吴联春 郑民生
（水利部小浪底水利枢纽建设管理局 河南郑州 450000）
摘要：小浪底水库大坝位于世界著名多沙河流—黄河中游最后一段峡谷的出口处，控制黄河径流量的91.2％，输沙量的100％，水库运用初期以异重流排沙为主。经过沿程分选，异重流排沙使水库自然而然地实现了“拦粗排细”的效果，既减少了水库淤积物的细沙含量，提高了设计淤沙库容的使用效率，又延长了水库淤沙库容的使用寿命，同时，由于细沙较容易被水流携带入海，且黄河下游河道对细泥沙具有多年调节功能，小浪底异重流排沙不会加剧下游河槽的淤积。本文通过对小浪底库区异重流实测资料的分析，概括了异重流的厚度、流速、含沙量及级配的变化规律和内在关系，对水库异重流的形成、运动机理、延续条件和影响因素进行了初步探索，提出了利用异重流提高水库排沙比的建议。
关键词：异重流、潜入点、泥沙级配、泥沙淤积、输沙特性、沿程分选
一、小浪底水利枢纽概况
小浪底大坝位于黄河中游最后一段峡谷的出口处，上距三门峡大坝130km，下距郑州花园口128 km，处在承上启下控制黄河水沙的关键部位，水库总库容126.5亿m3,长期有效库容51亿m3，控制流域面积69.42万km2，占黄河流域面积的92.3％；控制黄河径流量的91.2％、输沙量的100％，是治理黄河总体规划的骨干工程。小浪底水利枢纽开发目标是以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，除害兴利，综合利用。
小浪底水利枢纽大坝为壤土斜心墙堆石坝，最大坝高160m，坝顶长度1667m；发电系统安装6台30万kw机组、总装机容量180万kW；泄洪系统由9条泄洪洞（包括3条孔板洞、3条排沙洞、3条明流洞）和1座正常溢洪道组成，最大泄流能力14733m3/s。
小浪底水利枢纽正常运用水位275m，泄水建筑物按“低位排沙、高位排污、中间引水发电”的格局布置。低位的排沙洞和孔板洞进口底板高程为175m，水库最低运用水位210m的泄流能力4810m3/s，有利于异重流顺利出库，实现“拦粗排细”，既延长水库寿命，又充分发挥对下游减淤作用。
二、小浪底水库异重流排沙情况
小浪底水库库区干流河段属峡谷型山区河流，两岸山势陡峭，自然河道平水情况下水面宽150～500m，急流与跌水交错，比降大，水流湍急，河段总体上呈上窄下宽趋势。库区属土石山区，沟壑纵横，支流众多，各级支流有50余条，且支流流域面积小，河长短，比降大，支流库容占总库容的42.2%。
水库异重流是高含沙河流特有的水流形式，当高含沙水流进入水库遇到库区清水后，由于密度差而潜入清水下面形成一股浑水流继续向坝前运动。异重流排沙是小浪底水库拦沙运用期的主要排沙形式。
小浪底水利枢纽自2000年初至2007年底运行8年来，总入库沙量29.73亿t，总出库沙量5.47亿t，平均排沙比18.4％。所有出库泥沙全部以异重流方式排出库外。
小浪底水利枢纽异重流排沙的同时，黄河下游河道主槽得到全线冲刷，平滩流量逐年增加。2002年7月，黄河下游河道主槽卡口段过流能力只有1800 m3/s左右，2007年，已提高到3720m3/s。
三、小浪底库区异重流运动特性分析
1、小浪底库区异重流测量断面的布设
小浪底库区共布设9个测验断面，其中4个固定断面，分别是HH01（桐树岭）、HH09、HH29和HH37（河堤）断面；5个辅助断面，分别是坝前断面（距坝410m）、HH05、HH13、HH17、沇西河口和潜入点下游断面（如图1）。
图1 小浪底库区异重流测量断面布置图
2、小浪底水库异重流实测数据分析
选用2007年6月下旬小浪底水库调水调沙运用中异重流的部分实测资料分析异重流运动的基本特性。
2007年6月19日调水调沙开始时，小浪底水库水位244.77m， 6月27日异重流形成时，库水位231.08m。7月3日调水调沙结束时小浪底库水位223.63m（见图2）。
图2 调水调沙期间小浪底水库水位过程线
(一)．异重流潜入点的变化
在调水调沙过程中，随着库水位和入库水沙条件的变化，异重流潜入点不断变化。6月27日18:30在HH19断面（距坝31.85km）下游1200m首次观测到异重流潜入，随后，27日19:30 在HH17断面（距坝27.19km）下游400m、28日7:24在 HH16断面（距坝25.8km）下游400m、28日20:30在HH15断面（距坝24.43km）发现异重流潜入情况，表明随着库水位的下降及上游来水来沙的增加，潜入点逐渐向下游移动。
（二）.异重流流速、含沙量、D50的横向分布
潜入点下游断面由于异重流刚刚潜入，动能沿程损耗较小，异重流层平均流速较大。从HH17断面平均流速横向分布图（图3）中可以看出，在同一断面上异重流平均流速变化较大，最大平均流速达到1.7m/s，最小平均流速为0.1m/s，表现为主流流速、含沙量较大，边流流速、含沙量较小，与自然河道流速分布形态相似。
图3 HH17断面异重流平均流速横向分布图
HH15、HH17断面平均含沙量和中数粒径D50横向分布形态基本相同，主槽部分含沙量较大，泥沙粒径较粗，且断面方向上泥沙粒径极不均匀。图4为HH17断面含沙量、D50横向分布图。
图4 HH17断面平均含沙量、D50横向分布图
（三)．异重流沿程纵向演进
图5反映6月28日～7月1日小浪底库区异重流厚度沿程变化，其总体上的变化规律是异重流厚度沿程变薄。28日、29日HH01断面（距坝1.32km）异重流厚度比HH05断面（距坝6.54km）有所增加，不符合这一规律，原因是异重流来沙量大于水库排沙量，异重流在坝前发生了雍高。
图5 异重流厚度沿程变化图
异重流平均流速和含沙量的沿程变化趋势与厚度的变化趋势相似，也是总体沿程递减。说明异重流运动过程中，随着运行速度降低，所挟带的泥沙沿程落淤。
在厚度、流速、含沙量及其级配等描述异重流运动特性的参数中，异重流流速居于主导地位，异重流流速越大，含沙量就越大，挟带的泥沙也越粗，即异重流流速是决定异重流挟沙能力的主要因素。
同时，异重流的演进受入库流量影响非常大，6月28日当三门峡水库大流量高含沙下泄水流潜入小浪底水库后，6月29日、30日沿程各断面分别出现本次最强的异重流，出现了最大厚度、最大平均流速和最大含沙量。7月1日，随着入库流量、沙量减少，异重流也随着减弱。
3、小浪底水库异重流持续运动至坝前的临界水沙条件
小浪底水库异重流排沙既遵循普遍性规律又有一定的特殊性。其特殊性体现在受三门峡水库调控影响大，库区平面形态复杂，频繁出现局部放大、收缩或弯曲等突变地形，在地形变化剧烈处异重流能量会产生局部损失。尤其是库区十余条较大支流入汇，在干支流交汇处往往发生异重流向支流倒灌，使异重流沿程变化特性更为复杂。
通过对历年异重流实测资料分析，并结合相关试验成果，黄委会研究了小浪底水库异重流发生、运行及排沙等基本规律。
水库产生异重流并能达到坝前，除需具备一定的洪水历时之外，还需满足一定的流量及含沙量，即形成异重流的水沙过程所提供给异重流的能量，足以克服异重流沿程的能量损失。
异重流的流速与其挟沙力和含沙量成正比，形成异重流的流速与含沙量具有一致性。图6为基于2001～2004年小浪底水库发生异重流时入库水沙资料，并根据坝前浑水水库变化情况（粗略判断异重流是否运行至坝前），点绘的小浪底水库入库流量与含沙量的关系（图中点群边标注数据为细泥沙的沙重百分数），由该图分析异重流产生并持续运行至坝前的临界条件。从点群分布状况可大致划分3个区域。
A区为满足异重流持续运动至坝前的区域。其临界条件（即左下侧外包线）在满足洪水历时且入库细泥沙的沙重百分数约50%的条件下，还应具备足够大的流量及含沙量，即满足下列条件之一：第一，入库流量大于2000m3/s且含沙量大于40kg/m3；第二，入库流量为500～2000m3/s，且含沙量S与流量Q的关系满足S>280-3Q/25。
图6 异重流持续运动水沙条件分析
B区涵盖了异重流可持续到坝前与不能到坝前两种情况。其中异重流可运动到坝前的资料往往具备以下三种条件之一：一是处于洪水落峰期，此时异重流行进过程中需要克服的阻力要小于其前锋所克服的阻力。因异重流前锋在运动时，必须排开前方的清水，异重流头部前进的力量要比维持继之而来的潜流的力量大；二是虽然入库含沙量较低，但在水库进口与水库回水末端之间的库段产生冲刷，使异重流潜入点断面含沙量增大；三是入库水流的细泥沙含量占全部泥沙的75%以上。
C区基本为入库流量小于500m3/s或含沙量小于40kg/m3的资料，异重流往往不能运行到坝前。
四、提高小浪底水库异重流排沙效率的建议
针对不同的来水来沙条件，根据异重流的运动特性采取不同的调度方式，实现提高小浪底水库异重流排沙效率的目标。
1．当黄河中游发生洪水时，充分利用自然洪水形成的异重流排沙
黄河中游汛期往往发生较高含沙量洪水，其中细沙含量较高，经过三门峡水库调节后，细沙含量更高，有利于在小浪底水库形成异重流而排沙出库。在水库调度过程中，应充分利用三门峡水库的调控作用，尽可能为小浪底水库创造有利于异重流形成和出库的水沙条件。
（1）利用三门峡水库调节，使下泄水沙过程均在A区范围，提高小浪底水库异重流含沙量并尽可能延长异重流排沙历时。
（2）合理启闭小浪底水库不同高程的泄水孔洞。在异重流到达坝前后，泄水建筑物使用原则为“先低后高”， 即优先使用排沙洞，在排沙洞泄流能力不足的情况下，开启明流洞泄流。
2．当黄河中游未发生洪水时，联合调度万家寨、三门峡、小浪底水库，人工塑造异重流出库
在黄河中游未发生洪水的情况下，通过万家寨、三门峡与小浪底水库联合调度，充分利用万家寨、三门峡水库汛限水位以上水量泄放的能量，借助自然的力量，冲刷三门峡水库非汛期淤积的泥沙与堆积在小浪底库区上段的泥沙，塑造异重流并排沙出库，实现了水库排沙及调整其库尾段淤积形态的目的。
人工塑造异重流，并使之持续运行到坝前，必须使形成异重流的水沙过程满足异重流持续运动条件。除要求入库水流挟带足量的细沙外，还要求入库洪水供给异重流的能量，能克服异重流沿程和局部的能量损失，否则异重流将在中途消失。
（1）小浪底水库异重流的水沙来源
水流中泥沙含量，特别是细颗粒泥沙含量是异重流排沙的关键。塑造小浪底水库异重流的沙源有两个，一是小浪底水库尾部的淤积三角洲（细沙含量不高），主要靠三门峡水库下泄较大流量冲刷使之悬浮；二是三门峡水库深槽里的细泥沙，要靠万家寨水库泄流在三门峡水库低水位或空库时冲刷排出。
（2）三门峡出库流量的量级
利用三门峡水库下泄水流冲刷小浪底库尾淤积三角洲需要较大的能量，才能使悬浮到水体中的泥沙满足异重流产生并持续运行的需要。一般情况下要求三门峡水库下泄流量应不小于2000m3/s，并具有一定的历时。
（3）尽可能利用万家寨水库的水量
水库形成异重流排沙，不仅需满足一定的流量及历时，而且需满足水流中具有足够的细颗粒泥沙含量。因此，确定万家寨与三门峡水库泄量及泄流时机，既要保证两库泄流衔接，还应保证水流在传播的过程中，能冲起并挟带一定量的泥沙，为小浪底水库异重流提供连续的水源动力和充足的细泥沙来源。一般情况下要求万家寨水库下泄流量应不小于1000m3/s，并具有2天以上历时。
（4）塑造异重流的时机应尽可能选择在小浪底库水位较低时
小浪底水库异重流排沙期间，增大水库排沙比的主要途径为尽可能选择小浪底库水位较低的时机塑造异重流，缩短异重流运行距离，降低异重流运动到坝前的能量损耗,提高异重流的挟沙能力。小浪底水库塑造异重流水位的选择，需要综合考虑上游来水、水库排沙用水、下游河道减淤和下游地区后期供水等多种因素，一般选在226～230m之间。
备注：本文异重流实测数据来自黄河水文水资源科学研究院。
