水位之上的水库库容必须被排空。换句话说，小浪底水库限制水位之上的水必须被排空 ，这样可以用人造洪峰来与黄河下游的允许排沙量保持一致。 第二阶段， 蓄在两个更高的水库（三门峡水库和万家寨水库）的水会被利用（如图 1所示）。三门峡水库控制水位之下的水会被释放，从而在小浪底水库冲程范围内增强其冲刷。然后万
8、家寨水库的水会被释放，来提高三门峡水库的冲程 。这样高含沙的浑水就会通过小浪底水库，从而来增强库区排沙。在第二个阶段，绝大多数被冲刷的细泥沙会在小浪底水库中形成异重流，在人造洪水的情况下会被开闸排出水库。 自从 2005 年，这种水沙管理的操作模式已经被正式作为一种水库运用模式来运用到小浪底水库。 1.2 水库淤积 在水库运行初期，除了异重流搬运一部分的细颗粒泥沙，绝大多数来沙都被水库拦下。从 1999 年 9 月到 2010 年 10 月被水库拦下的泥沙总量站到来沙总量的 85%。该水库淤积的基本特点可归纳如下： （ 1） 几乎所有的粒径大于
9、510-5 米的粗沙和粒径在 2.510-5 米到 510-5 米的都会被水库拦下。根据 2000年到 2005年的数据，粗沙的沉积量占来沙总量的 95.82%，中沙占 92.58%，粒径小于 2.510-5 米的细沙仅占 67.1%。 （ 2）依靠水流的波动，这种沉积模式产生了三角洲或锥形沉积形态。如 图 2 所示， D代表距离， Ze 代表高程。这个淤积三角洲很容易被破坏，然后粗沙就会淤积到坝前 4。 图 2 小浪底纵剖面 1.3 异重流 异重流由于来流的浑水和水库中清水 存在 密度差而产生 5。 充
10、分利用异重流来将水库中细沙带出是国内大型水库减缓淤积的重要措施之一。在 2001 到 2009 年期间，小浪底水库就产生了 19 个 异重流 现象 。 1.3.1 异重流的产生 根据异重流的产生机理，在起初运行阶段，天然异重流和人造异重流将会出现。 （ 1）天然异重流。天然异重流是通过来流形 成的。 当浑水流到死水最前端时，一个强烈的分类过程发生了。粗沙会沉积下来，细沙会随水流沿着水库底部进入到清水形成异重流 6,7。异重流中的细沙中值粒径为 5106 米到 1.2105 米，小于 90%的粒径比 3105米还要小。 （ 2）人造异重流。人造异重
11、流主要产生于水沙管理的第二阶段。储存在上游水库（三门峡和万家寨水库）的水被充分的规划利用，从而在小浪底水库形成上文所述的异重流。 1.3.2 输沙率 从 2001 年到 2009 年， 在小浪底水库共产生了 19 次异重流的现象，其中包括 10 次天然异重流和 9 次人造异重流。 输沙率（出流泥沙量 /来流泥沙量）可以表明异重流的挟沙能力。如表 1 所示，天然异重流的输沙率范围从 0%到 83.16%，其平均值为 29.6%。影响输沙率的最关键因素是来流的水沙含量。 来流的水量和泥沙含量越大，供应给异重流的泥沙就越多，输沙率也越高。但是，来流的水量或含沙量很小，没有足够的泥沙供应，异重流在流动过程中就会消失。
