汛期万家寨水库排沙效果分析

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摘要：万家寨水利枢纽于1998年10月首台机组投入运行，2002年工程通过竣工验收。经过十几年的运行，水库淤积已达到设计的淤积平衡状态，水库排沙工作必须重视起来。本文通过对2012年汛期万家寨水库排沙过程工作的回顾，分析了水、沙、水库运行水位之间的关系，对今后水库运行方式的进一步优化具有借鉴意义。

关键词：黄河干流；万家寨水库；汛期排沙；效果

中图分类号：TV62文献标识码： A

1基本情况

万家寨水利枢纽位于黄河北干流上段托克托至龙口峡谷河段内，是黄河中游规划梯级开发的第一级，下游25.6km为龙口水利枢纽、95.6km为天桥水电站。万家寨枢纽工程的主要任务是供水结合发电调峰，同时兼有防洪防凌作用。万家寨水库可向山西、内蒙提供14亿m3的年供水量，向山西、内蒙电网提供108万kw的调峰容量和27.5亿kw.h的年发电量，并对下游龙口水利枢纽、天桥水电站的防洪、防凌提供有利条件。

万家寨坝址控制流域面积39.5万km２，设计多年平均径流量192亿m3,设计多年平均入库沙量1.49亿吨，设计多年平均含沙量6.6kg/m3。

万家寨水库设计最高蓄水位980 m，正常蓄水位977 m，采用“蓄清排浑”运用方式，排沙期运行水位952～957m，冲刷水位948m，总库容8.96亿m3，调节库容4.45亿m3，死库容4.51亿m3。

2防洪及排沙运用概况

2.1汛期防洪运用水位

万家寨水库设计运行方式为“蓄清排浑”运行。

8、9两月为排沙期，水库保持低水位运行。当入库流量在800m3/s以下时，库水位控制在952～957m之间，进行日调节发电调峰；当入库流量大于800m3/s时，库水位保持952m运行，电站转入基荷或弃水带峰。当水库淤积严重，难以保持日调节库容时，抓住流量大于1000m3/s的时机，库水位短期降至948m冲沙（5～7天），此时为减少机组磨损，弃水调峰运行。

汛期7月15日以后和10月15日以前库水位不超过汛限水位966m。

10月底库水位达到970m以使水轮机能发满负荷。

11月至2月底，最低库水位970m，在封冰之前不超过975m，待上游河道封冻以后可提高水库水位至977m。

3月初至4月初是内蒙古河段开河流凌期，降低水位至970m运行。春季流凌结束后即可蓄水至977m，4月底前保证蓄至980m。

5月至7月供水期水位由980m逐渐降到排沙期运用水位。

枢纽下闸蓄水后，根据干流来水资料分析表明：在黄河上游大型水库多年调节的作用下，万家寨枢纽的干流来水规律发生了显著变化， 1999～2004年平均入库水量127亿m3,入库沙量不到0.4亿m3,年均淤积0.35 亿m3。来水来沙条件与设计情况相比有一定差异。不仅如此，洪水径流尤其是洪峰流量值大幅减小，较大洪水出现时间由原来的7月下旬～8月中旬和9月中下旬两个时段演变为9月及以后的一个时段，年最大流量的出现时间几乎全由原来的洪汛期转变为凌汛期。

鉴于水库来水、来沙情况与设计状态的水、沙有较大差异，同时由于水库承担下游调水补水任务，其运行方式与设计条件相比也有所变化，为合理利用水资源，更好地发挥工程综合利用效益，万家寨水库运行管理单位万家寨公司研究设计了万家寨水库运用初期分期汛限水位方案。2006年6月15日水利部对该方案进行了批复。获得批准的分期汛限水位方案为：在万家寨水库运用初期即水库泥沙淤积达到初步设计淤积平衡纵剖面之前，汛期8月20日前水库汛限水位按966米控制，9月1日后水库汛限水位按974米控制；8月下旬为前、后汛期的过渡期，10月下旬由汛期向非汛期过渡。

2.2排沙运用情况

2.2.1 水库运行初期的排沙调度情况

2010年前，汛期未进行过主动排沙，在入库流量大于500m3/s、含沙量大于4kg/ m3时可能会异重流排沙。1999年7～8月间，坝前淤积面高程912m，一台机组运行发电和底孔同时泄水，机组进水口高932m，底孔进口底坎高915m。7月16日到8月23日期间底孔异重流出库水流浑浊，机组出流清澈，断面日均含沙量最高6.3kg/m3，瞬时含沙量7.53kg/m3，39天排沙331万t。

2000～2010年期间，每年3月是水库排沙的主要时期。这期间入库流量大，水库防凌和冲刷潼关要求，水库水位较低，自然有排沙效果，多为异重流排沙。如2007年凌汛开河期最大入库流量1680m3/s，对应库水位955.41m，入库含沙量9.58kg/m3，出库含沙量56.8kg/m3，坝前断面平均流速约0.15m/s，水流挟沙力接近于零，水库排沙为异重流排沙。

2.2.22011年试验排沙情况

2011年，利用内蒙古停灌期，通过调度刘家峡水库泄流，9月17日～25日万家寨水库进行了排沙运行试验。试验期间，最高库水位956.34m，平均953.49m，最低949.91m；入库流量均大于800m3/s，平均入库流量1110m3/s，最大日均入库流量1350m3/s，入库总水量8.62亿m3；万家寨平均出库流量1140m3/s，最大日均出库1570m3/s，总出库水量8.83亿m3。

根据排沙试验前后两次测验资料表明，万家寨水库距坝11～57km范围内普遍发生冲刷，河底平均高程降低1.15m，深泓高程降低2.22m；坝前500m以上至距坝11km范围内普遍产生淤积，平均高程增加3.17m，深泓高程增加2.12m。950m高程以下库容减少1290万m3，950～970m高程之间库容增加1060万m3，万家寨水库淤积形态得到了预期调整。

2012年汛期运行情况

3.12012年汛期调度方案

黄河防总办公室批复的2012年汛期万家寨水库调度方案如下：

⑴、前汛期（7月1日至８月31日）汛限水位966m，后汛期（9月1日至10月31日）汛限水位974m。从8月21日起可以向后汛期汛限水位过渡，从10月21日起可以向非汛期水位过渡。

⑵、洪水期，当入库流量小于汛限水位相应的泄流能力时，按进出库平衡方式运用；否则，按敞泄滞洪方式运用。

⑶、8、9月份，当入库流量大于800 m3/s时，水库短时降低水位排沙运用，排沙运用水位952～957 m。

3.2入、出库流量情况

2012年7月下旬后，黄河上游出现多年未遇洪水。头道拐水文站流量7月21日起大于800m3/s，７月25日起大于1000 m3/s， 8月19日达到2500 m3/s，并在2500 m3/s以上持续到9月14日，最大达到3000m3/s；9月15日回到2500 m3/s以下，10月14日回到1000 m3/s以下，10月26日回到800 m3/s以下。800 m3/s以上持续97天，1000 m3/s以上持续81天，1300 m3/s以上持续69天，1800 m3/s以上持续47天，2500 m3/s以上持续27天。

万家寨水库出库流量过程与入库流量相当,详见图5。7月21日～9月30日排沙运行期间，头道拐总水量131.4亿m3，万家寨出库总水量129.3亿m3,水库蓄水2.12亿m3。

图52012年排沙头道拐、万家寨出库流量过程线

3.3水库运行水位情况

万家寨水库7月21日～9月30日平均水位962.3m。其中，8月1日～8月26日水库水位在957m以下运行，平均水位955.11m；8月27日～9月30日水库水位高于957m，平均水位967.75m。水库水位过程详见图6。

图62012年排沙万家寨水库水位过程图

3.4入、出库含沙量情况

头道拐水文站日均含沙量超过3.0kg/m3的时间为7月21日～8月12日和9月17日到10月30日。万家寨出库日均含沙量超过2.5kg/m3的时间为7月26日～8月28日。万家寨出库含沙量大于头道拐站入库含沙量的时段为7月29日至8月29日。头道拐、万家寨日均含沙量过程详见图7。

图72012年排沙头道拐、万家寨出库日均含沙量过程

3.5进出库沙量情况

头道拐水文站日输沙量超过50万t的时间有７月27日～8月12日和9月17日～9月30日两段，共计31天。万家寨水库日出库沙量超过50万t的时间为7月26日～8月28日，为34天。

7月21日～9月30日汛期排沙运行期间，头道拐水文站输沙总量为3945万t，万家寨水文站输沙总量4757万t，河曲水文站输沙总量为1764万t。万家寨、头道拐输沙量之差为811万t，河曲、万家寨输沙量之差为-2992万t，万家寨水库冲刷811万t，龙口水库淤积2992万t。

3.6 出库含沙量同水位的关系

8月10日前，属排沙洞、底孔开启运行初期，出库含沙量同库水位关系散乱。8月10日后出库含沙量同库水位之间呈现规律性关系，８月10日～８月15日期间，库水位957m出库含沙量约４kg/m3，库水位953m出库含沙量达到14kg/m3以上，相当于库水位每升高１m含沙量减少近2.5kg/m3；８月16日～9月25日期间，库水位957m出库含沙量约４kg/m3，库水位952m出库含沙量接近11kg/m3，相当于库水位每升高１m含沙量减少约1.4kg/m3。排沙运行时间延长，出库含沙量随库水位的变化梯度明显减小，详见图4-5。

万家寨出库含沙量大于头道拐站入库含沙量的时段为7月29日至8月29日，即在此时段库区发生冲刷。此时段，库水位低于962m，且当水位低于957时，出库含沙量增加幅度大。

图82012年排沙万家寨出库含沙量与库水位关系

3.7水库冲淤分布

2012年4月16日至5月7日进行万家寨水库库区汛前淤积测量，9月2日至9月6日进行坝前至距坝20km范围的排沙后淤积测量，9月26日至10月7日进行了距坝20km以远断面的排沙后淤积测量。从测验结果看，洪水期，坝前8km范围内产生了淤积，距坝8km～60km范围发生冲刷，断面最大冲刷5.75m；60km以上冲淤平衡。经计算：953m以上冲刷2230万m3，953m以下淤积2180万m3，980m以下水库冲刷57万m3。淤积三角洲顶点河底平均高程由汛前的952m左右,降低到951m左右，并向坝前推进5km左右。库区淤积形态得到改善，见图9。

图9 2012年排沙万家寨水库前后平均高程对比

4结论与建议

1、2012年汛期，万家寨入库流量大于800m3/s时间为7月21日至10月25日共97天。期间，平均流量1850m3/s，运行水位低于957m的26天，957～966m之间30天，966m以上41天，最高水位977.58m，平均水位965.83m，头道拐沙量4740万t，万家寨沙量4760万t,万家寨库区冲刷20万t。

2、2012年汛期，万家寨出库含沙量大于头道拐站入库含沙量的时段为7月29日至8月29日，即在此时段库区发生冲刷。此时段，库水位低于962m，且当水位低于957时，出库含沙量增大幅度大。8月1日至8月26日共26天万家寨水库在957m水位以下运行，期间头道拐沙量1410万t，万家寨沙量3600万t。此期间，万家寨的排沙量占汛期总排沙量的76%，库区冲刷2190万t，冲刷效果明显。

3、８月10日～８月15日期间，库水位每升高１m含沙量减少近2.5kg/m3；８月16日～9月25日期间，库水位每升高１m含沙量减少约1.4kg/m3。排沙运行时间延长，出库含沙量随库水位的变化梯度明显减小。

5、从测验结果看，洪水期，坝前8km范围内产生了淤积，距坝8km～60km范围发生冲刷，断面最大冲刷5.75m；60km以上冲淤平衡。库区淤积形态得到改善。

6、当上游干流有较大流量过程时，万家寨降低水位至957m以下运行，排沙效果明显。考虑万家寨水库死库容已基本淤满，水库应尽快转入按设计运用方式运行，尽量利用8、9月上游洪水和桃汛洪水多排沙，以保持水库的有效库容。

7、应加强与电力部门的协调，尽量减少弃水，必要时退出调峰，以提高水能利用率。

8、建议开展万家寨水库进行汛限水位动态控制试验，但要深入细致地做好区间降雨洪水的预报处理工作，以加强或提高实验的保证率。

参考文献：

【1】马喜祥，路新川，任红俊.黄河万家寨水库的泥沙设计与运行.泥沙研究，2005

作者简介：路新川（1978—），男，工程师，主要从事防洪、防凌、水库调度、水文预报等工作。