基于下游河道中水河槽維持的小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式研究

陳翠霞 盧嘉琪 吳默溪 韋詩(shī)濤 崔振華

摘 要：小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來，為實(shí)現(xiàn)下游河道減淤，水庫(kù)運(yùn)用方式以蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用為主，下游河道輸沙能力較低。當(dāng)前，黃河下游河道適宜的中水河槽規(guī)模（泄流能力為4 000 m3/s）已形成，長(zhǎng)期維持該河槽規(guī)模，充分發(fā)揮黃河下游河道輸沙能力輸沙入海，成為當(dāng)前及今后一個(gè)時(shí)期水庫(kù)減淤調(diào)度的新要求。根據(jù)黃河下游1960—2016年306場(chǎng)非漫灘洪水實(shí)測(cè)資料，分析不同含沙量級(jí)、流量級(jí)黃河下游河道的沖淤效率和輸沙效率，提出含沙量在60 kg/m3以上的大流量洪水過程在下游河道具有較高的輸沙效率，但也容易造成河道淤積。進(jìn)一步提出基于下游河道中水河槽維持的河道輸沙對(duì)水庫(kù)運(yùn)用的要求，即當(dāng)下游河道中水河槽泄流能力維持在4 000 m3/s左右時(shí)，為提高河道輸沙能力，小浪底水庫(kù)可適時(shí)增加泄放含沙量不超過100 kg/m3的大流量過程;當(dāng)下游河道中水河槽泄流能力擴(kuò)大至4 500 m3/s以上時(shí)，小浪底水庫(kù)可適時(shí)增加泄放含沙量不超過200 kg/m3的大流量過程;若未來下游河道中水河槽泄流能力縮減至4 000 m3/s以下時(shí)，小浪底水庫(kù)調(diào)度仍以蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用為主，以重塑河槽規(guī)模。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明，小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式調(diào)整可提高下游河道輸沙能力，同時(shí)減緩小浪底水庫(kù)和下游河道的淤積，且在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持下游河道泄流能力為4 000 m3/s左右的中水河槽。

關(guān)鍵詞：河道沖淤;河道輸沙;中水河槽;小浪底水庫(kù);黃河下游

中圖分類號(hào)：TV145;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.007

引用格式：陳翠霞，盧嘉琪，吳默溪，等.基于下游河道中水河槽維持的小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式研究[J].人民黃河，2021，43（11）：35-38.

Study on the Operation of Xiaolangdi Reservoir Based on Maintaining the River Channel of

Median Water of the Lower Yellow River

CHEN Cuixia1， LU Jiaqi2， WU Moxi1， WEI Shitao1， CUI Zhenhua1

（1.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 45000 ?China;

2.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： The Xiaolangdi Reservoir has been mainly used for sediment trapping and water-sediment regulating in order to reduce sedimentation of the lower Yellow River after operation， which results in lower sediment transport efficiency. At present， a suitable river channel scale of median water with the bankfull discharge capacity of 4 000 m3/s has been formed in the lower Yellow River. Under this riverbed condition， how to maintain the river channel of median water of the lower Yellow River and give full play to the river sediment transport capacity becomes new requirement to the operation of the reservoir. This paper analyzed the sediment transport efficiency at different sediment concentration levels and discharge levels based on the measured data of 306 non-overbank floods in the lower reaches of the Yellow River from 1960 to 2016 and proposed that the downstream river channel had a higher sediment transport efficiency when the large flow with sediment concentration greater than 60 kg/m ?but it was also prone to cause sedimentation in the river channel. The paper further proposed the sediment transport requirement to the operation of the reservoir based on maintaining the river channel of median water of the lower Yellow River. In order to improve the sediment transport capacity of the downstream river， when the bankfull discharge capacity of the downstream river channel was about 4 000 m3/s， the Xiaolangdi Reservoir could discharge large-flow processes with sediment concentration less than 100 kg/m3. When the bankfull discharge capacity of the downstream river channel was greater than 4 500 m3/s， the Xiaolangdi Reservoir could discharge large-flow processes with sediment concentration less than 200 kg/m3. When the bankfull discharge capacity of the downstream river channel was less than 4 000 m3/s in the future， the Xiaolangdi Reservoir would still mainly trap sediment to reinvent the river channel. The calculation results of the mathematical model show that the adjustment of the operation mode of the reservoir can improve the sediment transport capacity of the downstream river， alleviate the sedimentation of the reservoir and the downstream river and maintain the river channel of median water with the bankfull discharge capacity of 4 000 m3/s for a longer period of time.

Key words： river channel scouring and silting; sediment transport; river channel of median water; Xiaolangdi Reservoir; Lower Yellow River

黃河是世界上著名的多泥沙河流，“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”的自然屬性導(dǎo)致黃河下游800多km的河道泥沙淤積嚴(yán)重，形成河床高于兩岸地面的“地上懸河”。中游小浪底水庫(kù)建成以前，1986—1999年下游河道年均淤積量2.3億t，平灘流量減小到2 000 m3/s以下，河道泄洪能力降低造成同流量水位抬升，嚴(yán)重威脅黃河下游防洪安全。1999年10月小浪底水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來，通過蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙，實(shí)現(xiàn)了下游河道沖刷[1-3]，河道最小平灘流量由2002年汛前的1 800 m3/s增加至4 300 m3/s。相關(guān)研究表明，河道適宜的中水河槽規(guī)模為4 000 m3/s[4]。

為充分發(fā)揮水庫(kù)綜合利用效益，近年來針對(duì)小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式開展了大量的研究。陳效國(guó)等[5]提出水庫(kù)攔沙后期逐步抬高水位運(yùn)用應(yīng)與適時(shí)降低水位沖刷相結(jié)合。余欣等[6]提出小浪底水庫(kù)攔沙后期利用大流量水流過程“多年調(diào)節(jié)泥沙，相機(jī)排沙出庫(kù)”可基本避免下游大沖大淤的不利局面。齊璞等[7]提出小浪底水庫(kù)在一般情況下不排沙，洪水漲水期集中排沙出庫(kù)，以提高下游河道的輸沙效率。李立剛等[8]提出小浪底水庫(kù)在初期運(yùn)行管理中采用了調(diào)控水位、異重流排沙、調(diào)水調(diào)沙、相機(jī)降低水位排沙、攔粗排細(xì)等綜合調(diào)度運(yùn)行方式，在減少水庫(kù)和下游河道的泥沙淤積方面取得了顯著效果。陳建國(guó)等[2，9]提出小浪底水庫(kù)運(yùn)用應(yīng)由“攔沙減淤”向“調(diào)沙減淤”轉(zhuǎn)變。各學(xué)者研究成果在小浪底水庫(kù)攔沙后期運(yùn)用方式上有基本的認(rèn)識(shí)，即在一般情況下水庫(kù)下泄清水，攔蓄易造成下游河道淤積的高含沙洪水，泄放有利于下游河道沖刷的清水或含沙量較低的水流過程。小浪底水庫(kù)20 a的運(yùn)用實(shí)踐主要以蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙為主，在這樣的運(yùn)用方式下，下游河道的輸沙效率較低。

當(dāng)前黃河下游河道適宜的中水河槽規(guī)模已經(jīng)形成，河床發(fā)生粗化，河道沖刷效率降低，為水庫(kù)調(diào)整運(yùn)用方式來提高下游河道的輸沙能力創(chuàng)造了有利條件。筆者基于以往研究成果，分析黃河下游河道邊界條件變化，根據(jù)下游非漫灘洪水實(shí)測(cè)資料分析下游河道洪水沖淤特性和輸沙特性，基于維持下游河道中水河槽的前提，提出有利于提高下游河道輸沙能力的小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式，并分析運(yùn)用效果，以期為小浪底水庫(kù)近期調(diào)度提供參考。

1 研究方法和數(shù)據(jù)

1.1 小浪底水庫(kù)及其下游河道概況

小浪底水庫(kù)位于黃河中游最后一個(gè)峽谷河段，壩址下距花園口站128 km。壩址以上流域面積69.4萬km2，占黃河流域總面積的92.3%。工程開發(fā)任務(wù)以防洪（防凌）、減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電。水庫(kù)總庫(kù)容126.5億m 其中攔沙庫(kù)容75.5億m3。水庫(kù)運(yùn)用以來，為實(shí)現(xiàn)下游河道減淤，運(yùn)用方式以蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙為主，截至2019年4月水庫(kù)累計(jì)淤積泥沙34.5億m3。

黃河干流自小浪底大壩以下，經(jīng)華北平原，于山東省東營(yíng)市墾利區(qū)注入渤海，河長(zhǎng)881 km。黃河下游水少沙多，小浪底水庫(kù)運(yùn)用前，黃河下游河床不斷淤積抬高，成為淮河和海河流域的天然分水嶺。小浪底水庫(kù)運(yùn)用后，下游河道實(shí)現(xiàn)全線沖刷，截至2019年4月河道累計(jì)沖刷泥沙30億t，河床平均沖刷下切2.5 m。

1.2 研究方法

數(shù)學(xué)模型采用黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司研發(fā)的RSS河流數(shù)值模擬系統(tǒng)一維模型[10]，該模型經(jīng)1999年小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來水庫(kù)沖淤資料、1960年以來下游河道沖淤演變資料進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，其計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差在10%以內(nèi)，符合模型計(jì)算精度要求。

1.3 研究數(shù)據(jù)

采用1960—2016年進(jìn)入黃河下游洪峰流量大于1 000 m3/s的非漫灘洪水共306場(chǎng)，分析下游河道洪水沖淤特性和輸沙特性，洪水總歷時(shí)2 468 d，其中高含沙非漫灘洪水（指進(jìn)入下游的洪水過程最大日平均含沙量超過300 kg/m3的非漫灘洪水）14場(chǎng)，歷時(shí)67 d?？刂扑恼舅迟Y料均來自水文站觀測(cè)數(shù)據(jù)，由黃河水利委員會(huì)整編和刊印，引水、引沙資料來自黃河水利委員會(huì)有關(guān)部門整編資料。

2 小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式調(diào)整的可行性

2.1 黃河下游河道邊界條件變化情況

黃河下游河道平灘流量穩(wěn)步增大，當(dāng)前適宜的中水河槽基本形成。平灘流量是反映主槽過流能力的重要參數(shù)，也是維持河槽排洪輸沙功能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。黃河下游平灘流量的增大對(duì)減小洪水漫灘及灘區(qū)小水受災(zāi)的概率發(fā)揮了重要作用。

下游河道河床粗化，河道沖刷效率降低。小浪底水庫(kù)運(yùn)用后，長(zhǎng)期清水沖刷導(dǎo)致黃河下游河道床沙粗化，床沙中值粒徑由0.05 mm左右增大至0.15 mm左右。汛期河道沖刷效率由2003年的20 kg/m3減小至1 kg/m3以下。

2.2 下游河道非漫灘洪水沖淤特性和輸沙特性

影響河道輸沙效率的因素有來水來沙條件、河床邊界、泥沙顆粒組成等。其中，來水來沙條件是影響河道輸沙的決定因素。將進(jìn)入下游河道的水流按洪水平均含沙量、平均流量劃分，根據(jù)洪水期間下游河道沖淤量和控制水文站水沙量資料，計(jì)算得到下游河道非漫灘洪水沖淤效率和輸沙效率（見表1），其中：沖淤效率按河段沖淤量與進(jìn)入下游水量的比值計(jì)算得到，輸沙效率按河段出口斷面輸沙量與進(jìn)入下游水量的比值計(jì)算得到。分析可知，隨著進(jìn)入下游水流含沙量的增大，下游河道輸沙效率增大，但沖刷效率降低（或淤積效率增大），含沙量在60 kg/m3以上的大流量洪水過程在下游河道具有較高的輸沙效率，但也容易造成河道淤積。①進(jìn)入下游的洪水含沙量小于20 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上時(shí)，下游河道沖刷效率高，但輸沙效率不高，每立方米水量（以下簡(jiǎn)稱“單方水”）最大僅能輸送27.69 kg的泥沙;②進(jìn)入下游的洪水含沙量為20～60 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上時(shí)，下游河道沖刷效率降低，但輸沙效率依舊不高，單方水最大能輸送40.98 kg的泥沙;③進(jìn)入下游的洪水含沙量為60～100 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上時(shí)，下游河道由沖刷轉(zhuǎn)為淤積，但淤積主要發(fā)生在高村以上河段，高村以下河段基本不淤，輸沙效率提高，單方水可最大輸送68.70 kg的泥沙;④進(jìn)入下游的洪水含沙量為100～200 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上時(shí)，下游河道明顯淤積，但高村以下河段微淤，輸沙效率提高，單方水最大輸沙量增加至90.00 kg;⑤進(jìn)入下游的洪水含沙量在200 kg/m3以上、流量在2 500 m3/s以上時(shí)，全下游河道淤積嚴(yán)重，輸沙效率進(jìn)一步提高，單方水最大輸沙量增加至97.40 kg。

2.3 小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式調(diào)整方案

總結(jié)小浪底水庫(kù)20 a來運(yùn)用實(shí)踐，為實(shí)現(xiàn)下游河道減淤，水庫(kù)運(yùn)用方式以蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙為主，造成下游河道的輸沙效率較低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，小浪底水庫(kù)出庫(kù)的49場(chǎng)大流量洪水過程中有45場(chǎng)的平均含沙量小于20 kg/m 單方水輸送的泥沙量?jī)H25 kg左右。當(dāng)前，黃河下游河道適宜的中水河槽規(guī)模已經(jīng)形成，高村以上河段平灘流量甚至達(dá)到了6 500 m3/s，河床粗化，河道沖刷效率降低。下游河道邊界條件的變化，為調(diào)整小浪底水庫(kù)運(yùn)用方式以提高下游河道輸沙能力創(chuàng)造了有利條件。

通過上文分析可知，提高河道輸沙能力需要小浪底水庫(kù)泄放較大含沙量的水流過程，但高含沙水流過程容易造成下游河道泥沙淤積。基于此，為提高下游河道輸沙能力，提出在維持4 000 m3/s左右的中水河槽前提下，小浪底水庫(kù)運(yùn)用應(yīng)視下游河道中水河槽的沖淤響應(yīng)，適時(shí)調(diào)整運(yùn)用方式（簡(jiǎn)稱“調(diào)整方案”）：①當(dāng)下游河道中水河槽泄流能力維持在4 000 m3/s左右時(shí)，小浪底水庫(kù)適時(shí)增加泄放含沙量不大于100 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量過程，該量級(jí)的洪水進(jìn)入下游河道，會(huì)在中水河槽泄流能力較大的高村以上河段發(fā)生淤積，但不會(huì)對(duì)高村以下河段造成大的影響;②當(dāng)下游河道中水河槽泄流能力擴(kuò)大至4 500 m3/s以上時(shí)，下游河道允許一定程度的淤積，小浪底水庫(kù)適時(shí)增加泄放含沙量不大于200 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量過程;③若未來下游河道中水河槽泄流能力縮減至4 000 m3/s以下時(shí)，小浪底水庫(kù)運(yùn)用仍以蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙為主，以重塑河槽規(guī)模。

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算條件

黃河來水來沙量是水庫(kù)和河道沖淤計(jì)算的基礎(chǔ)條件。20世紀(jì)80年代中期以來，黃河來水來沙量顯著減少。黃河水沙變化既受自然氣候因素的影響，又與流域水利工程、水土保持生態(tài)建設(shè)工程和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等人類活動(dòng)密切相關(guān)。目前對(duì)未來黃河年輸沙量的認(rèn)識(shí)范圍一般為3億～8億t[11]。本文設(shè)置黃河中游年來沙8億t和3億t兩種情景，經(jīng)小浪底水庫(kù)調(diào)節(jié)，計(jì)算小浪底水庫(kù)按現(xiàn)狀運(yùn)用方式（簡(jiǎn)稱“現(xiàn)狀方案”）和“調(diào)整方案”的水庫(kù)及下游河道沖淤和輸沙效果。年來沙8億t情景相應(yīng)的年來水量為272億m 年來沙3億t情景相應(yīng)的年來水量為243億m3。計(jì)算系列長(zhǎng)度為50 a，水庫(kù)和河道初始河床邊界采用2018年實(shí)測(cè)地形。

3.2 水庫(kù)運(yùn)用方式調(diào)整效果

（1）小浪底水庫(kù)沖淤變化。黃河年來沙8億t情景，小浪底水庫(kù)累計(jì)淤積量變化過程見圖1。現(xiàn)狀方案，小浪底水庫(kù)預(yù)計(jì)2030年攔沙期結(jié)束。調(diào)整方案，小浪底水庫(kù)增加了排沙機(jī)會(huì)，減緩了淤積，水庫(kù)攔沙期延長(zhǎng)5 a。黃河年來沙3億t情景，小浪底水庫(kù)累計(jì)淤積量變化過程見圖2?，F(xiàn)狀方案，小浪底水庫(kù)預(yù)計(jì)2050年攔沙期結(jié)束，調(diào)整方案水庫(kù)攔沙期延長(zhǎng)15 a。

（2）下游河道淤積和平灘流量變化。黃河年來沙8億t情景，現(xiàn)狀方案下，水庫(kù)攔沙期內(nèi)蓄水?dāng)r沙，清水（或含沙量較低的洪水過程）下泄使得下游河道沖刷幅度大于調(diào)整方案，但是水庫(kù)攔沙期短，攔沙期結(jié)束后下游河道快速回淤，河道累計(jì)淤積量較大，50 a后累計(jì)淤積量比調(diào)整方案多12.5億t，見圖3。與河道沖淤相應(yīng)，水庫(kù)攔沙期內(nèi)，現(xiàn)狀方案下，下游河槽平灘流量較大，但維持在適宜中水河槽泄流能力4 000 m3/s左右的年份僅有7 a，50 a后平灘流量下降至2 000 m3/s。調(diào)整方案平灘流量維持在4 000 m3/s左右的年份較現(xiàn)狀方案多11 a，50 a后平灘流量相對(duì)較大，為2 300 m3/s。

黃河年來沙3億t情景，現(xiàn)狀方案50 a后下游河道累計(jì)淤積2.16億t，調(diào)整方案50 a后河道仍然處于沖刷狀態(tài)，比現(xiàn)狀方案少淤5.43億t，見圖4?，F(xiàn)狀方案因河槽沖刷量較大，平灘流量在4 500 m3/s以上的年份有30 a，維持在適宜中水河槽泄流能力4 000 m3/s左右的年份僅10 a。調(diào)整方案，計(jì)算期50 a內(nèi)河槽平灘流量在4 000～4 500 m3/s范圍內(nèi)的年份為30 a。

（3）輸沙入海量。黃河年來沙8億t情景，現(xiàn)狀方案小浪底水庫(kù)攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙入海量為3.82億t，調(diào)整方案水庫(kù)攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙入海量為4.96億t，比現(xiàn)狀方案多1.14億t;黃河年來沙3億t情景，現(xiàn)狀方案小浪底水庫(kù)攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙入海量為1.26億t，調(diào)整方案水庫(kù)攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙入海量為1.78億t，比現(xiàn)狀方案多0.52億t。

3.3 綜合評(píng)價(jià)

總體來看，小浪底水庫(kù)按本文提出的調(diào)整方案運(yùn)用，當(dāng)下游平灘流量維持在4 000 m3/s左右（或超過4 500 m3/s）時(shí)，水庫(kù)降低水位，適時(shí)增加泄放含沙量不大于100 kg/m3（或不大于200 kg/m3）、流量在2 500 m3/s以上的水流過程，可提高下游河道輸沙能力，同時(shí)減緩小浪底水庫(kù)和下游河道淤積，且在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持下游河道泄流能力為4 000 m3/s左右的中水河槽，更有利于水庫(kù)充分發(fā)揮綜合利用效益。

4 結(jié) 語

（1）小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來，通過蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙，實(shí)現(xiàn)了下游河道全線沖刷，形成了下游河道泄流能力為4 000 m3/s左右的中水河槽。當(dāng)前下游河道沖刷效率降低，小浪底水庫(kù)運(yùn)用應(yīng)在長(zhǎng)期維持該中水河槽的前提下，盡可能提高下游河道輸沙能力輸沙入海。

（2）進(jìn)入下游水流含沙量的增大，有利于提高下游河道輸沙效率，但也降低了河道的沖刷效率（或增大了河道的淤積效率）。當(dāng)下游河道中水河槽泄流能力維持在4 000 m3/s左右時(shí)，小浪底水庫(kù)可在現(xiàn)狀調(diào)度基礎(chǔ)上，適時(shí)增加泄放含沙量不大于100 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量過程，該量級(jí)的洪水進(jìn)入下游河道，會(huì)在中水河槽規(guī)模較大的高村以上河段發(fā)生淤積，但對(duì)高村以下河段影響較小;當(dāng)下游河道中水河槽泄流能力擴(kuò)大至4 500 m3/s以上時(shí)，下游河道允許一定程度的淤積，小浪底水庫(kù)可適時(shí)增加泄放含沙量不大于200 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量過程;若未來下游河道中水河槽泄流能力縮減至4 000 m3/s以下時(shí)，小浪底水庫(kù)調(diào)度仍以蓄水?dāng)r沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用為主，以重塑河槽規(guī)模。

（3）小浪底水庫(kù)調(diào)節(jié)泄放流量2 500 m3/s以上的水流過程容易實(shí)現(xiàn)，但如何根據(jù)入庫(kù)水沙條件，通過水庫(kù)運(yùn)用盡可能增大出庫(kù)含沙量，并使出庫(kù)含沙量不超過100 kg/m3或者200 kg/m 還需要結(jié)合庫(kù)區(qū)水流泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律來進(jìn)一步研究。

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