张厚军 安催花

(规划处)

(摘 要) 黄河小浪底水利枢纽配套工程——西霞院反调节水库(以下简称西霞院水库)，位于黄河最下一个峡谷河段的出口段，上距小浪底水利枢纽16km，下距郑州花园口112km。坝址控制流域面积69.46万km²。西霞院水库的开发任务以反调节为主，结合发电，兼顾供水、灌溉等综合利用。水库特征水位的选择，既要使水库取得最优的综合利用效益，又要考虑对小浪底水库尾水位的影响。本文根据西霞院水库的地形特点、运用方式以及来水来沙条件等因素，在水库淤积形态分析的基础上，对水库的汛期限制水位、水库正常蓄水位进行了充分的分析和论证。从水库淤积形态方面分析，西霞院水库汛期限制水位不应超过131m，根据动能指标、反调节库容需要等方面分析，汛期限制水位131m的有效库容能够满足反调节库容要求，且发电指标较好，因此，选择汛期限制水位为131m。从对小浪底坝下水位影响来讲，西霞院水库正常蓄水位选择范围为133～135m，根据动能、经济方面的综合比较，选择西霞院水库正常蓄水位为134m。
(关键词) 黄河  西霞院水库  淤积形态  平衡比降  汛期限制水位  正常蓄水位

1 库区河道概况

    库区河谷沿程上窄下宽，焦枝铁路连地铁桥(距坝址约8km)以上河道较窄，河谷宽小于1000m；铁桥以下河道逐渐放宽到3000～4000m，水流分散，洪水时河床和滩地冲淤变化较剧烈，河势变化较大，由上游峡谷河段洪水挟带来的大量砂卵石推移质堆积在连地铁桥以下河谷放宽河段，形成众多的砂卵石江心滩，上层覆盖泥沙淤积土层，江心滩形成历史较长。
    西霞院水库库区天然河道平均比降为8.60‰0。河床纵剖面在距坝址约11km以上河段比较平缓，河床比降约2.3‰0；距坝址约11km以下河段平均比降较陡，约11.7‰0，距坝9～11km的地段为一陡坡。库区河床均为砂卵石组成。

2 原始库容分布

    西霞院水库原始库容分布具有以下特点：
    (1)西霞院水库水位134m以下总库容为1.45亿m³，库容的绝大部分集中于水库下半段。其中距坝7.55km以下库段的库容为1.33亿m³，占总库容的91.7%，距坝7.55km以上的库容仅为0.12亿m³，占8.3%。
    (2)支流库容占总库容的比例很小。水位134m以下支流库容仅为0.0056亿m³，占总库容的0.4%。水位131m高程下库容为0.77亿m³，几乎全是干流库容。
    (3)库容的增加率随高程的增高而加大。在128～130m高程间库容仅0.27亿m³，而130～132m高程间库容为0.39亿m³，132～134m高程间库容为0.47亿m³。
西霞院水库原始库容分布见表1

表1 西霞院水库(南陈坝址)原始库容、面积表

3 水库运用方式

    西霞院水库是小浪底水利枢纽的配套工程，水库运用方式与小浪底水库的运用方式密切相关，西霞院水库必须与小浪底水利枢纽配合运用，才能充分发挥其综合利用效益，保持有效库容。
    小浪底水库汛期防洪运用时，水库下泄流量较大，西霞院水库采用敞泄滞洪的运用方式，基本对洪水无调节作用。
    小浪底水库主汛期调水调沙运用，下泄流量两极分化。在小浪底水库下泄流量较大时，小浪底水库基荷发电，不需要西霞院反调节，且西霞院入库流量含沙量较大，因此在此期间西霞院水库宜维持库水位131m基荷发电运行。当小浪底水库下泄流量小于800 m³/s，小浪底水库蓄水运用，下泄水流一般较清，西霞院水库则根据小浪底出库水流条件灵活运用，当下泄水流较清时，西霞院水库反调节运用；若小浪底水库下泄水流有一定的含沙量时，西霞院水库可视情况进行反调节运用或维持水位131～132m径流发电。
    小浪底水库调节期11～6月蓄水位较高，电站调峰发电，西霞院水库反调节运用，对小浪底水库调峰发电下泄流量进行调节，满足西霞院～花园口河段工农业引水、河道水质及生态环境等各方面要求，西霞院水库运用水位一般在133m～134m之间变动，最低运用水位在132m左右。

4 水沙条件

4.1 实测水沙特性
    霞院水库的入库站为小浪底水文站，距坝址16km，1955年设站并有系统的实际观测资料。1992年7月因兴建小浪底水利枢纽而下迁4km，可以与原测站水沙观测资料连续使用。1962年黄委会利用上下游站相关法，将小浪底站的月水沙资料按上游陕县站资料统一插补延长到1919年。
    根据1919年7月～1998年6月(79年)实测资料统计，小浪底水文站多年平均水量为396.5亿m³，多年平均沙量为13.25亿t，平均含沙量为33.4kg/m³。入库水沙量主要集中在汛期7～10月，分别占年水沙量的58.2%和86.3%。悬移质泥沙多年平均中值粒径为0.024mm。

4.2 水沙条件变化
    考虑人类活动影响后，黄河水沙控制站龙门、华县、河津、状头4站多年平均(1919～1989年)水沙量分别为310.8亿m³，和13.06亿t。按不同丰、平、枯水时段对水库和下游河道冲淤的不同影响，共选择了6个50年系列。经过四站至潼关、潼关至三门峡、三门峡至小浪底泥沙冲淤计算后，小浪底水库运用50年不同系列西霞院入库水量为272.0～312.8亿m³，其中汛期(7～10月)水量为136.7～156.7亿m³，相应流量为1287～1474m³/s；不同系列西霞院入库年沙量为10.22～11.36亿t，其中汛期沙量为10.19～11.32亿t。6个系列平均入库水量为286.99亿m³，其中汛期水量146.13亿m³；6个系列平均入库沙量为10.71亿t，其中汛期为10.67亿t，非汛期为0.04亿t。按汛期输送全年沙量考虑，西霞院汛期出库输沙率为96～107t/s。小浪底水库正常运用50年，西霞院入库年沙量为12.3～13.4亿t，按汛期输送全年沙量考虑，西霞院汛期出库输沙率116～126t/s。

4.3 水库淤积平衡形态设计采用的水沙条件
    水库平衡形态(河床纵剖面和横断面形态)，按水库正常运用期运用，汛期水量输送全年沙量保持库区冲淤平衡的水沙条件进行设计。小浪底水库正常运用时期冲淤平衡形态设计时，采用的汛期平均流量为1240m³/s(相当于汛期水量较小的系列的水量)，输送的汛期平均输沙率为126t/s(相当于全年沙量最大的系列的沙量)。为留有余地，西霞院水库平衡形态设计的水沙条件与小浪底水库正常运用时期相同，即汛期平均流量采用1240m³/s，汛期输沙率采用126t/s。

5 水库淤积形态

5.1 淤积平衡纵比降
    (1)河床纵剖面比降
水库淤积纵剖面一般呈下凹形，有多级坡降，从库尾至坝前依次变小，淤积物组成沿程变细。淤积纵剖面的比降受来水来沙条件、河谷形态、河床阻力及侵蚀基准面升高等因素影响。对于天然河床为砂卵石覆盖层、纵剖面比降大的河流，修建水库后形成新的沙质河床，其河流纵剖面比降显著减小。
    西霞院水库与小浪底、三门峡水库的水沙条件基本相同，故其淤积平衡纵剖面与小浪底水库、三门峡水库应有相似之处。所不同的主要是，小浪底水库拦截了西霞院水库干流砂卵石推移质泥沙，西霞院水库尾部一般没有砂卵石推移质淤积段。库区支流洪水较小，支流发生洪水时，砂卵石推移质输沙量少，且在支流回水段淤积，基本上不进入库区悬移质泥沙淤积段，对库区干流淤积河床纵剖面无明显影响。
    根据西霞院库区河床地形和平面形态特点，水库分为两段。按设计采用的水沙条件，分段沙质河床比降计算结果如下：
    库区下段(距坝10km段)比降为1.7‰0～2.0‰0；
    库区上段为2.0‰0～2.3‰0。
    考虑冲刷比降大于淤积比降，按冲淤平衡条件，西霞院库区下段沙质河床平衡比降采用2.0‰0，上段沙质河床平衡比降采用2.3‰0。
    三门峡水库自1974年蓄清排浑运用以来，库区冲淤相对平衡，河床淤积纵剖面趋于相对稳定，大体上可分上下两段，上段长度(潼关～老灵宝)约65km，纵剖面比降平均约2.3 ‰0。下段长度(老灵宝～大坝)约60km，纵剖面比降平均约1.7‰0。黄河上游盐锅峡库区沙质河床淤积比降为1.7‰0，青铜峡水库为1.7～2.3‰0，三盛公为1.5～1.7‰0；永定河官厅水库为2～2.8‰0；泾河巴家咀水库为1.6～3.6‰0。根据已建水库实测比降资料看，西霞院水库平衡比降采用值是合理的。
    (2)滩地淤积纵比降
    西霞院工程具有径流电站特性，汛期运用水位低，运用水位变幅很小，泄流规模较大，一般洪水不滞洪，属河道性水库。因此，西霞院的滩地淤积比降接近河槽淤积比降，仍采用上段滩面比降2.3‰0，下段滩面比降2.0‰0。对于大洪水(五十年一遇和百年一遇洪水)滞洪壅水淤积的滩面比降要变小，分析三门峡等已建水库滞洪淤积形态资料及西霞院低水头枢纽的实际情况，大洪水滞洪淤积滩面比降采用1.7‰0。
    西霞院库区河谷平面形态上窄下宽，水库淤积后将只在距坝11km以下的河谷开阔段分布有滩地，以上峡谷段则无连续滩地。

5.2 平衡河床横断面
    建库后，库区将形成新的河床形态。平衡河床形态按造床流量设计。采用依据三门峡及其它大型水库沙质河床形态资料建立的关系式计算，关系式为：
                    B = 38.6Q^0.31      h =0.081Q^0.44

    式中： B为水面宽(m)；h为平均水深(m)；Q为造床流量(m³/s)。其中造床流量按依据河道平滩流量资料建立的关系式计算：

式中： 为汛期平均流量(m³/s)。
    考虑上下游水利枢纽水沙条件的衔接，西霞院水库平衡形态设计采用的水沙条件为汛期平均流量1240m³/s，汛期平均出库输沙率126t/s，系六个设计水沙系列中较小的汛期平均流量和较大的沙量，是留有余地的水沙条件。由此计算出的造床流量为4220m³/s，相应的河槽水面宽为510m，平均水深为3.2m。
    根据已建水库资料分析，淤积断面水下边坡系数一般为10～30，平均约为20，西霞院水库取20。因此，河槽几何形态为，形状为梯形，水面宽510m，河底宽360m，水深3.7m。
    在造床流量河槽水面以上为调蓄河槽，根据已建水库资料，调蓄河槽边坡系数采用5。
    三门峡、盐锅峡、青铜峡、三盛公等水库，造床流量3500～6400m³/s，相应的水面宽为450m～730m，河底宽240m～420m，水下边坡10～20，水上边坡4～10。西霞院水库造床流量4220m³/s，造床流量河床形态指标，与上述已建水库相近造床流量河床形态指标相似，计算成果是合理的。
    在西霞院水库特征水位分析中，还分析了淤积不利的河槽形态，这种河槽形态是按汛期平均流量设计的淤积河槽形态，断面为梯形，水面宽351m，底宽267m，水深2.1m。

6  水库特征水位分析

6.1 水库汛期限制水位分析
6.1.1 汛期限制水位选择的原则
    作为小浪底水库的配套工程，西霞院水库汛期限制水位的选择应遵循以下原则：
    (1)水库汛期平衡输沙的河床淤积纵剖面末端距小浪底泄洪排沙消力塘出口断面要有一定距离，以避免汛期对小浪底坝下水位有影响。
    (2)在不影响小浪底尾水位的条件下，尽量选取较高的汛限水位，以取得最大发电效益。
根据以上原则，从泥沙角度分析比较了水库汛限水位131m和132m两种方案。

6.1.2 不同汛限水位的河床淤积纵剖面末端
    为了分析不同汛限水位的河床淤积纵剖面末端，考虑了两种水流河床形态，一是按造床流量计算的河床形态，即梯形河槽水面宽510m，槽底宽360m，水深3.7m；二是按汛期平均流量计算的河床形态，梯形河槽水面宽351m，槽底宽267m，水深2.1m。当汛限水位为131m时，这两种河床形态的坝前河底高程分别为127.3m、128.9m；汛限水位为132m时，则分别为128.3m、129.9m。
    按上述两种情况绘制淤积纵剖面，得出相应的河床淤积末端。根据计算结果，汛限水位为131m时，按造床流量河床形态计算的淤积末端距小浪底8km，淤积末端高程为128.7m；按汛期平均流量河床形态计算淤积末端距小浪底4.6km，淤积末端高程为131m。
    汛限水位为132m时，按造床流量河床形态计算的淤积末端距小浪底尚有5.4km，淤积末端高程为130.2m；按汛期平均流量河床形态计算，淤积末端可达小浪底消力塘出口断面。

6.1.3 汛期限制水位选择
    西霞院库区距坝9～11km地段河床为一陡坎，陡坎以上河道比降平缓，以下河道比降较陡，因此，西霞院库区的淤积末端一般应控制在陡坎以下。汛限水位131m淤积末端在不利情况下距西霞院坝址约10km，距小浪底坝下较远，水库淤积对小浪底坝下水位不产生影响；汛限水位132m时，遇到不利情况淤积末端上延到小浪底坝下，对小浪底坝下水位产生影响。因此，从水库淤积形态方面分析，西霞院水库汛期限制水位不应超过131m。
    根据动能指标、反调节库容需要等方面分析，汛期限制水位131m的有效库容能够满足反调节库容要求，且发电指标较好，因此，选择汛期限制水位为131m。

6.2 水库正常蓄水位论证分析
    西霞院水库的正常蓄水位是指满足设计的兴利要求时应蓄到的最高水位。西霞院水库正常蓄水位选择的原则是：在满足有效调节库容要求的前提下综合效益最优，并对小浪底坝下水位无影响或影响很小。
    水库正常蓄水位分析了133m、133.5m、134m、134.5m、135m五个比较方案。对于前期的汛期河床条件采用汛限水位131m边界条件下，由汛期平均水沙条件塑造的河床纵、横断面形态。 库区糙率系数：库区河床为淤积后的沙质河床，根据对河床淤积物分析，坝前10km河段糙率系数为0.0115～0.0125，上段糙率为0.0124～0.0136。
    小浪底水库在非汛期按蓄水拦沙、调节径流兴利运用，基本上下泄清水，西霞院水库蓄水运用，可不计泥沙淤积影响。
    对不同的水库蓄水位，进行西霞院库区在汛期淤积平衡形态基础上的各级流量水面线的推求，得出对小浪底消力塘出口断面水位的影响关系，见表2。水库蓄水位为133m、133.5m时，对小浪底消力塘出口断面水位没有影响；水库蓄水位为134m时，对500m³/s以下流量水位有影响，水库蓄水位134.5m时对1500m³/s以下流量水位有影响；水库蓄水位135m对3500m³/s以下流量水位有影响。因此从对小浪底坝下水位影响来讲，西霞院水库正常蓄水位选择范围为133～135m。
    根据动能、经济方面的综合比较，选择西霞院水库正常蓄水位为134m。

表2 西霞院水库非汛期不同蓄水位时小浪底消力塘出口断面水位流量关系线

注： 水位基面为黄海(m)
作者简介：张厚军(1964-)，男，河南信阳人，高级工程师。