小浪底水庫進一步水沙調(diào)控亟待研究的問題

陳建國 ，周文浩 ，陳 強

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點試驗室，430072，武漢；2.國際泥沙研究培訓(xùn)中心，100048，北京；3.中國水利水電科學(xué)研究院，100048，北京）

小浪底水庫于1999年10月下閘蓄水,目前，正在進入“攔沙后期”。水庫已為黃河下游河道的防洪、減淤作出了重大貢獻，同時也出現(xiàn)了一些新情況?？偨Y(jié)10年來的經(jīng)驗，進一步探求延長水庫壽命、擴大水庫對下游防洪減淤的途徑，具有重要的現(xiàn)實意義。

一、10年來黃河來水來沙特點及小浪底水庫的運用

10年來，黃河的水量、沙量大幅度減少。2000—2008年潼關(guān)站的平均年徑流量為210.9億m3，平均年輸沙量為 3.34億t，分別是 1952—2000年平均年徑流量（364.7億m3）及平均年輸沙量（11.85億 t）的 57.8%及 28.2%,為設(shè)計小年系列平均年水沙量的69.8%及24%。水沙年內(nèi)分布也有變化，汛期徑流量占全年百分比由1985年前的60%降為38%。

1999年10月，水庫下閘蓄水。2000年7月以后，水庫基本采用設(shè)計運行方式：主汛期（7—9月），起調(diào)水位205m，以控制花園口斷面2600 m3/s為調(diào)控的上限流量；調(diào)節(jié)期（10—6月），水庫按下游用水及防凌等要求適時調(diào)控；調(diào)沙期（6—7月），利用水庫汛前騰空水量或在汛期一定水沙條件下進行水庫調(diào)水調(diào)沙。水庫下泄泥沙的主要方式是水庫的異重流排沙。

二、小浪底水庫對黃河下游河道的貢獻

1.下游河道呈全河性沖刷

小浪底水庫運用后，黃河下游河道呈全河性沖刷。1999年9月—2008年10月，共沖刷泥沙12.829億m3（17.961 億 t），同期下游河道來水（花園口站）2083.2億 m3，沖刷 1 m3泥沙平均需水量 162.3 m3（116 m3/t）。 由于黃河下游河道水流挾沙力與流量的高次方成正比，2000—2007年，汛期來水量雖僅占年來水量的38%，河道沖刷量卻占年沖刷量的71.2%。

2.河道斷面擴大，形態(tài)趨于窄深

在水庫下泄清水的沖刷下，黃河下游河道斷面普遍擴大。1999年10月—2007年10月，高村以上河段全年擴大1775～3597 m2；高村以下全年擴大532～764 m2。斷面形態(tài)也相應(yīng)變化，1999年10月—2006年10月，夾河灘以上河段擴寬達420～450 m，河床沖深1.49～1.32 m，斷面形態(tài)參數(shù)（）則減少4.7～5.9，河道趨于窄深；高村以下河段，河寬基本不變，水深則有明顯增加，斷面更趨于窄深。斷面面積擴大和形態(tài)趨于窄深，對于增強河道的泄洪排沙有利。

3.河道泄流能力增加

以平灘流量表示河道的泄洪能力，1999年汛前—2008年汛前，高村以上的平灘流量增加2200～2600 m3/s，增長70%～81.5%。高村至利津河段增加700～1100 m3/s，增長 22.6%～34.4%。

4.同流量下的水位下降

衡量河道泄流能力變化的另一個指標是同流量下水位的變化。1999年8月—2006年8月，2000 m3/s流量時下游各水文站的水位下降0.8～1.6m，其中高村以上各站下降1.3 m以上。

黃河下游是著名的堆積性河道。20世紀80—90年代，在特殊的水沙條件下，河道嚴重萎縮，1999年汛前與1985年汛后相比，平灘流量減少了46.7%～61.8%。所以，小浪底水庫攔沙初期，已使黃河下游河道擺脫了連年萎縮，出現(xiàn)全面復(fù)蘇的新局面。

5.調(diào)水調(diào)沙增加了下游河道沖刷

2000—2008年，小浪底水庫共進行了8次調(diào)水調(diào)沙，共計下泄水量294.54億m3，下游河道全線沖刷，共沖刷泥沙3.274億t。沖刷主要發(fā)生在河槽內(nèi)，增加了河道泄洪能力，在下游河道的復(fù)蘇中起到了重要作用。

上述8次調(diào)水調(diào)沙本質(zhì)上屬于人造洪峰。它對下游河道的沖刷作用，目前在評估上存在一些誤區(qū)，主要表現(xiàn)在：

（1）對于調(diào)水調(diào)沙對下游河道沖淤影響估計過高

小浪底水庫下泄清水以后，下游河道沖刷包括了調(diào)水調(diào)沙引起的沖刷，洪水沖刷和非洪水（包括汛期非洪水及非汛期）沖刷。8次調(diào)水調(diào)沙進入下游的水量占總來水量的15.12%，河道沖刷量為同期總沖刷量的18.23%，調(diào)水調(diào)沙引起下游河道的沖刷量僅占總沖刷量為數(shù)不大的一部分。

（2）將年際平灘流量的增加值都算作調(diào)水調(diào)沙的影響

將年際（例如汛初）平灘流量的增大都看成是調(diào)水調(diào)沙的影響，同樣忽略了汛期洪水、汛期非洪水和非汛期來水對平灘流量增大的作用。根據(jù)2002年、2003年及2004年 3次調(diào)水調(diào)沙原型試驗結(jié)果，如以平均值衡量，3次原型試驗中下游河道平灘流量的增值分別為30 m3/s、214 m3/s和242 m3/s，而相應(yīng)3年的年際增值分別為 194 m3/s、796 m3/s和 321 m3/s，前者是后者的15.5%、26.8%和75.4%。

（3）將年際同流量水位下降看作調(diào)水調(diào)沙引起的結(jié)果

基于上述同樣的原因，調(diào)水調(diào)沙引起的下游河道的水位下降要比年際水位下降小得多。以2003年為例，2003年8月—2004年8月各水文站2000 m3/s水位下降的平均值為0.79 m，而2004年汛初調(diào)水調(diào)沙引起的水位降值為0.11 m，后者僅為前者的13.9%。

基于上述分析，對于已進行的調(diào)水調(diào)沙對下游河道沖刷作用的評估過于樂觀。

三、小浪底水庫水沙調(diào)控出現(xiàn)的新情況

小浪底水庫水沙調(diào)控出現(xiàn)了一些不可忽視的新情況，歸結(jié)起來主要有兩個方面：①下游河道的沖刷效果逐漸減弱，②水庫的庫容損失沒有在下游河道沖刷中得到充分回報。

1.下游河道沖刷效果逐漸減弱

（1）調(diào)水調(diào)沙對下游河道的沖刷效果越來越小

對比幾次來水量大體相近的調(diào)水調(diào)沙試驗，如表1所示，2003年、2007年兩次調(diào)水調(diào)沙，進入下游河道的水量分別為25.91億m3和25.59億m3。前者在下游河道沖刷泥沙0.456億t，后者沖刷0.0003億t，兩者的沖刷用水量（沖刷1t泥沙需用水量）及沖刷效率 （每立方米來水能沖刷的泥沙）也相差甚遠。2004年、2007年及2008年3次調(diào)水調(diào)沙也大體相似。

（2）洪水對下游河道的沖刷越來越小

取進入下游水量接近的幾次洪水進行對比（見表1）。2003年8月洪水進入下游的水量9.23億m3，下游河道沖刷0.139億t；2005年7月洪水水量8.8 億 m3，河道沖刷 0.054 億m3；而2006年8月洪水水量增至11.2億m3，河道沖刷量僅為0.06億m3。2003年11月、2007年7月兩次洪水的情況相似。

（3）年沖刷量明顯下滑

2003年及2006年，進入下游的水量分別為 272.7億 m3和 281.1億 m3，下游河道沖刷量分別為5.055億t和1.799億t，減少了64.4%。沖刷用水量增加了1.9倍，沖刷效率則減少了65%。2004年、2008年的情況大體如此。

（4）沖刷效果減少的主要原因

水庫下泄清水以后，下游河道將通過河床縱剖面、橫斷面及河床組成的改變，來調(diào)整其水流的挾沙力，使之與新的來水來沙條件相適應(yīng)，其中以河床組成的調(diào)整對挾沙力的影響最為靈敏。小浪底水庫初期運用以來，黃河下游河道床沙明顯粗化。2000—2006年花園口站床沙中值粒徑由0.082 mm增大到0.20 mm，高村站由0.06 mm增大到0.135 mm，利津站由 0.046 mm增大到0.100 mm，全河普遍增大約2.25倍。河床表面已形成了一層粗化層，一方面增加了河床對水流的阻力，減弱了水流的挾沙能力；另一方面，表面較細泥沙的沖失，減少了河床對水流的泥沙補給。兩者的綜合影響，導(dǎo)致了下游河道沖刷效果的逐漸減弱。

2.水庫攔沙沒有在下游河道沖刷中得到充分的回報

一般地說，水庫攔沙必然使下游河道受到?jīng)_刷。攔沙愈多，沖刷量越大，意味著水庫攔沙在下游河道沖刷中得到的回報也越大。小浪底水庫運用以來，除了2003年外，基本上不存在水庫攔沙越多、下游沖刷量越大的現(xiàn)象。如1999年9月—2000年11月以及2000年11月—2001年12月，水庫分別攔沙 4.191億m3和 2.971億 m3，下游河道沖刷相應(yīng)為 1.054億t和1.091億 t；2004年 10月—2005年 10月及2005年10月—2006年 10月，水庫攔沙分別為2.911億m3和3.437億m3，下游河道則相應(yīng)沖刷了1.999億t和1.799億t。這種情況表明，水庫攔沙和庫容損失的代價并沒有在下游河道沖刷中得到應(yīng)有的回報，意味著一部分庫容被浪費了。

四、進一步水沙調(diào)控亟待研究的問題

小浪底水庫從攔沙后期至正常運行期之間，歷時較長，如何既減少河道淤積，又最大程度地優(yōu)化水庫的水沙調(diào)控功能，延長水庫壽命，對黃河的治理具有重要戰(zhàn)略意義。但是要實現(xiàn)這個目標，在指導(dǎo)思想和技術(shù)層面上，都還有不少疑難問題亟待研究，下面擇其數(shù)例。

1.確立小浪底水庫在水沙調(diào)控及下游河道治理中不可替代的地位

小浪底工程位于黃河中游下端，是黃河下游在三門峽以下能取得較大庫容的唯一重大控制性工程；它離黃河下游最近，對下游河道的作用最直接、最敏感，黃河中上游已建和擬建的大中型水利水電工程對水沙的任何改變，都只有通過小浪底水庫調(diào)控，才能對下游河道產(chǎn)生積極的作用，小浪底水庫的地位不可替代。

2.水庫運用理念由“攔沙減淤”轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢{(diào)沙減淤”，使水庫淤積和下游河道減淤和諧發(fā)展

用水庫淤積來減輕下游河道的淤積，這是多泥沙河流水庫建設(shè)規(guī)劃的一般準則，三門峽水庫的規(guī)劃就是在這一理念下進行的。三門峽水庫的教訓(xùn)和小浪底水庫10年實踐表明，單純的“攔沙減淤”，水庫淤積多，庫容損失快，得不償失。以水庫下泄清水的情況為例，如以河道沖刷量與水庫淤積量之比（河道沖刷量/水庫淤積量）作為水庫淤積效益，則提高水庫淤積效益的途徑是通過增加下游河道的沖刷量或者減少水庫的淤積量來實現(xiàn)。1960年9月—1964年10月，三門峽的淤積效益為0.52，就是因為庫區(qū)（包括黃河干支流）充分攔沙的結(jié)果。

表1 小浪底水庫水沙調(diào)控對下游河道沖刷的對比

小浪底水庫1999年9月—2008年10月，汛初調(diào)水調(diào)沙和汛期水庫沖刷減少了庫區(qū)淤積，淤積效益達0.72。2004年6月中旬—7月中旬，小浪底水庫與萬家寨、三門峽兩庫聯(lián)合調(diào)度，進行了第三次調(diào)水調(diào)沙試驗，后兩者的來水沖刷了小浪底水庫的尾部，沖起的部分細沙則以異重流排出庫外，加上汛期庫區(qū)的低水位沖刷，全年黃38—黃56之間沖刷達1.939億m3，全庫的淤積量僅1.17億m3，水庫的淤積效益達1.594。實踐證明：在水沙調(diào)控條件下，不僅可以在下游取得較多的沖刷效果，也可以明顯減少水庫的庫容損失，并取得較高的淤積效益，“調(diào)沙減淤”比單純的“攔沙減淤”具有明顯優(yōu)勢。因此應(yīng)使水庫淤積與下游河道減淤和諧發(fā)展。

3.水庫下泄泥沙的粒徑級配控制

為充分發(fā)揮下游河道輸沙能力，要求通過水庫下泄的流量（水量）、含沙量（沙量）及泥沙粒徑級配之間有比較優(yōu)化的組合。其中最為困難、至今還沒有實踐經(jīng)驗的是泥沙級配的調(diào)控。

三門峽水庫水沙運用的經(jīng)驗值得參考。本文僅舉所謂“攔粗排細”及“集中排沙”為例。

（1）水庫“攔粗排細”

“攔粗排細”是指上游來沙通過水庫調(diào)節(jié)之后，出庫泥沙中的粗顆粒（粒徑大于0.05 mm）泥沙含量百分數(shù)小于進庫的粗粒徑泥沙含量的百分數(shù)，而出庫的細顆粒泥沙（粒徑小于0.05 mm）含量百分數(shù)則大于進庫的細顆粒泥沙含沙量的百分數(shù)。三門峽水庫的經(jīng)驗表明，這種現(xiàn)象并不是永恒的，也不僅限于水庫的異重流排沙。根據(jù)三門峽水庫潼關(guān)以下庫區(qū)實測資料，“攔粗排細”現(xiàn)象只出現(xiàn)在水庫處于淤積狀態(tài)時，當(dāng)水庫處于沖刷狀態(tài)時則會出現(xiàn)“攔細排粗”，而不再是“攔粗排細”。這種現(xiàn)象在三門峽水庫的各種運用方式中都曾出現(xiàn)。

（2）水庫“集中排沙”

當(dāng)庫水位持續(xù)下降時，庫區(qū)沖刷形成水庫集中排沙，以1964年汛后水庫沖刷最為典型。1964年來水偏豐，三門峽最高蓄水位329.90 m （史家灘站，下同）。10月下旬以后，庫水位持續(xù)下降，至12月下旬降至306.16 m。水庫下泄流量則由4870 m3/s減少為827 m3/s。出庫含沙量由1.65 kg/m3增加為 33.5 kg/m3，最高達 84.3 kg/m3。 懸沙中值粒徑則由0.008 mm增大為0.04～0.05 mm，大于0.05 mm的粗沙占50%～60%，形成所謂的“小水帶大沙”“小水帶粗沙”局面，導(dǎo)致當(dāng)年11、12月下游河道分別淤積1.69億t及0.65億t。在小浪底水庫“調(diào)沙減淤”運用中，如果調(diào)控失當(dāng)，不僅可能出現(xiàn)“集中排沙”，在庫水位波動過程中也有可能出現(xiàn)“攔細排粗”的不利情況，值得注意。

4.擴大下游河道的輸沙能力

下游河道的輸沙能力是水庫水沙調(diào)控的關(guān)鍵，也只有擴大河道的輸沙能力，才能使水沙的調(diào)控更有活力。目前，影響下游河道輸沙能力的因素有兩大方面：

（1）河床粗化引起的輸沙能力的降低

黃河下游河道經(jīng)過10多年的清水沖刷，河道邊界條件發(fā)生了明顯改變，其中全河斷面的窄深化對于提高輸沙能力是有利的，但是比降調(diào)平特別是河床粗化卻削弱了河道的輸沙能力。改變這種情況唯一的辦法是依靠小浪底水庫的水沙調(diào)控。這一點在小浪底水庫排沙后期漫長的歲月里特別重要。但是如何通過小浪底水庫的調(diào)控既改善河床粗化狀況以提高下游河道的輸沙能力，又保持河床的基本穩(wěn)定，在泥沙運動力學(xué)和河床演變理論上都有進一步研究的空間。

（2）駝峰河段輸沙能力的提高

東壩頭—艾山河段，處于1855年銅瓦廂決口后形成的次生沖積扇頂坡上。由于歷史背景和地理環(huán)境的影響，這個次生沖積扇仍在發(fā)展，頂坡不斷抬高，前坡下延，現(xiàn)在頂點已位于孫口—艾山一帶，成為下游河道的 “駝峰”河段。它上距小浪底水庫400余km，下距黃河河口也有400 km。受小浪底水庫下泄的有利水沙條件和河口變化引起的溯源沖刷的影響都比較小，這是擴大這一河段輸沙能力的難點所在。

5.小浪底水庫的高含沙調(diào)控

自1970年以來，一些治黃工作者根據(jù)高含沙水流的特點，提出小浪底水庫進行高含沙水沙調(diào)控和下游河道高含沙輸沙的設(shè)想，并進行了大量的研究，取得了不少有價值的成果，但從小浪底水庫水沙調(diào)控決策的角度，水庫和下游河道都還有一些難題需要突破。

（1）水庫水沙調(diào)控

水庫高含沙調(diào)控主要難點在于水庫“造濃”和下泄泥沙級配的控制。所謂“造濃”，是指水庫通過合理運用和適當(dāng)措施，產(chǎn)生具有一定含沙量和一定級配組成的高濃度水流下泄。三門峽水庫在20世紀60—80年代曾通過一些高含沙洪水，下泄的洪峰流量 2000～5000 m3/s，沙峰含沙量 300～500 kg/m3。粒徑小于0.025 mm的細泥沙占48%，粒徑在0.025～0.05 mm的中泥沙占25%，粒徑大于0.05 mm的粗泥沙占27%。即使這樣的高含沙洪水，在下游還是出現(xiàn)了嚴重的淤積問題。1969—1973年三門峽水庫第二次改建期間，8次高含沙洪水，加上潼關(guān)以下庫區(qū)沖刷的泥沙7.25億t一起下泄，下游河道共淤積25.73億t泥沙，成為黃河下游河道淤積最嚴重的時期之一。所以水庫的高含沙調(diào)控比一般的水沙調(diào)控要復(fù)雜得多。小浪底水庫是一個狹長的峽谷型大型水庫，在這樣的水庫中“造濃”，國內(nèi)均無先例。

（2）下游河道高含沙水流的長距離輸沙

黃河下游河道通過的高含沙水流與一般挾沙水流一樣都是紊流兩相流，水流挾帶的泥沙在沿程落淤的同時，顆粒組成有分選，導(dǎo)致挾帶的泥沙沿程細化，這有利于山東河段的輸沙。在小浪底水庫實施高含沙調(diào)控之后，這些特點仍然存在，但如果把寬河段過分束窄，高含沙水流的分選作用必將削弱，大量中粗泥沙進入山東河段以后，會形成何種局面？高含沙洪水在下游河道中的輸移與河道整治及對山東河段河道的影響，需要統(tǒng)一研究。

6.“調(diào)沙減淤”水沙調(diào)控模式的建立和調(diào)控體系的運用

小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的本質(zhì)是充分利用下游河道的輸沙能力，以排泄更多的來自水庫下泄的泥沙入海，既減少下游河道的淤積又減少水庫淤積并延長水庫壽命。汛期洪水多，所以水庫的水沙調(diào)控主要是加強汛期的水沙調(diào)控。為此，除了掌握水庫及河道水沙運動一般規(guī)律外，還需要水庫上下游地區(qū)的氣象、水文和大型工程的運行等資訊的支持，以建立包括氣象、水文、干支流來水來沙、大型工程泄流排沙以及小浪底水庫上游和下游河道沖淤在內(nèi)的數(shù)模體系，為優(yōu)化小浪底水庫水沙調(diào)控模式提供有力的工具。

五、結(jié) 語

①小浪底水庫運用以來，下游河道全線沖刷，過水?dāng)嗝鏀U大，形態(tài)趨于窄深，同流量下的水位降低，平灘流量增加，小浪底水庫已使黃河下游河道擺脫了連年萎縮的局面，開始全面復(fù)蘇。利用水庫汛前為度汛需要騰空水庫的水量，以人造洪峰的形式調(diào)水調(diào)沙，對下游河道復(fù)蘇起到了重要作用。

②目前下游河道沖刷出現(xiàn)了新的情況，一是由于河床泥沙粗化，同樣水量下的沖刷量逐漸減少，河道沖刷效果逐漸降低；二是水庫攔沙引起的相應(yīng)庫容損失沒有在下游河道沖刷中得到應(yīng)有的回報，浪費了部分庫容。

③小浪底水庫是黃河干流在三門峽水庫以下能得到較大庫容的唯一控制性工程。中上游大中型水利水電工程對水沙變化的任何改變，都必須通過小浪底水庫的調(diào)控才能對下游河道產(chǎn)生積極有利的作用，小浪底水庫的地位不可替代。應(yīng)當(dāng)在下游河道減淤的基礎(chǔ)上，盡可能減少水庫淤積，延長其壽命。小浪底水庫當(dāng)前正進入攔沙后期，水庫水沙調(diào)控的理念應(yīng)適時由單純的 “攔沙減淤”轉(zhuǎn)變?yōu)?“調(diào)沙減淤”，建立新的水沙調(diào)控模式，使水庫淤積與下游河道減淤和諧發(fā)展。

④小浪底水庫以 “調(diào)沙減淤”為目的的水沙調(diào)控運用是一個新的問題，還存在一系列疑難問題亟待研究，以便為確立小浪底水庫以“調(diào)沙減淤”為目的的水沙調(diào)控模式和水庫運行方式提供科學(xué)基礎(chǔ)。

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