内蒙古万家寨水库上游凌情分析

内蒙古万家寨水库上游凌情分析

万家寨水库位于黄河上游，水库高度982.00m，库共8.96亿3m，调整4.45亿3m。设计水库最高蓄水位980m,正常蓄水位977m,防汛限制水位966m。万家寨水利枢纽于1998年10月1日下闸蓄水,由于运行后,改变了河道的天然条件,凌情发生了很大变化。库区河道由枢纽运用前以淌凌为主变为稳定封冻,而且每年初始封河期和开河期易在水库回水末端或弯道处形成冰塞和冰坝,产生凌汛灾害。1万家墩水利工程万家寨水利枢纽大坝至头道拐水文站测验断面距离为114km,右岸为内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗,左岸为内蒙古自治区呼和浩特市清水河县、托克托县和山西省偏关县。万家寨水利枢纽运行前,左岸托克托县毛不拉以上,右岸准格尔旗小滩子黑圪劳湾以上河段,即距万家寨水利枢纽约86km以上河段,为稳定封河河段。从1952年至万家寨水利枢纽建成运行前46年时间内,仅有1981,1988,1989年3年头道拐以下未出现封河现象,其余年份全部封河。而黑圪劳湾以下至万家寨水利枢纽下游马栅河段由于河道比降大,水流速度大,该河段一般冬季不封河,河道仅有岸冰和流凌花,整个冬季以淌凌为主,封冻期不产生冰塞险情。开河期大量凌块下泄至马栅河段,个别年份在马栅河段产生堆冰险情。万家寨水利枢纽运行前,头道拐至大坝前河道冰凌顺利下泄,封河期不产生冰塞阻水,开河期不产生冰坝险情。没有凌汛灾害发生。2封冻阻水所影响万家寨水利枢纽工程地处黄河干流头道拐以下至龙口峡谷河段内,枢纽工程下闸蓄水后,使原来天然河道水力特性发生了改变,由于大坝拦冰阻水,使不封河的河段封冻,凌期在库区回水末端堆积,在库尾形成冰塞、冰坝,壅高黄河水位,两岸村庄、公路、工厂受淹,造成较大的经济损失。枢纽为减轻凌汛灾害损失,被迫降低水位运行,运行3年来有2年约20d开河期水位降至最低发电水位以下,连带造成发电经济损失。2.1封冻河段托县毛不拉(对岸鄂尔多斯市准旗黑圪劳湾)至万家寨库区河道全部封冻,封冻河段增长86km,使得内蒙古防凌战线加长,防凌任务加重。2.2冰坝上冰坝的形成原因万家寨库区上游封冻河段根据成因可分为3段:①为窑沟火车站以下至大坝为平封段;②为窑沟火车站至曹家湾河段为立封段;③曹家湾以上河段为平立封交叉段,主流处立封,其它为平封段。封开河期间产生冰塞冰坝成因如下:万家寨水利枢纽下闸蓄水后,库水位抬高形成了水库回水区。水流进入回水区后,由于过水断面增大,水流速度锐减,在水面宽度变化不大的情况下,冰花的流凌密度急剧增加。当冰花的流凌密度达到80%以上时,冰花插堵形成封河,这时可视作冰塞形成。继续入库的冰花遇到冰塞阻挡后,一部分潜入水下粘附在潜在断面以下的冰花体下部增加冰花厚度,另一部分平铺上延使冰塞长度增加。冰塞形成后,随着入库冰花的继续入库,冰塞不断延长。同时,形成冰塞的部分河段由于冰花的重新调整出现清沟、亮子,进而形成畅流河段。畅流河段的上游冰塞体受两岸边界影响不会马上溃决。从水库投入运用以来的4个冰期情况看,丰准铁路桥桥墩和牛龙湾弯道阻冰作用比较明显。与冰塞相比,形成冰坝的成因比较复杂。在开河期,水库回水末端到头道拐断面并不是同时开河,也不是从下往上依次开河,而是分段开河,未开河段阻挡上游开河冰块形成冰坝。冰坝壅水高度与冰坝的支撑因素、气温、开河的冰层强度、流量等因素有关。由于这些因素不易观测,目前计算冰坝壅水高度还有一定困难。万家寨水利枢纽运行3年来发生较为严重的冰塞2次,冰坝3次。2.3库尾凌灾情报复流,影响上游进线能力万家寨水利枢纽库区封河时库区静水面先封河,形成库面冰。开河时库内静水既坚硬又后开,对上游来冰有顶托作用。库尾主要卡冰河段位于窑沟火车站至交通水泥厂,该河段湾道多,河道窄,天然卡口多,尤其铁路大桥桥墩阻冰严重,无论是开河期,还是封河流凌期,该河段形成冰塞、冰坝后,最高壅水高度均在7m左右,尽管水库留有足够的蓄冰库容,但上游来冰难以入库。由于万家寨特殊的地理位置及库尾特殊的地势条件,库尾凌汛灾害可能每年都会发生。例如1998~1999年在封河时形成了严重的冰塞、开封河时形成了严重的冰坝,水位壅高5~7m。1998~1999年度在库区小沙湾处首先卡冰封河,继而向上发展,到1月11日万家寨至头道拐整个河段全部封河。另一方面,上游潜入冰盖下的大量冰花容易在水库回水末端堆积,形成冰塞,冰塞壅水严重,将会对上游产生灾害。1999年3月开河期,包头市土默特右旗至呼和浩特市托克托县东营子以上河段先解冻,已解冻冰凌向下游运行,在喇嘛湾公路大桥下游清水河县曹家湾、三道塔一带,冰凌堆积,堆冰长度6.5km,阻塞河道,造成已开河段冰凌行凌不畅,河水上岸。呼和浩特市清水河县海拔983.5m高程以下和鄂尔多斯市准格尔旗部分沿河村庄、工矿企业、扬水站等进水受淹。万家寨水利枢纽运用后,内蒙古头道拐以下河段的冰凌灾害有所加重。2.4主要防凌因素1998~1999年度头道拐水文站1月11日封河,较48年来均值偏晚28d;而开河又较常年偏早,3月4日开河,较49年来均值早18d,整个封冻期为52d。较年均封冻期97d少45d。1999~2000年度头道拐水文站12月19日封河,较均值偏晚5d,3月24日开河,较均值偏晚2d,封冻期为95d。2000~2001年度头道拐12月25日封河,较均值偏晚11d,3月18日开河,较均值提前4d,封冻期为84d。从这3个防凌年度来看,造成1998~1999年度万家寨库尾严重冰塞、冰坝险情灾害,其中一个重要因素是头道拐封河晚、开河早,大量凌块下泄到万家寨库尾河道内堆积所致,而后2个防凌年度,由于头道拐封冻期长,开河也较晚,大量冰凌在头道拐河段拦截下融化在头道拐以上河道内,下泄冰量少,形成堆冰少,冰塞、冰坝险情较轻。因此,头道拐水文站封冻期的长短,直接关系到下游来凌量的变化,而来凌由于万家寨水利枢纽阻挡,全部堆积在库尾。从防凌角度来考虑,应采取措施延长头道拐水文站封冻期,即尽量控制提前封河,较晚开河。从而减少库尾冰凌,减轻凌汛灾害损失。3水位指标从“常化”到“加化”在不考虑冰塞、冰坝壅水的情况下,以1998年库水位960m为基点,1999,2000年提高万家寨库区水位5m,即965m,对上游河道影响较大,从实测水面线高程看出,小沙湾水位平均提高3.05m,最大提高4.1m;浑河口水位平均提高1.15m,最大提高1.30m;交通水泥厂平均提高水位0.27m,最大0.7m;曹家湾平均提高水位0.65m,最大0.90m;喇嘛湾镇平均提高水位0.15m,最大提高水位0.3m;章盖营水位变幅为0m。由上可知,在畅流期,万家寨水利枢纽库水位从960m提高到965m时,上游水位相应抬高,从大坝往上影响逐步减轻,到章盖营子以上水位基本不受影响。但封开河期的壅水高度,除遵循畅流期的规律外,还受冰塞、冰坝几何特征、物理特征、上游水量的动力特征、气温特征、河道边界等影响,目前还无法准确测算。4预防凌乱措施4.1移民安置安置线的确定库尾段移民安置搬迁线应长远考虑确定为990m,近期按987m以下搬迁。由于万家寨水利枢纽蓄水发电,抬高了黄河河道水位,致使内蒙古自治区从不封冻的托克托县以下河段,连年封河,且封开河期间卡冰结坝、险情灾情不断发生。凌水淹没范围上延到喇嘛湾大桥附近984m高程以上,超过了原设计搬迁高程。因此,原移民搬迁线应当抬高。由于凌汛的复杂性,影响因素较多,而且水库运行时间仅4年,凌汛期冰凌运动变化尚需观察研究。另外,黄河水含沙量大,泥沙淤积严重,库尾淤积上延,库尾段河道势必抬高,水位也将随之上升。因此,建议移民安置搬迁线按990m高程确定。分2期进行,第一期工程按987m以下村庄搬迁。4.2开河期调整工程在水库实施987m高程以上搬迁工作和采取防护措施之前:封河期及稳定封河期库水位控制在955~960m之间;开河期按955m以下运行。开河期紧急情况下应将万家寨水利枢纽库水位降至952m。在水库实施987m高程以下搬迁工作和采取防护措施之后,可以考虑水库水位逐渐提高。封河期及稳定封河期按965m高程以下运行;开河期按960m高程以下试运行。当遇卡冰结坝出现壅水等紧急情况下仍需继续降低水位运行。加强实施调度工作,确保库尾平稳开河。4.3大量弃渣破坏了洪水下泄从喇嘛湾公路大桥至丰准铁路桥之间的黄河河道内,两岸数10家采石厂向河道倾倒大量弃渣,恶化了河道流势,严重地阻碍了洪水下泄,凌汛期成为诱发卡冰结坝的因素。近年来虽然进行