入流强迫与理想化垂向床面级配对水库浊流传播过程的影响——小浪底事件尺度敏感性研究

《Water》：Effects of Inflow Forcing and Idealized Vertical Bed Gradation on Reservoir Turbidity-Current Propagation: A Xiaolangdi Event-Scale Sensitivity Study

　　

浊流（turbidity current）在水库中输移细颗粒泥沙，其传播过程受不断变化的入流条件以及与床面的泥沙交换共同影响。本研究利用经野外观测率定的二维分层平均模型（two-dimensional layer-averaged model），对2004年小浪底（Xiaolangdi）调水调沙运行期间的第一次浊流事件开展研究。以观测前锋位置进行率定，得到约1.8 km的均方根误差（root-mean-square error，RMSE）和0.90的纳什效率系数（Nash–Sutcliffe efficiency，NSE）。模拟的浊流由初始侵蚀主导阶段演化为下游减速、淤积与衰减。更强的水动力强迫、更高的含沙量以及更长的高强度入流总体上促进下游输移。在累积水量与泥沙总量相等的条件下改变入流的时间分配，改变了传播过程与终点输移距离，表明入流输入时机是与总输沙量并列的控制因素。两种分层床面由厚度相等、垂向顺序相反的层组成，且与均质参照床面具有相同的综合粒度组成；这些构型相对参照床面对前锋推进的改变幅度有限，并改变了局部流速与响应时间。模拟的粒度分布揭示了泥沙分选的空间变化。综合来看，这些结果支持在水库尺度建模与泥沙输移路径的过程评估中，对入流强迫、床面泥沙可利用性与泥沙交换参数进行联合评价。

黄河中游穿行于黄土高原，泥沙主要来自降雨驱动的坡面、沟道侵蚀及滑坡等重力过程，悬移质以粉砂为主，粒度组成在空间与时间上高度变异；径流与泥沙供给的时空不均及长期河道淤积加剧了下游洪水风险。自2002年起，黄河通过万家寨、三门峡、小浪底等水库的协调运行实施调水调沙（water–sediment regulation），调整下泄水沙的时机与量级，以动员库区与河道淤沙并维持河道输沙能力。小浪底水库位于峡谷河段，坝址距三门峡大坝约130 km，正常蓄水位275 m（以黄河基准面计），库尾已发育明显淤积三角洲。2004年第三次调水调沙试验中，三门峡于7月5日开启底孔下泄清水冲刷库尾三角洲，触发第一次浊流事件：含沙水流在HH35附近潜入清水之下，沿库底向下游传播，前锋于7月5日18:10抵达HH34、6日18:56抵达HH5，在24 h 46 min内行进50.46 km，平均速度约0.57 m/s，随后在HH5下游耗散、未到达大坝。该事件集中体现了水库泥沙调度的核心矛盾——泥沙被动员并不等于成功输移至坝前，调度成效既取决于泥沙起动，更取决于浊流本身的传播过程。既有水库尺度研究多聚焦入流条件与闸门运行对浊流传播的控制，对床面垂向结构——即床沙级配垂向分层——如何影响浊流持续性关注明显不足：在垂向分层床面中，侵蚀过程中暴露的粒度组分决定可供挟带的泥沙数量与组成，进而改变浊流含沙量的维持能力与传播距离。因此，研究人员在统一建模框架内评估入流强迫与理想化垂向床面分层对浊流传播的影响，并检验经验挟沙参数的敏感性，为水库尺度泥沙输移路径（sediment routing）的过程评估提供依据。

研究人员采用Hu与Li发展的二维分层平均（two-dimensional layer-averaged）模型并嵌入基质层（substrate-layer）模块表征床面垂向非均匀性。模型求解浊流层深度积分（depth-integrated）的质量、动量与泥沙守恒方程，耦合侵蚀、淤积与床面变形；泥沙以15、37.5、75 μm三个粒径级表示，沉速采用Zhang公式。计算域自HH32延伸至HH01，采用非结构化三角网格（28,931个单元）离散，时间步长按CFL条件（库朗数0.9）控制。床面分为活动层（active layer，厚0.1 m）与下层基质层，共追踪6 m厚、100个子层的粒度变化。基线入流边界依据HH32断面野外观测构建，模型以观测前锋位置率定经验系数γ，所得均方根误差（RMSE）约1.8 km、纳什效率系数（NSE）为0.90。模拟复现2004年7月5日20:24启动的浊流事件，观测数据采自7月5–11日的断面与主泓线联合测量。

4.1 入流强迫对传播和泥沙输运的影响

4.1.1 入流水动力强迫的影响
HU系列改变界面高程与入口流速而保持含沙量过程不变。强迫越强，下游输移越远、传播时间越短：减弱的HU1在L₂₄处明显落后，增强的HU3、HU4显著推进并提前到达L₂₄及更下游断面，在B0尚未抵达的时段即已到达。HH17断面的峰值流速与含沙量随强迫增强而升高，峰值含沙量约翻倍；但下游局部含沙量峰值并未随强迫单调增加，部分断面的短暂峰值甚至超过增强案例。

4.1.2 入流含沙量的影响
C系列在固定界面高程与流速下改变含沙量。测试范围内含沙量越高、输移越远：低含沙的C1在L₂₄处距离缩短，高含沙的C3、C4明显推进并提前到达，C4在模拟期内即达L₂₄而C3始终未达。HH17的峰值流速与含沙量随含沙量提高而增加，但下游各断面局部含沙量峰值排序并不一致；入口含沙量同时改变密度强迫与累积输入，二者贡献无法通过比较分离。

4.1.3 入流历时的影响
T系列改变高强度入流历时。更长的高强度入流在事件后期维持下游输移：T3初期与B0相近，随后明显领先，终点推进明显超出B0并提前到达L₂₄；T1推进明显受限。历时效应在持续响应阶段较初始流速峰值更明显：HH17处T3在指定时刻的流速、厚度与含沙量均显著高于B0，而T1在下游HH13、HH09断面24 h内无明显响应，差异反映持续强迫与累积水沙输入变化的共同作用。

4.1.4 固定总输量下的时间再分配
TM系列在累积水量与泥沙总量均与B0相同的前提下重排入流时序。时间再分配同时改变传播历史与L₂₄处终点位置：TM1初期领先但约[X]后被B0反超，TM3大部分时段落后，两案例终点均明显落后B0且到达滞后。等累积输入未产生等量输移，证实入流输入时机是与总输沙量并列的控制因素。

4.2 垂向床面级配对浊流持续性的影响

4.2.1 前锋传播
研究人员将两种等厚、垂向顺序相反的床面级配（粗上细下uCdF、细上粗下uFdC）与综合粒度组成相同的均质参照比较。三种床面的前锋在最初12–18 h内接近，其后逐渐分离：L₂₄处粗上细下床面的推进较均质参照减小，细上粗下床面增大，三构型差异仅占参照位置的较小比例；粗上细下通过L₂₄滞后，细上粗下提前，差异主要出现在传播后期。

4.2.2 局部厚度、流速和含沙量响应
垂向床面分层主要改变局部峰值流速与响应时间，厚度与含沙量峰值相近。HH09处粗上细下床面使峰值流速的减小幅度明显小于其对前锋位置的影响幅度，说明床面级配对局部动力过程与整体传播的影响并不一致；初始局部响应在粗上细下床面延迟、在细上粗下床面提前，各断面的响应时序与含沙量峰值范围亦随之改变。

4.3 床面响应与沉积特征

4.3.1 悬移质组成的演变
沿CS A–A断面的模拟显示悬移质存在明显时间分选：早期细颗粒并非在整个浊流体内占优，下游加宽区间内粗、中颗粒比例上升；随时间推移悬移质逐渐以细颗粒为主，后期大部分剖面细组分接近1，呈总体下游变细趋势。

4.3.2 床面粗化与随后的细化
床面粒度场呈近表面粗化、其后局部细化：粗化表面带中值粒径（D₅₀）约35 μm，显著高于下伏均质材料；后期出现约29 μm的细化表面带，且细化亦发生于床面高程低于初始水平的区间，表明局部细化伴随净河床冲刷；粗化期D₅₀明显增加、细化期明显减少。

4.3.3 继承层理与浊流诱导分选
t=3 h时三种床面构型均在近表面形成粗带，叠加于各自初始上层序的亚表面粒度格局之上；各构型亚表面中值粒径与初始上层中值粒径一致，说明浊流通过期间的分选改变了床面表层，同时保留了初始床面结构遗留的粒度对比。

讨论部分指出，入流情景表明下游输移同时受控于强迫强度与时序，支持对入流强度、含沙量与历时的联合评估，并将前锋推进与输移时间作为比较候选水沙过程的过程指标。床面情景揭示了基质暴露与表面粗化之间的竞争：细颗粒基质暴露可增加慢沉降细颗粒供给、维持驱动浊流的密度亏缺，而选择性移除暴露细颗粒又使床面粗化、抑制后续侵蚀，二者共同构成解释浊流通过期间泥沙可利用性的物理框架。对经验系数γ的敏感性试验表明，其减小与增大分别使L₂₄处前锋位置相对B0减小与增大，证实挟沙强度显著影响模拟期内的下游传播。研究同时说明，局部流速、厚度与含沙量模拟的负NSE值表明其误差超过以观测均值作常值估计，局部记录存在时间采样稀疏与浊流界面识别不确定的问题；层平均（layer-averaged）公式代表深度积分的流动与泥沙输运，聚焦垂向结构、潜入过程或详细闸门水力学需更高空间分辨率，外推至其他事件或水库则需独立评估传播与局部流动性质并施加场地特异性约束。

本研究考察了入流强迫、泥沙供给与床面结构对水库浊流演变的影响，以经观测前锋位置率定的二维分层平均模型模拟了2004年小浪底调水调沙运行的第一次浊流事件，模拟浊流由早期侵蚀主导阶段演化为下游减速、淤积与衰减。入流强度与时序共同控制下游输移：增强入口流速使L₂₄处前锋位置显著改变，更高含沙量与更长高强度入流总体上促进输移；等累积水量与泥沙总量下的时间再分配亦改变了传播历史与终点输移，表明入流输入时机是与总输沙量互补的控制因素。垂向床面分层在几乎不改变终点前锋位置的情况下，改变了局部流速、响应时序与粒度分布；经验挟沙系数的变化亦使前锋位置发生可测移动。研究认为，水库浊流建模应联合评估入流历史、床面组成与泥沙交换参数，水库泥沙调度应评估入流强度与历时对下游运动的维持作用及沿程泥沙可利用性，该联合视角将水文过程设计与可侵蚀床面条件相联系，为调节水库泥沙输移路径比选提供了过程性框架。