1、2012 年汛期万家寨水库排沙效果分析摘要：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
2、。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 km，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 952957m，冲刷水位 948m，总库容8.96 亿 m3，调节
3、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 952957m 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（57 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
4、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， 19992004 年平均入库水量 127 亿 m3,入库沙量不到 0.4 亿 m
5、3,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
6、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 78 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
7、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。 20002010 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
8、，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 1157km 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
9、增加 2.12m。950m 高程以下库容减少 1290 万 m3，950970m 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： 、前汛期（7 月 1 日至月 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。 、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。 、
10、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 952957 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，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，1
11、000 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
12、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
13、道拐水文站日输沙量超过 50 万 t 的时间有月 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
14、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，月10 日月 15 日期间，库水位 957m 出库含沙量约kg/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m 含沙量减少近 2.5kg/m3；月 16 日9 月 25 日期间，库水位 957m 出库含沙量约kg/m3，库水位 952m 出库含沙量接近 11kg/m3，相当于库水位每升高m 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
15、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 8km60km 范围发生冲刷，断面最大冲刷 5.75m；60km 以上冲淤平衡。经计算：9
16、53m 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，957966m 之间 30 天，966m 以上 41 天，最高水位 977.58m，平均水
17、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、月 10 日月 15 日期间，库水位每
18、升高m 含沙量减少近2.5kg/m3；月 16 日9 月 25 日期间，库水位每升高m 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8km60km 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。
