三门峡水库不同运用方式对降低潼关高程作用的研究

郭庆超,胡春宏,陆琴,陈建国,祁伟

(中国水利水电科学研究院,)

 摘要:作者首先对潼关高程在历史上、建库前和建库后的变化过程进行了总结,分析了导致各个时期潼关高程变化的原因。然后利用具有较强理论基础且得到广泛应用的非均匀不平衡输沙数学模型对水库在不同运用方式和不同来水来沙条件下潼关高程未来的变化趋势进行了计算分析,对潼关高程下降的可能性和幅度提出了看法。

关键词:泥沙运动;水库运用;潼关高程

 1 概况

三门峡水利枢纽是黄河上修建的第一座大型水利枢纽工程,自1960年9月投入运用至今已40 余年。由于在原规划设计中对黄河泥沙问题认识不足,使枢纽在40多年的实际运行中经历了 两次改建和“蓄水拦沙”(1960年9月15日~1962年3月19日)、“滞洪排沙”(1962年3月2 0日~1973年10月)、以及“蓄清排浑”(1973年11月~目前)三个不同运用阶段。

1960年9月开始运用初期,采用“蓄水拦沙”运用,最高蓄水位332.58m(1961年2月19日),回水超过潼关,库区泥沙淤积严重,渭河口形成拦门沙,威胁关中平原。为此,1962年3月由“蓄水拦沙”改为“滞洪排沙”运用,汛期闸门全面敞开,只保留防御特大洪水的任务。由于泄水孔位置较高,在高程315m水位时只能下泄3 084 m3/s的流量,入库泥沙仍有60%淤在库内,特别是遇1964年丰水丰沙年,问题更为突出。至1964年10月,库区泥沙总淤积量已达47亿t,潼关高程,即潼关水文站(六)断面的1 000m3/s流量的水位,由蓄水前的323. 40m上升到328.09m,升高了4.69m。为此,1965~1968年对枢纽实施了第一次改建(即“ 两洞四管”),枢纽的泄洪排沙能力(315m)由3 084m3/s增加到6 102m3/s,增大了一倍,水库的排沙比增至80%,潼关以下库区已由淤积转为冲刷,对保护库容,缓解淤积对上游的威 胁和保证下游的防洪安全,都取得了显著的成效。但冲刷范围尚未触及到潼关,潼关以上库区及渭河仍继续淤积。

为进一步解决库区淤积,充分发挥枢纽综合效益,1969年6月由水利电力部和陕、晋、豫、鲁四省领导人在三门峡开会研究,决定对三门峡水利枢纽进行第二次改建。改建原则是:在确保西安、确保下游的前提下,合理防洪,排沙放淤,径流发电。第二次改建于1969年12月 开始至1973年全部完成后,使库水位在315m的泄流能力由6 102m3/s增加到9 059m3/s,水库发生了更大范围的冲刷,潼关高程也下降到326.6m。此后,1990年打开9、10号底孔,1999、2000年又分别打开了11、12号底孔,使得坝前水位315m时泄流能力增加到9 701m3/s。

枢纽经两次增、改建,增加了泄流排沙设施,进一步降低了泄水孔高程,加大了泄流排沙能力。自1973年以来,水库按“蓄清排浑”调水调沙方式运用,即汛期泄流排沙,汛后蓄水,变水沙不匹配为水沙相适应,使库区年内泥沙冲淤基本平衡,水库淤积得到控制。

潼关,作为黄河小北干流、渭河、洛河的三河交汇口起着局部侵蚀基准面的作用,其高程的变化对潼关以上河段的冲淤影响较大。自1960年三门峡水库开始蓄水运用以来,潼关1 000m3/s流量的水位已经上升5m左右,致使渭河下游河床不断淤积抬高,防洪任务加重,同时也造成关中广大地区地下水位上升,土地盐碱化,影响农作物的生长和产量。由于潼关所处的特殊位置,其高程的变化不仅成为地方政府关注的焦点,也引起各级领导和水利专家的高度关注。为了减轻潼关高程的上升给渭河流域带来的不利影响,迫切需要对潼关高程下降的可 能性进行深入研究。作者将从三门峡水库运用方式及来水来沙与潼关高程的内在关系来研究 通过改变三门峡水库运用降低潼关高程的可能性。

2  潼关高程演变历史

三门峡水库建库前,潼关河段属于天然河道,处于主要受来水来沙条件影响的自然冲淤状态 。建库后,改变了潼关河段的自然演变状态,它的冲淤不仅受到来水来沙的影响,更多则来自于水库回水及淤积上延的影响。因此,潼关高程变化过程可按时间分为三个阶段,即无实测资料的历史时期、建库前有实测资料时期和建库后。

2.1       历史上潼关高程变化

由于缺乏潼关高程的实测历史资料,目前对历史上潼关高程的演变存在不同认识。比较有代表性的研究成果有:(1)中科院地理所渭河研究组[1]认为从三国到建库前将近1800年中,潼关附近的河床沉积了厚约14m的中细沙层,即年均淤高0.008m。(2)叶青超[2]等采用地质沉积结构原理,估算出三国时期(公元220年)至1960年小北干流的分段淤积厚度,禹门口~北赵、北赵~夹马口、夹马口~潼关三段的淤积厚度分别为31.9m、30.7m、37.6m,并由此计算出三段的年均淤积厚度分别为0.018m、0.017m和0.021m。(3)焦恩泽[3]等根据1972年山西省永济县农民在浦州旧城城西打井时,挖深12m处挖到明万历年间修建的城西防洪石堤堤顶的事实估算出1583~1960年的377年间滩面净淤厚为15.47m,相应潼关高程年均淤厚为0.041m。(4)西北水科所的邢大韦[4]等根据地质剖面分析,提出全新世一万年间潼关隆起沉积厚度为16m,年淤积速率为0.0016m,在参考赵重远和吕世雄研究成果后得出结论:可以 认为历史上潼关是冲淤平衡的。

应该指出的是,把滩面的淤积厚度直接作为潼关断面河床的淤积厚度是值得商榷的。根据一般河床演变规律,滩面的淤积是在洪水漫滩的情况下发生的,而且一旦淤积很难出现冲刷机会,即滩面的淤积是累积性的而不是冲淤交替。潼关是黄、渭、洛河汇流后的一个天然卡口,其断面宽度由上游的数公里变为仅1 000m,河床有冲有淤,将附近滩面的淤积厚度直接作为潼关河床的淤积厚度是不妥的。因此,历史上潼关断面的年抬高应比0.041m小。综合以上几家的研究成果,从一个较长的历史时期来看潼关附近是处于微淤状态的。

2.2       建库前潼关高程变化

从1929年潼关水文站设站开始,潼关站有了实测水文资料,但由于战乱,1943~1946停测水位。至1960年水库蓄水前与1929年相比潼关站1 000m3/s水位上升约2.2m,年均抬升0.069m。由于水文资料不连续,观测工作不规范,精度不高,一般认为不能用此数值作为天然条件下潼关高程年均上升值。焦恩泽[3]认为采用0.035m作为天然条件下潼关高程多年平均上升值是比较接近实际的。另外,涂启华[5]认为1947年恢复水位观测时存在水尺不一致 的问题,其误差影响至今尚不清楚,因此在研究潼关高程时不应将断测前后连续考虑,而应分开为妥 。据此,涂启华认为,在排除断测期间水位升高的差异后,1934~1942年与1947~1960年的 1 000m3/s水位相近,均为相对稳定状态。

2.3       建库后潼关高程变化

自1960年9月水库开始蓄水拦沙运用以来,潼关高程大致经历了上升—下降—基本稳定—逐渐抬升四个阶段(参见表1和图1)。  

表1 三门峡建库后潼关1 000m3/s水位变化
Table 1 Change of water level at Tongguan for discharge of 1 000m3/s


水位/m 水位变化/m 水位/m 水位变化/m
年份
年份
汛前 汛后 汛期 非汛期 汛前 汛后 汛期 非汛期

1960 323.80 323.40 -0.40 1980 327.82 327.38 -0.44 0.20
1961 326.5 329.06 2.56 3.10 1981 327.62 326.94 -0.68 0.24
1962 326.10 324.89 -1.21 -2.96 1982 327.44 327.06 -0.38 0.50
1963 325.14 325.76 0.62 0.25 1983 327.39 326.57 -0.82 0.33
1964 326.03 328.09 2.06 0.27 1984 327.18 326.75 -0.43 0.61
1965 327.95 327.64 -0.31 0.14 1985 326.96 326.64 -0.32 0.21
1966 327.99 327.13 -0.86 0.35 1986 327.08 327.17 0.10 0.44
1967 327.73 328.50 0.77 0.60 1987 327.30 327.16 -0.14 0.12
1968 328.65 328.11 -0.54 0.15 1988 327.37 327.08 -0.29 0.21
1969 328.70 328.65 -0.05 0.59 1989 327.62 327.36 -0.26 0.54
1970 328.46 327.71 -0.75 -0.19 1990 327.76 327.60 -0.16 0.40
1971 327.74 327.50 -02.0 0.03 1991 328.02 327.90 -0.12 0.42
1972 327.44 327.10 -0.34 -0.06 1992 328.40 327.30 -0.10 0.50
1973 328.13 326.64 -1.49 1.03 1993 327.76 327.78 0.02 0.46
1974 327.19 326.70 -0.49 0.55 1994 327.95 327.69 -0.26 0.17
1975 327.23 326.04 -1.19 0.53 1995 328.12 328.35 0.23 0.43
1976 326.71 326.12 -0.59 0.67 1996 328.42 328.07 -0.35 0.07
1977 327.37 326.79 -0.58 1.25 1997 328.42 328.02 -0.22 0.17
1978 327.30 327.09 -1.21 0.51 1998 328.28 328.12 -0.16 0.26
1979 327.76 327.62 -0.14 0.67 1999 328.46 328.12 -0.34 0.34

  第一阶段从1960年9月~1969年汛末,由于采用“蓄水拦沙”和泄流能力不足的“滞洪排沙 ”运用,潼关高程由323.4m上升到328.65m,抬高了5.25m。第二阶段从1969年汛末到1973年汛末,随着改建工程投入运行,泄流能力大为增加,“滞洪排沙”发挥作用,水库发生了明显冲刷,潼关高程由32865m下降到326.64m,下降2.01m。第三阶段从1973年汛末至1985年 汛末,由于水库采用“蓄清排浑”运用,水库处于冲淤平衡状态,相应地,潼关高程也处于一个基本平衡状态。期间随着来水的丰枯潼关高程也有升有降,汛末水位在326.64m~327.62m之间约1m的范围内波动。第四阶段从1985年汛末至今,尽管仍然采用“蓄清排浑”运用,但由于这一时期是连续枯水年,潼关高程进入了持续抬升阶段,到90年代末更是一直居高不下,稳定在328m以上。

3 建库后潼关高程演变成因分析

建库后潼关高程的抬升和居高不下的原因是多方面的。除了天然条件下小北干流淤积下延并导致潼关高程上升外,三门峡水库运用是最直接的原因,此外还与来水来沙有关系,与河势变化也有一定关系。不过,河势变化似乎不能作为独立影响因子,因为河势变化更多地是由于潼关高程抬高的结果而不是原因,当然河势变化反过来又会影响潼关高程。因此,在分析建库后潼关高程变化原因时,将主要从天然来水来沙和三门峡水库运用两个方面入手。

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图1 潼关1 000m3/s水位变化过程
Fig.1 Change of water level at Tongguan for
discharge of 1 000m3/s

3.1       天然来水来沙对潼关高程的影响

这里所说的“天然”是指在没有人为因素干扰的情况,来水来沙可以自由地塑造河床。在天然来水来沙条件下潼关高程的抬升可归结为小北干流沿程淤积的结果。黄河小北干流河道宽浅(从几公里到十几公里),支汊密布,流路散乱,河槽摆动不定,还不时出现横河,水流输沙能力下降,造成河道淤积并向下游延伸,引起潼关河床抬高。这一认识也可以从另一侧面得到佐证。三门峡水库建设前,对潼关至三门峡河段的地质勘探表明[6]:潼关的河床组成为沙质,陕县的河床组成为沙夹砾石,三门峡附近为砾石,而到了三门峡坝址河床则为坚硬的基岩。这样的河床组成沿程变化表明,在天然情况下潼关断面的淤积抬高不是由下游局部侵蚀基准面造成的,而是由上游河道沿程淤积的结果。

当然天然条件下在潼关高程总体上升的过程中是有升有降的,遇到持续大水可能发生累积性冲刷,而遇到持续的小水大沙又会出现累积性抬高。此外,天然条件下潼关河床一般表现为汛期冲刷下降,非汛期淤积抬高。这些都与潼关地处狭窄河谷,流量大时,输沙能力强,河床容易发生冲刷;而流量小时,输沙能力弱,河道易于淤积是一致的。为了估算天然来水来沙条件对建库40年来潼关高程的影响,可以利用历史潼关高程演变的研究成果。历史上潼关河床是微淤的,但对于淤积速率有不同的认识,一般认为介于冲淤平衡 与0.041m/年之间。前面已经阐述了0.041m/年是值得商榷的,因此历史上潼关高程的抬升速率应该小于0.041m/年。如果按焦恩泽[3]建议的建库前30余年的0.035m/年抬高速率(基本上是上限值),那么建库40年来在天然来水来沙条件下潼关高程上升也不过1.4m。因此, 以1.4m作为天然来水来沙条件下潼关高程上升值应该是框得住。

由此可见,近40年来潼关高程的上升主要是三门峡水库造成的。因为,在淤高5m的高程中, 即使扣除天然条件的1.4m,仍有3.6m的高程是由三门峡水库直接导致的。

3.2       三门峡水库对潼关高程的影响

三门峡水库投入运用以后,潼关高程的大幅度抬升与水库的运用有直接关系。水库运用对潼关高程的影响初期主要表现在坝前运用水位的影响,后期主要表现在受来水来沙和水库淤积上延共同影响。表2给出了各时期三门峡水库运用特征值。

1960~1968潼关高程的急剧上升是与坝前高水位运用直接相关的,而与来水来沙关系不大。水库运用初期采用“蓄水拦沙”运用方式,运用水位较高,最高蓄水位达到了332.58m,潼关正处在水库回水末端,直接受回水淤积影响,导致潼关水位急剧上升。改变运用方式后,虽然运用水位有所降低,但由于泄流规模不足,汛期坝前壅水,水位仍较高,潼关高程继续抬升。由表2可以看出,1960~1968年汛期来水量较丰,年均为280亿m3,来水条件较好,但由于坝前水位一直较高,平均达到312.68m,导致潼关水位持续上升。

1969~1973年潼关高程的下降与水库敞泄运用密切相关,与来水来沙有一定关系。这个时期汛期来水量145亿m3,来沙量11亿t,含沙量达77kg/m3,水沙条件并不好,但这一时期采用敞泄运用,汛期坝前维持低水位,平均水位为298.9m,为潼关高程的下降创造了条件。这一期间潼关高程下降2m。可以说敞泄运用是导致潼关高程下降的根本原因,然而仔细研究发现(表1),潼关高程的下降主要发生在汛期来水量较大的1970年(168亿m3)和1973年(18.1亿m3),分别下降0.75m和1.5m;而汛期来水量较枯的1969年(116亿m3),1971年 (134亿m3)和1972年(123亿m3)潼关高程下降非常有限,分别为0.05m,0.20m和0.34m。这说明敞泄运用这个内因必须在来水条件较好这个外因配合下才能有效地降低潼关高程。

表2 各时段潼关汛期水沙特征值
Table 2 Characteristic values of flow and sediment in flood season for differen t periods


年份 汛期来水量/108m3 来沙量/108t 平均流量/m3·s-1 平均含沙量/ kg·m-3 坝前水位/m 潼关高程/m汛末

19601968 280.54 12.93 2 639.89 46.08 312.68 323.40328.11
19691973 144.61 11.12 1 360.80 76.88 298.91 328.65326.64
19741980 211.93 10.37 1 994.3 48.94 304.71 326.70327.38
19811985 270.18 7.13 2 542.2 26.37 304.2 326.94326.64
19861999 120.03 5.92 1 129.43 49.32 303.46 327.17328.12

  1974年以后采用“蓄清排浑”运用,潼关高程的变化主要受来水来沙影响,而与水库运用关系不明显。这期间汛期平均运用水位比1969~1973年的298.9m有明显抬高,稳定在303m到305 m,因此这一时期潼关高程的升降主要取决于来水条件。例如,汛期来水颇丰的1981~1985年期间,潼关高程下降,而来水偏枯的1977~1980及1986年以后的连续枯水年,使得潼关高程不断爬升。由此可见,在水库运用方式相同的情况下,潼关高程的升降主要由潼关上游来水条件决定。

  因此,从冲刷机理来看,1969~1973和1981~1985年这两个期间的冲刷是不同的。1969~19 73年冲刷的根本原因是水库敞泄运用,辅之于来水来沙,而1981~1985年来水量大则是冲刷的主要原因。因此,有利的水沙条件,同时配合较低的坝前运用水位是降低潼关高程较为理想的途径。

  从前面分析潼关高程演变的机理可知,要使潼关高程有所下降,可以借助于以下两个途径:一是降低三门峡水库运用水位,另外一个是制造有利的水沙条件。为了研究这两个因素的不同组合对降低潼关高程的作用,作者利用水流泥沙数学模型进行了较为全面的研究。

4  数学模型及验证

4.1       数学模型简介

天然河道里随水流运动的泥沙都是非均匀沙,为了反映非均匀沙的运动规律,利用非均匀沙不平衡输移理论,建立了三门峡水库泥沙冲淤数学模型。大量的实际工程应用表明,模型的突出优点是整个模型只有一个可调系数,而且可以由定性分析来估算这个系数值,其他系数都有固定取值,使模型应用起来简单方便。

4
.1.1 水力因子计算

一维恒定非均匀流的水流运动方程为

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(1)

采用有限差分方法,可以将方程(1)写成如下的有限差形式

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(2)

   此处H为水位(m),n为曼宁糙率,Q为流量(m3/s),B为水面宽(m),A 为过水面积(m2),g为重力加速度(m/s2),g为断面间距(m),脚标i表示时段,j表示断面编号,计算时,给定出口断面的水位及进口断面的流量,便可计算出各断 面的水位。

  当区间有支流入汇或取排水时,则j+1断面的流量为:Qi,j+1=Qi,j+△Q,△Q为区间汇排水流量,当支流入汇时为正,取排水时为负。

4.1.2 输沙计算

输沙计算是模型的核心部分,在获得足够的水流因子信息的条件下,分别对泥沙浓度、悬沙和床沙级配调整以及河床变形进行计算。

对于均匀泥沙而言,一维恒定非均匀流含沙量沿程变化的方程为

ds/dx=αω/q(S-S*)

3)

  当泥沙为非均匀沙时,其分组泥沙在水流中的运动仍然遵从方程(3)所描述的规律。如果假定分组挟沙能力沿程线性变化,对方程(3)进行积分并求和可得到不平衡非均匀沙的含沙量计算公式

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(4)

  此处S为悬移质含沙量(kg/m3),S*为水流挟沙力(kg/m3),Pl为悬移质级配,L为混合沙按粒径分组数,ω为第l组粒径泥沙沉速(m/s),q为单宽流量,α为恢复饱和系数。

水流挟沙能力计算采用武汉水利电力大学的公式形式,即

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(5)

  这里ks为挟沙能力系数,m为挟沙能力指数,ωr为混合沙的代表沉降速度(m/s ),可写为

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(6

于悬移质级配计算,床沙级配调整以及河床变形计算请参见文献[7,8]

4.2       数学模型验证

为了检验所建立的数学模型在三门峡水库的适应性,利用三门峡水库的实测资料和所建立的数学模型对三门峡水库运用40年来的冲淤过程进行了全面复演。

4.2.1 泥沙冲淤验证

图2(a)和(b)分别给出了水文年内和累积的三门峡水库泥沙冲淤过程的数学模型复演和实测资料的比较。从图中可以看出,三门峡水库经历了三个明显不同的冲淤阶段,即:1960~1964年的强烈淤积,1965~1973的累积冲刷和1974年以后的

基本保持冲淤平衡阶段。从模型的计算结果和实测资料比较来看,该数学模型不仅能够很好地模拟水库的累积冲淤过程,而且能够较好地模拟水文年内及不同时期的冲淤特点,具备了很好地再现三门峡水库冲淤演变的能力。

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图2 三门峡水库泥沙冲淤过程数学模型复演
Fig.2 Verification of sedimentation in Sanmenxia reservoir

 

4.2.2 潼关高程验证

  图3给出了1965~1999年历年潼关高程(1 000m3/s水位)的计算与实测比较。从比较的结果来看,该数学模型能够较好地模拟潼关高程下降(1969~1974)、上升(1974~1980)、再下降(1981~1985)、再上升(1986~1999)的演变过程。通过对1960~1999年40年来三门峡水库泥沙冲淤过程以及潼关水位变化的验证计算表明,该数学模型能够较好地模拟三门峡水库泥沙冲淤特性和潼关高程的变化趋势,可以用于通过改变三门峡水库运用方式来降低潼关高程可行性的研究。

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图31965~1999年潼关高程计算值与实测值比较
Fig.3 Verification of elevation at Tongguan

5 水库不同运用方式对降低潼关高程的作用[9]

5.1 方案计算条件

众多研究表明,潼关高程受到来自于三门峡水库运用和来水来沙共同影响。因此,为了研究三门峡水库运用方式对潼关高程的影响,设计了三个计算方案,它们分别是:方案1,在水库现有泄流条件下,采取全年敞泄运用;方案2,增加水库泄流能力后(见表3),采取全年敞泄运用,即主要通过停止目前机组发电,将机组的进水管改成泄流洞,或者通过其他工程措施来增加水库的泄流能力;方案3,在现有泄流条件下,汛期采用敞泄运用,非汛期运用水位控制在315m。另外,为了研究在相同的水库运用(敞泄)条件下,不同水沙系列对潼关高程的影响,又设计了另外两个计算方案,他们是方案4:在现有泄流条件下,采用1974~1 986相对偏丰水文系列和方案5:在现有泄流条件下,采用1987~1999相对偏枯系列。

表3 三门峡水库现状与增建后大坝泄流能力对比
Table 3 Flow discharge through the dam at present and possible discharge in the  future


高程/m 改建前/m3·s-1 改建后/m3·s-1 改建前后差 高程/m 改建 /m3·s-1 改建后/m3·s-1 改建前后差

280 0 0 0 318 10592 12437 1845
285 565 565 0 320 11153 13050 1897
290 1188 1365 177 322 11696 13650 1954
295 2280 2767 487 324 12195 14231 2036
300 3633 4723 1090 326 12649 14697 2048
305 5455 6655 1200 328 13074 15169 2095
310 7830 9498 1668 330 13483 15626 2143
312 8598 10312 1714 332 13843 16037 2194
314 9347 11105 1758 334 14183 16431 2248
315 9700 11470 1770 335 14350 16626 2276
316 9997 11798 1801

5.2 方案计算成果分析

利用经过全面验证后的三门峡库区泥沙冲淤数学模型并采用2001年9月实测库区大断面作为起始地形,对各方案条件下潼关高程的变化趋势进行了模拟计算。表4列出了各方案条件下,水库运行完相应的水文系列后,计算所得的潼关1 000m3/s水位。

表4 方案计算条件及计算的潼关高程(1 000m3/s水位)
Table 4 Simulated water level at Tongguan for different reservoir operations


方案 计 算 条 件 潼关高程/m

方案1  水沙系列:1974年7月~1999年6月实测水沙过程,可认为是平水系列。 326.44
 运用方式:现有泄流条件下全年敞泄运用。
方案2  水沙系列:同方案1。 326.39
 运用方式:增大泄流能力条件下全年敞泄运用。
方案3  水沙系列:同方案1。 326.70
 运用方式:现有泄流能力,汛期敞泄,非汛期315m运用。
方案4  水沙系列:1974年7月~1986年6月实测水沙过程,可认为是来水偏丰系列。 326.12
 运用方式:现有泄流条件下全年敞泄运用。
方案5  水沙系列:1987年7月~1999年6月实测水沙过程,可认为是枯水系列。 327.25
 运用方式:现有泄流条件下全年敞泄运用。

  从表4的计算结果可以归纳出以下几点认识: (1)潼关高程的变化受到三门峡水库运用方式(内因)和潼关上游来水条件(外因)共同影响。在采用全年敞泄的条件下,潼关高程是可以下降的,下降的幅度取决于来水的丰枯。低水位运用和汛期丰水都有利于潼关高程的降低,相反,对潼关高程下降不利。

  (2)关于三门峡水库运用对潼关高程影响,由于本文着重研究降低潼关高程的途径,因此在研究水库运用方式影响时,汛期都是按照敞泄运用考虑的,不同的运用方式主要体现在非汛期。方案2和方案3计算结果表明,在汛期敞泄的情况下,非汛期控制运用(运用水位315m )与全年敞泄运用相比对降低潼关高程有一定的影响,其对潼关高程的绝对影响值仅0.26m 。当然,非汛期运用水位越高对潼关高程越不利。

  (3)关于来水来沙对潼关高程影响,在水库采用相同的运用方式-全年敞泄运用下,来水的丰枯对潼关高程的下降有明显影响。比如平水系列的方案1、偏丰系列的方案4、以及枯水系列的方案5分别可以把潼关高程由目前的328.15m降到326.44m、326.12m、和327.25m。可见,在相同的水库运用方式下,来水条件对潼关高程的影响是明显的。

  (4)关于增加泄流能力对降低潼关高程的影响,比较方案1和方案2可以看出,仅仅依靠停止目前所有机组发电,将原机组的进水管改成泄流洞来增加泄流能力,对降低潼关高程的作用是不明显的。同方案1相比,方案2在泄流能力增加的情况下对潼关高程的改善仅仅为5cm。对这样结果的合理解释是:当采用全年敞泄运用时,汛期水位一般都在300m以下,而非汛期水位更在290m以下,对应这两个水位,方案2比方案1的泄流能力只分别增加177m3/s和1 090m3/s。因此,通过方案2的这种措施对改善300m高程以下的过流能力并不显著,这正是潼关高程改善不明显的原因。因此,如果通过增加泄流能力来改善潼关高程,建议应在300m以下大幅度增加泄流能力。

  (5)所有的计算方案表明,即使遇到不利的来水系列(方案5),在三门峡水库全年敞泄运用条件下,潼关高程也可以比目前下降近0.9m,而在有利的来水条件下(方案4)潼关则可以下降2m。因此,当水库采用全年敞泄运用时,在各种不同的来水条件下,潼关高程下降1~2m是可能的。影响潼关高程变化的因素非常复杂,除了明显地受水库运用和来水来沙影响外,还受高含沙洪水、小北干流与渭河洪水遭遇、洪水过程特征、洪峰及洪水历时等影响。近年来汇流区的河势对潼关高程影响也趋明显,因此要全面弄清潼关高程的变化情况,需要做更加深入的工作,包括资料分析、实地查勘、数学模型及河工模型试验。

6 结论

  通过对潼关高程演变过程与成因分析,以及利用数学模型对水库不同运用方式、不同来水来沙系列和扩大泄流能力对潼关高程影响的计算,得到以下一些认识。

  (1)潼关高程的变化受到三门峡水库运用方式和来水条件共同影响。研究表明,通过改变三门峡水库的运用方式,潼关高程是可以下降的,下降的幅度取决于来水的丰枯。在三门峡水库全年敞泄运用条件下,遇到不利的来水条件,潼关高程可以比目前下降0.9m,而在有利的来水条件下潼关则可以下降2m。因此,当水库采用全年敞泄运用时,在各种不同的来水条件下,潼关高程下降1~2m应该是可能的。

  (2)在汛期敞泄的情况下,非汛期控制水位315m运用与全年敞泄运用相比对降低潼关高程有一定的影响,随着非汛期控制水位的降低(低于315m),这种影响变得很小。

  (3)在水库采用相同的运用方式-全年敞泄运用下,来水的丰枯对潼关高程的下降有明显影 响。如偏丰系列的方案4以及枯水系列的方案5可以分别把潼关高程由目前的328.15m降到326.12m和327.25m。

  (4)仅仅依靠停止目前机组发电,将机组的进水管改成泄流洞来增加泄流能力,对降低潼关高程的作用是不明显的。因此,如果要通过增加泄流能力来改善潼关高程,建议应在300m高程以下大幅度增加泄流能力。

  (5)小北干流与渭河、洛河的汇流区对潼关高程影响甚大。目前的数学模型对这样复杂的汇流区很难精确模拟,为了更好地了解汇流区对潼关高程的影响,实施河工模型试验是非常必要的。

参考文献

[1] 中科院地理研究所渭河研究组.渭河下游河流地貌 [M].科学出版社,1983年.

[2] 叶青超等.渭河下游河流地貌[M].科学出版社,1983年.

[3] 焦恩泽,侯素珍,林秀芝.潼关高程演变规律及其成因分析[C].三门峡 水利枢纽运用四十周年论文集.黄河水利出版社,2001年.

[4]邢大韦等.影响三门峡库区潼关高程的主要因素和控制措施[C].三门峡 水利枢纽运用四十周年论文集.黄河水利出版社,2001年.

[5]涂启华等.三门峡水库未来形势与任务展望[C].三门峡水利枢纽运用四 十周年论文集.黄河水利出版社,2001年.

[6] 陕西省水利厅.三门峡水库给陕西带来的灾害及治理对策建议.2001年12 月.

[7]韩其为,何明民.水库淤积与河床演变的(一维)数学模型[J].泥沙研 究,1987,(3).

[8]郭庆超,何明民,韩其为.三门峡水库(潼关至大坝)泥沙冲淤规律分析 [J].泥沙研究,1995,(1).

[9]中国水科院泥沙所.降低潼关高程可行性的数学模型计算与分析研究.20 02年6月.

 作者简介:郭庆超(1965-),男,中国水科院教授级高工。

基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(G1999043604)资助 。