黃河中游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)控塑造高效輸沙洪水探討

李勇 竇身堂 謝衛(wèi)明

摘要：基于三門峽水庫(kù)、小浪底水庫(kù)實(shí)測(cè)資料與數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，對(duì)黃河中游水庫(kù)群水沙聯(lián)合調(diào)度塑造高含沙水流進(jìn)行研究，重點(diǎn)探討了古賢水庫(kù)建成運(yùn)用后的影響，得出以下主要結(jié)論：①利用古賢水庫(kù)提供可調(diào)水量沖刷三門峽水庫(kù)并與小浪底水庫(kù)錯(cuò)峰，可塑造小浪底水庫(kù)最長(zhǎng)歷時(shí)的排沙過程，此方案下小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量在50 kg/m以上的天數(shù)約為20 d，雙庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用較單庫(kù)運(yùn)用含沙量大于50 kg/m的天數(shù)增加7 d;②利用古賢水庫(kù)提供可調(diào)水量沖刷三門峽水庫(kù)并與小浪底水庫(kù)沙峰對(duì)接，可塑造小浪底水庫(kù)最大出庫(kù)含沙量，此方案下小浪底水庫(kù)最大出庫(kù)含沙量在400 kg/m以上，日均含沙量在200 kg/m以上的天數(shù)約為3d，沖刷量增加1.8億t。合理運(yùn)用黃河中游水庫(kù)群進(jìn)行聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙，可有效塑造高效輸沙洪水過程，并達(dá)到減少水庫(kù)泥沙淤積的目的。

關(guān)鍵詞：數(shù)學(xué)模型;高效輸沙;水沙調(diào)控;聯(lián)合運(yùn)用;水庫(kù)群;黃河中游

中圖分類號(hào)：TV145;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019.02.005

1 概述

目前，黃河中下游河段水沙調(diào)控主要依靠萬家寨、小浪底兩座水庫(kù)，在調(diào)控手段方面，中下游水沙調(diào)控主要通過水庫(kù)泄流直接沖刷下游主槽：在調(diào)控目標(biāo)方面，中下游平原河段主要目標(biāo)為排沙人海[1]。2002年以來，以小浪底水庫(kù)為主進(jìn)行了19次調(diào)水調(diào)沙，在攔沙和調(diào)水調(diào)沙的共同作用下，下游河道全線發(fā)生沖刷，累計(jì)將23.35億t泥沙沖刷人海，主河槽最小過流能力由1 800 m/s恢復(fù)到了4 000 m/s以上[2]。水庫(kù)攔沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用在減少下游河道淤積、恢復(fù)主河槽過流能力等方面發(fā)揮了重要作用，進(jìn)而對(duì)穩(wěn)定河勢(shì)、保障黃河防洪安全和灘區(qū)群眾正常的生產(chǎn)生活發(fā)揮了巨大作用[3-4]。

然而，現(xiàn)狀黃河水沙調(diào)控體系尚不完善，目前主要依靠小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙，在泥沙調(diào)節(jié)方面存在很大的局限性，難以充分發(fā)揮對(duì)下游河道的減淤作用和主槽維持作用[5-6]。小浪底和三門峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用，總體上具有“蓄清排渾、蓄洪削峰（洪水資源化）、塑造協(xié)調(diào)水沙關(guān)系、盡量減少花園口2 600 m/s中小流量級(jí)輸沙”的特點(diǎn)[1]。但是，由于缺少具有較大庫(kù)容的上游水庫(kù)的配合，三門峽和萬家寨水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容都非常有限，因此對(duì)水沙過程的調(diào)節(jié)具有很大的局限性。從協(xié)調(diào)水沙關(guān)系、提高河道輸沙能力的角度看，主要表現(xiàn)為：①小水被迫排沙，花園口2 600 m/s以下流量級(jí)水流仍然攜帶較多的泥沙進(jìn)入下游，即“小水帶大沙”;②“以單庫(kù)為主的調(diào)水調(diào)沙過程中，洪水前期空載，后期小水帶大沙”等方面問題突出。規(guī)劃的黃河古賢水利樞紐位于黃河中游北干流下段，設(shè)計(jì)調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容為20.0億m，攔沙庫(kù)容為93.6億m[7]。古賢水利樞紐建成后，可與萬家寨、小浪底水庫(kù)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙，進(jìn)而為更好地開展黃河中下游河段水沙調(diào)控提供重要支撐條件。

為了使黃河中游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)控在黃河中下游河段水沙調(diào)控中發(fā)揮更大作用，本文通過對(duì)三門峽水庫(kù)實(shí)測(cè)資料、小浪底水庫(kù)實(shí)體模型試驗(yàn)資料、數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果等的初步分析，探討古賢水庫(kù)（調(diào)水調(diào)沙補(bǔ)水作用）、三門峽水庫(kù)（一定程度的補(bǔ)沙作用）配合小浪底水庫(kù)進(jìn)行三庫(kù)聯(lián)合調(diào)控，塑造大流量、長(zhǎng)歷時(shí)、較高含沙量洪水的可能性。

2 水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)控塑造高含沙洪水的可行性

2.1 三門峽、小浪底兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用的局限性

未來50 a按照1968-1979年+1987-1999年+1962-1986年代表水沙系列，在進(jìn)入下游的年均水量、沙量分別為300億m、10.02億t的條件下，經(jīng)過小浪底、三門峽兩庫(kù)調(diào)節(jié)后，2 300 m/S以下流量級(jí)挾帶沙量占汛期沙量的比例由入庫(kù)的57. 50/0減小為38.2%，但仍占有較大比例;800～2 300 m/s流量級(jí)水量、沙量分別為41億m、3.41億t，分別占汛期的32%、35%，與2 300～4 000 m/s流量級(jí)的比例38010、42%相當(dāng)。這也是小浪底與三門峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用的情況下，下游河道仍然大量淤積的重要原因之一。

此外，實(shí)測(cè)資料和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，洪水初期溯源沖刷強(qiáng)烈，沖刷效果較好，但隨著沖刷歷時(shí)增長(zhǎng)和庫(kù)區(qū)淤積物的減少，沖刷效率明顯降低，基本呈現(xiàn)為對(duì)數(shù)相關(guān)關(guān)系。由表1可知，對(duì)于第1～第4個(gè)5億m3來水量條件，平均含沙量增量分別為173、88、52、37 kg/m3：進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)可知，前20億m3水量累計(jì)沖刷量約為1.75億t，累計(jì)平均含沙量增量為87 kg/m;對(duì)于第10個(gè)5億m水量的平均含沙量增量只有13 kg/m。

小浪底水庫(kù)洪水期敞泄沖刷（控制水位為230 m）與三門峽水庫(kù)具有相似的規(guī)律，前20億m水量可沖刷泥沙約2億t，平均含沙量增量達(dá)100 kg/m。根據(jù)小浪底水庫(kù)攔沙后期模型試驗(yàn)、降水沖刷模型試驗(yàn)等結(jié)果，點(diǎn)繪了每場(chǎng)泄空沖刷過程中沖刷量與相應(yīng)入庫(kù)水量的關(guān)系（見圖1）。由圖1可知，隨著敞泄期入庫(kù)水量增大，沖刷量相應(yīng)增大，但增幅逐漸減小，統(tǒng)計(jì)可知前20億m水量可沖刷泥沙約2.0億t。

2.2 古賢水庫(kù)與三門峽、小浪底水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用的可行性

長(zhǎng)期以來，對(duì)能否通過中游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)控塑造長(zhǎng)歷時(shí)較高含沙量洪水過程，存在很大的認(rèn)識(shí)分歧[5，6，8-12]。部分學(xué)者認(rèn)為，若能夠在黃河中游建設(shè)具有較大調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容（不小于30億m）的古賢水庫(kù)，與小浪底（調(diào)水調(diào)沙庫(kù)容10億m）、三門峽水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控，靈活調(diào)配水沙，則可將汛期非洪水期不利的水沙過程（年均水量約40億m）塑造成協(xié)調(diào)的“大水帶大沙”的洪水水沙過程，避免“小水排沙”，顯著提高下游河道的輸沙能力，減少河道淤積，甚至有可能使下游河道不再發(fā)生淤積。而部分學(xué)者則對(duì)其中“通過古賢水庫(kù)塑造洪水過程沖刷三門峽和小浪底水庫(kù)前期淤積泥沙，能否塑造出長(zhǎng)歷時(shí)高含沙洪水過程”“所塑造出的大流量、長(zhǎng)歷時(shí)高含沙洪水過程能否順利通過游蕩型河段，并保證艾山以下窄河段能夠順利輸送而不發(fā)生顯著淤積”等關(guān)鍵問題提出質(zhì)疑。

若能夠讓“小浪底、三門峽水庫(kù)群自下而上、接力溯源沖刷”（見圖2，線上數(shù)據(jù)為日均含沙量），則將更有利于延續(xù)100 kg/m以上相對(duì)高含沙洪水過程。其中前4d含沙量大于200 kg/m，第5—6d為100 kg/m以上。當(dāng)小浪底、三門峽庫(kù)區(qū)集聚的沙量分別達(dá)到2.5億、1.5億t時(shí)，古賢水庫(kù)集聚調(diào)水調(diào)沙水量17億m并結(jié)合后續(xù)水流開始調(diào)水調(diào)沙。首先，小浪底水庫(kù)預(yù)泄不少于2 d、流量為2 600～4 000 m/s的清水過程;待水庫(kù)泄空后，古賢水庫(kù)連續(xù)泄放4 000m/s大流量過程5～6 d（水庫(kù)補(bǔ)水17億m），其中前2d以沖刷小浪底庫(kù)區(qū)泥沙為主，三門峽水庫(kù)則保持305 m低水位發(fā)電運(yùn)用，從第3d開始三門峽水庫(kù)敞泄，溯源沖刷排沙，小浪底水庫(kù)繼續(xù)溯源沖刷排沙，形成5d含沙量較高的洪水水沙過程;最后，再由古賢水庫(kù)泄放1～2 d流量為2 600～4 000 m/s的后續(xù)清水過程，避免在下游輸移過程中出現(xiàn)沙峰滯后現(xiàn)象。

3 方案設(shè)置

本文探討3種方案，見表2。方案1為基礎(chǔ)方案，僅考慮古賢水庫(kù)補(bǔ)水作用下三門峽、小浪底水庫(kù)的單庫(kù)沖刷過程;方案2為考慮古賢水庫(kù)補(bǔ)水、三門峽水庫(kù)補(bǔ)沙，三門峽、小浪底兩庫(kù)沙峰錯(cuò)峰塑造小浪底水庫(kù)最長(zhǎng)歷時(shí)的排沙過程;方案3為考慮古賢水庫(kù)補(bǔ)水、三門峽水庫(kù)補(bǔ)沙，三門峽、小浪底兩庫(kù)沙峰同步塑造小浪底水庫(kù)最大含沙量出庫(kù)過程。各方案中三門峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)流量均按4 000 m/s控制，小浪底水庫(kù)壩前水位按210 m控制;三門峽水庫(kù)按照敞泄運(yùn)用，根據(jù)三門峽水庫(kù)泄流能力，4 000 m/s泄流量對(duì)應(yīng)泄流曲線中的壩前水位約為302 m，計(jì)算中按壩前水位300 m控制。

4 模型算法

采用三門峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬，該模型重點(diǎn)完善了多目標(biāo)調(diào)度模塊、高含沙水庫(kù)異重流輸移模塊、溯源與沿程沖刷耦合模塊、干支流互灌淤積模塊等，可實(shí)現(xiàn)高含沙河流水庫(kù)在不同調(diào)度運(yùn)行方式下復(fù)雜輸沙和河床變形過程的動(dòng)態(tài)模擬。

針對(duì)攔沙后期水庫(kù)局部庫(kù)段存在的溯源沖刷，模型重點(diǎn)解決了兩大問題：①建立了能反映水庫(kù)沿程不同輸沙機(jī)制的計(jì)算模式，可以模擬水庫(kù)進(jìn)口段為一般沿程沖淤、中間段為溯源沖刷、近壩段為異重流輸移的輸沙過程：②修正了溯源沖刷段的底部泥沙交換條件（基于挾沙力沿程恢復(fù)模式不適用于間歇性滑塌的強(qiáng)沖刷），建立了考慮水流剪切（拖曳）作用、前期淤積物組成的物理化學(xué)特性以及河床土力學(xué)特性等的計(jì)算模式。模型原理和算法見文獻(xiàn)[13 -14]。

5 結(jié)果分析

5.1 單庫(kù)運(yùn)用計(jì)算結(jié)果

由圖3可知，三門峽水庫(kù)最大日均出庫(kù)含沙量為160 kg/m左右，至第4d衰減至50 kg/m左右。由圖4可知，三門峽水庫(kù)前20億m3水量出庫(kù)含沙量約為87.5 kg/m，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本一致。

由圖5可知，小浪底水庫(kù)隨著敞泄期入庫(kù)水量增大，沖刷量相應(yīng)增大，但增幅逐漸減小。計(jì)算結(jié)果在實(shí)體模型試驗(yàn)的下包線以上，大體一致。

5.2 雙庫(kù)錯(cuò)峰運(yùn)用計(jì)算結(jié)果

方案2為考慮古賢水庫(kù)補(bǔ)水、三門峽水庫(kù)補(bǔ)沙，三門峽、小浪底兩庫(kù)沙峰錯(cuò)峰塑造小浪底水庫(kù)最長(zhǎng)歷時(shí)的排沙過程，小浪底水庫(kù)壩前水位自220 m逐漸下降至210 m，盡量使小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量維持在50kg/m左右。當(dāng)小浪底水庫(kù)沖刷含沙量小于50 kg/m時(shí)，使用方案1中三門峽水庫(kù)出庫(kù)含沙量過程對(duì)接。

由圖6可知，經(jīng)三門峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)兩庫(kù)錯(cuò)峰配合，小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量在50 kg/m以上的天數(shù)約為20 d，雙庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用較單庫(kù)運(yùn)用含沙量大于50kg/m的天數(shù)增加7d。雙庫(kù)運(yùn)用比單庫(kù)運(yùn)用的沖刷量增大約0.9億t（見圖7）。

5.3 雙庫(kù)對(duì)接運(yùn)用計(jì)算結(jié)果

由圖8可見，經(jīng)三門峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)沙峰合理對(duì)接，小浪底水庫(kù)最大出庫(kù)含沙量在400 kg/m以上，日均含沙量在200 kg/m以上的天數(shù)約為3d。雙庫(kù)運(yùn)用比單庫(kù)運(yùn)用的沖刷量增大約1.8億t（見圖9）。

6 結(jié)論

（1）黃河中游水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)用進(jìn)行調(diào)水調(diào)沙，可塑造出更合理的水沙過程，進(jìn)而減少水庫(kù)淤積，長(zhǎng)期、充分地發(fā)揮黃河中游水沙調(diào)控體系的功能，合理的出庫(kù)水沙搭配可以降低對(duì)下游的不利影響。

（2）模型計(jì)算表明，利用古賢水庫(kù)提供可調(diào)水量沖刷三門峽水庫(kù)并與小浪底水庫(kù)錯(cuò)峰，可塑造小浪底水庫(kù)最長(zhǎng)歷時(shí)的排沙過程。此方案下小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量在50 kg/m³以上的天數(shù)約為20 d，雙庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用較單庫(kù)運(yùn)用含沙量大于50 kg/m的天數(shù)增加7d，沖刷量增加約0.9億t。

（3）利用古賢水庫(kù)提供可調(diào)水量沖刷三門峽水庫(kù)并與小浪底水庫(kù)沙峰對(duì)接，可塑造小浪底水庫(kù)最大含沙量出庫(kù)。此方案下小浪底水庫(kù)最大出庫(kù)含沙量在400 kg/m以上，日均含沙量在200 kg/m以上的天數(shù)約為3d，雙庫(kù)運(yùn)用較單庫(kù)運(yùn)用的沖刷量增加1.8億t。

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