黃河中下游中小洪水水沙分類管理

李榮容，李保國，張 建，劉紅珍

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，450003，鄭州）

黃河中下游中小洪水指花園口洪峰流量為4 000～10 000 m3/s的洪水。在防洪調(diào)度中發(fā)生中小量級洪水時(shí)，若水庫控泄、蓄洪攔沙，雖然能減少下游灘區(qū)淹沒損失，但因中小洪水發(fā)生概率高，長期運(yùn)用則會庫容淤損較快，減少水庫攔沙年限，進(jìn)而降低水庫的防洪作用；若水庫敞泄，對中小洪水不予控制，則下游灘區(qū)的洪水淹沒損失大，致主槽淤積、河道形勢惡化，黃河下游防洪形勢將更加嚴(yán)峻。因此黃河中下游中小洪水管理的重點(diǎn)是要尋求灘區(qū)防洪與水庫、河道減淤之間的平衡。如何根據(jù)不同的洪水泥沙條件，通過以小浪底為核心的三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村等5座中游骨干水庫的聯(lián)合調(diào)控，充分?jǐn)r洪，減少下游灘區(qū)淹沒損失、長期保持小浪底水庫有效庫容,維持下游中水河槽，是黃河中下游洪水泥沙管理迫切需要解決的問題。

一、黃河中下游洪水泥沙分類

1.洪水泥沙分類指標(biāo)

（1）洪水分類指標(biāo)

黃河中游是下游洪水的主要來源區(qū)，洪水主要來自河龍間（河口鎮(zhèn)至龍門）、龍三間（龍門至三門峽）和三花間（三門峽至花園口），各來源區(qū)洪水以多種組合形成花園口站洪水。根據(jù)歷史實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，將中下游洪水分為3種類型：①“上大洪水”，以三門峽以上的河龍間和龍三間來水為主形成的洪水，特點(diǎn)是洪峰高、洪量大、含沙量高；②“下大洪水”，以三花間來水為主形成的大洪水，特點(diǎn)是漲勢猛、洪峰高、含沙量相對較低、預(yù)見期短；③“上下較大洪水”，以龍三間和三花間共同來水組成的洪水，特點(diǎn)是洪峰較低、歷時(shí)較長、含沙量較低。

分析黃河中游1954年以來實(shí)際發(fā)生洪水歷時(shí)、來源及洪量組成特點(diǎn)，表現(xiàn)為：花園口站洪水歷時(shí)絕大多數(shù)在 5～30 d，其中 5～12 d 的過程出現(xiàn)次數(shù)最多，占總數(shù)的43%；河龍間、涇河等泥沙主要來源區(qū)及三花間洪水主峰段歷時(shí)一般在5 d左右；花園口站不同量級洪水最大5日洪量中三門峽以上、三花間來水比例與場次洪量的來水比例差別不大。因此，以5日洪量的比例作為洪水分類指標(biāo)，即潼關(guān) （三門峽以上來水的把口控制站）以上來水為主，潼關(guān)5日洪量占花園口70%以上；三花間來水為主，三花間5日洪量占花園口50%以上；潼關(guān)上下共同來水，潼關(guān)5日洪量占花園口51%～69%。

（2）泥沙分類指標(biāo)

按泥沙含量，洪水主要分為高含沙量洪水和一般含沙量洪水。張瑞瑾指出，當(dāng)某一水流強(qiáng)度的挾沙水流中含沙量及泥沙顆粒組成，特別是粒徑小于0.01 mm的細(xì)顆粒所占百分?jǐn)?shù)，使該挾沙水流在其物理特性、運(yùn)動特性和輸沙特性等方面基本不能再用牛頓流體進(jìn)行描述時(shí)，這種挾沙水流可稱為高含沙水流。例如，對黃河中下游干流而言，當(dāng)水流含沙量為200～300 kg/m3時(shí)，水流屬賓漢流體，便可稱為高含沙水流。趙文林認(rèn)為，黃河下游水流含沙量達(dá)200 kg/m3以上即可稱為高含沙洪水。齊璞認(rèn)為，當(dāng)洪水含沙量達(dá)到200 kg/m3時(shí)下游河道輸沙最為困難。整體來看，通過研究高含沙水流特性，形成了較為一致的認(rèn)識，即黃河中下游洪水含沙量200 kg/m3以上的水流可認(rèn)為是高含沙水流。《黃河中下游近期洪水調(diào)度方案》（國汛﹝2005﹞11 號）和《小浪底水利樞紐攔沙后期（第一階段）運(yùn)用調(diào)度規(guī)程》（水建管﹝2009﹞446 號）中，均引用潼關(guān)站實(shí)測含沙量200 kg/m3作為高含沙洪水的判別指標(biāo)。因此，以潼關(guān)洪水含沙量是否達(dá)到200 kg/m3作為泥沙分類指標(biāo)，即潼關(guān)站含沙量200 kg/m3及其以上為高含沙量洪水，反之為一般含沙量洪水。

2.中小洪水分類及特點(diǎn)

根據(jù)洪水泥沙分類指標(biāo)，將花園口站場次洪水劃分為5類，即潼關(guān)以上來水為主高含沙量洪水、潼關(guān)以上來水為主一般含沙量洪水、三花間來水為主洪水、潼關(guān)上下共同來水高含沙量洪水和潼關(guān)上下共同來水一般含沙量洪水。按照以上劃分方法，花園口站1954—2015年109場4 000 m3/s以上洪水劃分情況見表1。

不同類型洪水泥沙特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：①潼關(guān)以上來水為主高含沙量洪水是花園口洪水的常見類型，發(fā)生概率較大，且絕大多數(shù)洪水發(fā)生在7、8月份，歷時(shí)一般不超過30 d，量級多在 4 000～6 000 m3/s，最大含沙量多在200～500 kg/m3；②潼關(guān)以上來水為主一般含沙量洪水也較為常見，洪水歷時(shí)一般在 5～30 d，9月以后多發(fā)生6 000～8000 m3/s量級洪水；③三花間來水為主洪水是花園口大流量級洪水的常見類型，10 000 m3/s量級以上所占比例明顯高于其他類型洪水，洪水集中發(fā)生在7、8月，歷時(shí)多為5～12 d；④潼關(guān)上下共同來水高含沙量洪水的發(fā)生頻次和最大含沙量明顯低于潼關(guān)以上來水為主高含沙量洪水，最大含沙量集中在 200～300 kg/m3，洪水全部發(fā)生在7、8月份，歷時(shí)集中在5～12 d；⑤潼關(guān)上下共同來水一般含沙量洪水多發(fā)生在9月份以后，洪水歷時(shí)較長，多為12 d以上。

圖1 黃河下游灘區(qū)不同量級洪水淹沒損失圖

表1 花園口1954—2015年洪水泥沙分類情況

二、中小洪水調(diào)控指標(biāo)及防洪庫容分析

1.灘區(qū)防洪控制流量指標(biāo)

2002年汛初以來，黃河下游河道經(jīng)歷長時(shí)段的水庫攔沙和19次調(diào)水調(diào)沙沖刷，各主要斷面平灘流量增加1700～4700m3/s，最小平灘流量已由2002年汛前的1 800 m3/s增加至2019年的4 300 m3/s。目前黃河下游主槽已基本粗化，2014年后最小平灘流量基本維持在4 200 m3/s左右。

基于黃河下游河道現(xiàn)狀地形，利用黃河下游洪水演進(jìn)及災(zāi)情評估模型對不同量級洪水灘區(qū)的淹沒范圍、淹沒人口等進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)得出現(xiàn)狀灘區(qū)不同量級洪水的淹沒范圍及其分布情況見圖1。可見，花園口4 000～6 000 m3/s流量時(shí)灘區(qū)淹沒損失較小；花園口6 000～8 000 m3/s流量時(shí)下游灘區(qū)的淹沒損失增加很快；花園口10 000 m3/s左右流量時(shí)灘區(qū)淹沒人口達(dá)129萬，黃河下游防洪已面臨水庫調(diào)度、下游防洪、灘區(qū)減災(zāi)等諸多調(diào)度難題。因此，從減小灘區(qū)淹沒損失角度出發(fā)，中小洪水控制流量不宜超過6 000 m3/s。

2.中小洪水防洪庫容需求分析

花園口洪峰流量10 000 m3/s相當(dāng)于現(xiàn)狀下墊面條件的5年一遇洪水。按照前文劃分結(jié)果，選取不同類型5年一遇設(shè)計(jì)洪水和1954年以來花園口站4 000～10 000 m3/s量級實(shí)際洪水過程，分析中游骨干水庫按照控制花園口流量不超過4 000 m3/s、5 000 m3/s、6 000 m3/s等 3 種保灘流量運(yùn)用需要的防洪庫容，以滿足5年一遇洪水且保證90%實(shí)際洪水保灘要求為原則，確定不同類型中小洪水防洪庫容需求量。

三、中小洪水分類管理模式擬定

黃河中下游三門峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村骨干水庫群以小浪底水庫為核心，該水庫設(shè)計(jì)汛限水位254 m，設(shè)計(jì)保灘庫容7.9億m3，保灘流量為8 000 m3/s。小浪底水庫攔沙期采用逐步抬高水位的運(yùn)用方式，即汛期限制水位隨著水庫攔沙量的增加逐步提高，直至水庫淤積量達(dá)到設(shè)計(jì)值、形成高灘深槽，汛限水位達(dá)到設(shè)計(jì)的254 m。目前小浪底水庫處于攔沙后期第一階段，水庫設(shè)計(jì)汛限水位254 m以下有44億m3庫容，扣除水庫攔沙后期調(diào)水調(diào)沙、供水等需要保留的13億m3庫容，仍有31億m3富余庫容。由于高含沙洪水對水庫淤積影響較大，針對灘區(qū)防洪與水庫、河道減淤之間的矛盾，分類管理模式研究的關(guān)鍵是解決不同類型洪水控敞的問題。本次提出將小浪底水庫攔沙后期富余庫容多元化利用的水沙治理措施，針對不同類型中小洪水?dāng)M定如下兩種管理模式。

1.全控方案

充分利用小浪底水庫攔沙期調(diào)洪庫容，減小下游灘區(qū)淹沒損失，各類型洪水均按控泄方式運(yùn)用，具體控泄流量根據(jù)小浪底庫區(qū)淤積量、4 000～6 000 m3/s保灘庫容需求量確定。目前小浪底水庫254 m以下庫容可滿足控制花園口4 000 m3/s的保灘要求。為保持小浪底水庫長期有效庫容、不降低水庫防洪標(biāo)準(zhǔn)，保灘流量應(yīng)隨著水庫淤積量增加而增大，達(dá)正常期后設(shè)計(jì)7.9億m3的保灘庫容可滿足控制花園口6 000 m3/s的保灘要求。

表2 不同來源區(qū)高含沙洪水水庫和下游沖淤分析

2.高含沙敞泄、非高含沙量控泄方案

黃河洪水含沙量高，中常洪水管理必須充分考慮泥沙的多年累積作用。水庫攔蓄高含沙洪水導(dǎo)致水庫庫容快速淤損，減少水庫運(yùn)用年限；而高含沙漫灘洪水對下游河道有較好的淤灘刷槽作用。鑒于小浪底水庫的特殊戰(zhàn)略地位，應(yīng)長期維持小浪底水庫較大庫容，發(fā)揮小浪底水庫防御大洪水的作用，因此擬定高含沙敞泄、非高含沙量控泄方案。其中，非高含沙量控泄流量確定方法與全控方案一致。

表3 不同管理模式對水庫和下游長期影響分析

四、不同管理模式效果評價(jià)

1.場次洪水調(diào)洪結(jié)果及效果評價(jià)

選擇了4場不同來源區(qū)高含沙洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，比較小浪底水庫控泄、敞泄運(yùn)用對水庫及下游河道沖淤影響見表2。由表可見，控泄方案與敞泄方案相比，水庫增加淤積量0.51億～2.34億t；下游主槽沖刷量增加-0.12億～1.35億t，灘地淤積量減小0.07億～1.06億t；花園口洪峰流量從敞泄的5 810～9 730 m3/s削減至控泄的 4 460～5 540 m3/s， 削峰率 22%～48%，下游灘區(qū)減災(zāi)效果顯著。綜合水庫攔沙量、下游減淤量和下游洪水淹沒情況，就一場洪水管理效果來看，認(rèn)為控泄方案優(yōu)于敞泄方案。

2.對水庫和下游的長期影響分析

以預(yù)估未來50年黃河龍華河狀四站平均來水量285億m3，來沙量10億～11億t為基礎(chǔ)，選取能反映豐、平、枯水年的水沙情況，且前10年有一定的變化幅度的水沙系列。通過長系列調(diào)節(jié)計(jì)算，對比分析不同管理模式下游減災(zāi)和小浪底水庫攔沙庫容運(yùn)用年限，以利于權(quán)衡利弊，審慎抉擇，結(jié)果見表3。

可見，水庫運(yùn)用前10年，高含沙敞泄、非高含沙量控泄方案水庫攔沙減淤比為1.30，小于全控方案，水庫減淤效果更優(yōu)；但高含沙量洪水敞泄，使得花園口6 000 m3/s以上流量級天數(shù)明顯增加，灘區(qū)淹沒損失明顯大于全控方案。從兩方案的攔沙期長度看，高含沙敞泄方案約為17年，全控方案的攔沙期約為14年，前者明顯優(yōu)于后者。

3.中小洪水分類管理模式推薦

綜上分析，認(rèn)為高含沙敞泄、非高含沙量控泄方案不僅能延長小浪底水庫攔沙期年限，而且能更好發(fā)揮高含沙洪水對下游河道淤灘刷槽作用，有利于改善二級懸河的不利局面。高含沙洪水水庫敞泄運(yùn)用造成的淹沒損失，可以通過灘區(qū)綜合治理措施來逐步解決。方案對非高含沙洪水進(jìn)行控制運(yùn)用，控制流量隨小浪底庫區(qū)淤積量增加而逐步提高，這與下游灘區(qū)安全建設(shè)安排相協(xié)調(diào)。隨著下游灘區(qū)安全建設(shè)的逐步落實(shí)，灘區(qū)承擔(dān)中常洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)的能力逐漸提高；對灘區(qū)洪水淹沒損失進(jìn)行補(bǔ)償，可以逐步解決中常洪水的灘區(qū)防洪問題。因此，綜合比較水庫和河道減淤、水庫攔沙期長度、下游灘區(qū)減災(zāi)和灘區(qū)綜合治理規(guī)劃等因素，從長期發(fā)揮小浪底水庫作用、發(fā)揮灘區(qū)滯洪沉沙作用考慮，推薦高含沙敞泄、非高含沙量控泄方案作為中小洪水管理模式?？紤]不同類型洪水保灘庫容需求量差異，小浪底攔沙后期，潼關(guān)以上一般含沙量洪水、三花間洪水控泄流量隨小浪底水庫淤積從4 000 m3/s逐步增加到6 000 m3/s；潼關(guān)上下共同來水一般含沙量洪水控泄流量則從4 000 m3/s逐步增加到5 000 m3/s。

五、結(jié) 論

本文在全面建成小康社會、促進(jìn)灘區(qū)人水和諧的背景下，為解決灘區(qū)190萬群眾的防洪保安問題，提出了小浪底水庫攔沙庫容多元化利用思想。通過分析不同管理模式對洪水泥沙的調(diào)控作用、小浪底庫區(qū)泥沙沖淤演變以及下游河道沖淤和中水河槽維持等方面的影響，提出了小浪底水庫攔沙庫容用于中小洪水防洪的水沙分類管理模式。

目前黃河中下游洪水預(yù)報(bào)預(yù)見期短、泥沙預(yù)報(bào)精度不足，仍有諸多難題需要破解。未來隨著預(yù)報(bào)水平尤其是泥沙預(yù)報(bào)水平的提高，可進(jìn)一步深入研究基于預(yù)報(bào)的水庫預(yù)泄、“騰庫迎洪”，干支流水庫補(bǔ)償調(diào)度、增加小浪底水庫后續(xù)動力等分類水沙管理模式，提高黃河中下游洪水管理的科學(xué)性、靈活性。