黃河流域全河水沙調(diào)控的可行性與模式探索

王遠(yuǎn)見 江恩慧 張翎

摘 要：過(guò)去幾十年黃河水沙調(diào)控的理論與實(shí)踐探索取得了一定進(jìn)展，但現(xiàn)狀工程條件下龍羊峽、劉家峽、萬(wàn)家寨、三門峽、小浪底水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)用進(jìn)行全河水沙調(diào)控的可行性與調(diào)控模式鮮有系統(tǒng)探討。在全面分析多年平均條件下，上游龍羊峽、劉家峽水庫(kù)可調(diào)水量和區(qū)間來(lái)水量、引水量的基礎(chǔ)上，論證了現(xiàn)狀工程條件下開展全河水沙調(diào)控的可行性，提出了全河水沙調(diào)控常規(guī)與非常規(guī)調(diào)度兩種模式，并對(duì)比分析了各自效果。結(jié)果表明：全河水沙調(diào)控常規(guī)與非常規(guī)兩種調(diào)度模式下小浪底排沙量分別為1.451億t和1.913億t，下游河道淤積量分別為0.113億t和0.221億t;無(wú)論采取何種水沙調(diào)控模式，小浪底水庫(kù)均能在騰庫(kù)迎洪的同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的庫(kù)區(qū)沖刷，同時(shí)對(duì)下游河道淤積影響較小。在加強(qiáng)水庫(kù)精細(xì)化調(diào)度和嚴(yán)格的區(qū)間引水管理前提下，現(xiàn)狀工程條件下的全河水沙調(diào)控模式是完全可行的。

關(guān)鍵詞：全河水沙調(diào)控;可調(diào)水量;調(diào)控模式;水庫(kù)群;黃河

中圖分類號(hào)：TV152;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.009

Abstract：In the past decades， some progress has been made in the theory and practice of water and sediment regulation of the Yellow River. However， under the current engineering conditions， the feasibility and model of the whole river water and sediment regulation combined with the cascade reservoirs of Long （Longyangxia）， Liu （Liujiaxia）， Wan （Wanjiazhai）， San （Sanmenxia） and Xiao （Xiaolangdi） are rarely discussed. Based on a comprehensive analysis of the adjustable water volume of the Long-Liu cascade reservoirs， interval inflow and diversion water volume of the whole river under the multi-year average condition， this paper demonstrated the feasibility of the whole river water and sediment regulation under the current engineering conditions. Two modes were put forward including the conventional mode and the unconventional mode， and the effects of two modes were compared and analyzed. The results show that the sediment discharge of Xiaolangdi Reservoir under the two modes is 145.1 million tons and 191.3 million tons respectively and the sediment deposition of the downstream channel is 11.3 million tons and 22.1 million tons respectively. No matter which mode of water and sediment regulation is adopted， Xiaolangdi Reservoir can achieve effective erosion in reservoir during the period of discharging before flood， and at the same time， it has little influence to the siltation of river channel. Therefore， under the premise of strengthening the fine operation of the reservoir and strict interval diversion management， the whole river water and sediment regulation mode under the current engineering conditions is completely feasible.

Key words： whole river water and sediment regulation; adjustable water volume; regulation mode; cascade reservoirs; Yellow River

1 研究背景

1.1 黃河水沙調(diào)控的理論與實(shí)踐探索

黃河水沙調(diào)控的概念最早可追溯至1955年編制的《黃河綜合利用規(guī)劃技術(shù)經(jīng)濟(jì)報(bào)告》[1]，其明確指出：“在黃河的干流和支流上修建一系列的攔河壩和水庫(kù)。依靠這些攔河壩和水庫(kù)，我們可以攔蓄洪水和泥沙，防治水害;可以調(diào)節(jié)水量，發(fā)展灌溉和航運(yùn)?！睋?jù)此所做的黃河綜合利用遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃提出，在黃河干流上實(shí)行梯級(jí)開發(fā)，修建46座攔河工程。錢寧等[2]在20世紀(jì)70年代明確提出，應(yīng)利用黃河流域的骨干水庫(kù)，開展調(diào)水調(diào)沙，減少下泄沙量，減少河道淤積，改善泥沙淤積部位。此后，多位學(xué)者圍繞黃河水沙調(diào)控的目標(biāo)[3]、工程布局[4-5]、理論與技術(shù)[6-11]開展研究，并在水沙調(diào)控過(guò)程的物理模擬[12-13]、數(shù)值模擬技術(shù)[14-17]等方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

黃河水沙調(diào)控的實(shí)踐探索源于三門峽水庫(kù)。1960年三門峽水庫(kù)正式建成投運(yùn)，初期蓄水?dāng)r沙運(yùn)用后，水庫(kù)產(chǎn)生嚴(yán)重淤積，淤積末端上延[5，18-19]。為減緩水庫(kù)淤積，提高水庫(kù)泄流排沙能力，三門峽水庫(kù)歷經(jīng)兩次改建、三次改變運(yùn)用方式，最終實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期的沖淤平衡和有效庫(kù)容維持，從實(shí)踐上證實(shí)了多沙河流大型水庫(kù)長(zhǎng)期使用的可能性[20]。1969年劉家峽水庫(kù)投入運(yùn)用，1986年龍羊峽水庫(kù)投入運(yùn)用，龍羊峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)（簡(jiǎn)稱龍劉水庫(kù)）聯(lián)合調(diào)度深刻改變了進(jìn)入黃河中下游的水沙過(guò)程[21]，同時(shí)為全河水沙調(diào)控的實(shí)現(xiàn)奠定了上游段的工程基礎(chǔ);1998年萬(wàn)家寨水庫(kù)投入運(yùn)用，1999年小浪底水庫(kù)建成投入運(yùn)用，中游萬(wàn)家寨、三門峽、小浪底梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度的工程基礎(chǔ)初步形成。2002—2015年，19次開展調(diào)水調(diào)沙，利用干支流水庫(kù)群對(duì)進(jìn)入下游河道的水沙關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以減緩水庫(kù)淤積，充分發(fā)揮下游河道的輸沙能力，遏制河槽萎縮、恢復(fù)并維持中水河槽[22]。隨著調(diào)水調(diào)沙實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，黃河水利委員會(huì)（簡(jiǎn)稱“黃委”）創(chuàng)立了小浪底水庫(kù)單庫(kù)調(diào)節(jié)為主、空間尺度水沙對(duì)接和干流水庫(kù)群水沙聯(lián)合調(diào)控3種基本模式[23]，實(shí)現(xiàn)了黃河下游主槽的全線沖刷，下游主槽的最小過(guò)流能力由2002年汛前的1 800 m3/s恢復(fù)到了2010年的4 000 m3/s;通過(guò)塑造人工異重流，或利用壩前形成的渾水水庫(kù)，增大水庫(kù)排沙比，減少水庫(kù)淤積，調(diào)整了庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)，同時(shí)使河口三角洲的生態(tài)系統(tǒng)得以恢復(fù)和改善[24]。特別是2018年、2019年，利用上中游有利的來(lái)水情勢(shì)，干流水庫(kù)群科學(xué)調(diào)度，小浪底水庫(kù)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)歷時(shí)、低水位、大流量排沙調(diào)度，前汛期分別排沙4.6億t和5.4億t，調(diào)節(jié)庫(kù)容得到有效恢復(fù)，綜合效益顯著。

1.2 全河水沙調(diào)控概念緣起與發(fā)展

全河水沙調(diào)控概念的提出相對(duì)較晚。1997年，針對(duì)治黃工作中出現(xiàn)的新情況、新問(wèn)題，黃委歷經(jīng)10余a修編的《黃河治理開發(fā)規(guī)劃綱要》[25]通過(guò)了國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)和水利部的聯(lián)合審查。該綱要首次從流域規(guī)劃的角度明確提出：“高壩大庫(kù)與徑流電站或灌溉壅水樞紐相間布置，形成以龍羊峽、劉家峽、大柳樹、磧口、古賢、三門峽和小浪底等7大控制性骨干工程為主體的比較完善的綜合利用工程體系，較好地控制洪水泥沙，調(diào)節(jié)徑流，適應(yīng)黃河水沙特性和治理開發(fā)要求?！?/p>

在此基礎(chǔ)上，黃委修編的《黃河近期重點(diǎn)治理開發(fā)規(guī)劃》[26]于2002年開始實(shí)施。該規(guī)劃提出了解決黃河洪水和泥沙問(wèn)題的基本思路：“上攔下排、兩岸分滯”控制洪水;“攔、排、放、調(diào)、挖”，處理和利用泥沙。并以此思路提出建設(shè)以龍羊峽、劉家峽、黑山峽（原大柳樹）、磧口、古賢、三門峽和小浪底7大骨干水利樞紐工程為主體的黃河水沙調(diào)控體系。

2008年，時(shí)任黃委主任李國(guó)英帶隊(duì)考察寧蒙河道，在銀川召開座談會(huì)，首次明確提出“全河調(diào)水調(diào)沙”這一概念，但受當(dāng)時(shí)理論、技術(shù)等條件限制，這個(gè)想法未被廣泛接受和付諸實(shí)踐。

2013年，黃委修編完成了《黃河流域綜合規(guī)劃》（2012—2030年）[27]。該規(guī)劃指出：到2020年，黃河水沙調(diào)控和防洪減淤體系初步建成;到2030年，黃河水沙調(diào)控和防洪減淤體系基本建成，洪水和泥沙得到有效控制。由干流7大水庫(kù)、海勃灣和萬(wàn)家寨水庫(kù)，以及支流的控制性水庫(kù)共同構(gòu)成水沙調(diào)控工程體系，由水沙監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和水庫(kù)群調(diào)度決策支持系統(tǒng)等構(gòu)成水沙調(diào)控非工程體系。

盡管黃河水沙調(diào)控的理論與實(shí)踐取得了長(zhǎng)足進(jìn)展和成就，但應(yīng)看到，目前黃河干支流水沙調(diào)控工程體系并未完全建立，從上游龍劉水庫(kù)到中游三小水庫(kù)（三門峽水庫(kù)、小浪底水庫(kù)）之間仍有超過(guò)2 000 km的河道，兩大水庫(kù)群中間的水力聯(lián)系較弱，沿程調(diào)節(jié)能力最大的水庫(kù)萬(wàn)家寨水利樞紐當(dāng)前（截至2020年汛前）剩余庫(kù)容僅5.45億m3，因此尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)劃意義上的全河水沙調(diào)控。在全河水沙調(diào)控工程體系尚未完全建立的條件下，能否通過(guò)精細(xì)化水沙調(diào)控和嚴(yán)格水資源管理，利用龍劉水庫(kù)的汛前下泄水量和沿程萬(wàn)家寨水庫(kù)的適度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)弱水力聯(lián)系條件下的全河水沙調(diào)控，是本文探討的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

2 全河水沙調(diào)控的可行性分析

根據(jù)黃委公布的2012—2019年汛前黃河水量調(diào)度方案[28]，考慮上游龍劉水庫(kù)可調(diào)水量、龍劉水庫(kù)至三小水庫(kù)區(qū)間來(lái)水量和引水量等，綜合分析汛前三小水庫(kù)水沙調(diào)控能夠利用的上中游水量，由此探究當(dāng)前工程條件下全河水沙調(diào)控的可行性。

2.1 龍劉水庫(kù)可調(diào)水量

龍劉水庫(kù)每年汛前（7月1日前）需將水位降至汛限水位，這部分下泄水量即可作為全河水沙調(diào)控的可調(diào)水量。其中龍羊峽水庫(kù)正常蓄水位2 600.0 m，相應(yīng)庫(kù)容242.9億m3，現(xiàn)狀汛限水位2 592.0 m，相應(yīng)庫(kù)容210.6億m3;劉家峽水庫(kù)正常蓄水位1 735 m，相應(yīng)庫(kù)容39.93億m3，汛限水位1 727 m，相應(yīng)庫(kù)容29.75億m3，因此理論上龍劉水庫(kù)的可調(diào)水量為42.48億m3。

實(shí)際上龍劉水庫(kù)的蓄泄過(guò)程和上游水情密切相關(guān)。龍劉水庫(kù)2012—2019年6月下泄水量變化情況見圖1。根據(jù)近年運(yùn)用情況，龍劉水庫(kù)6月多年平均下泄水量為30.0億m3，取此值作為可調(diào)水量。

2.2 區(qū)間來(lái)水量與引水量

此處的“區(qū)間”指的是劉家峽出庫(kù)到三門峽入庫(kù)的黃河干流河道。根據(jù)2012—2019年區(qū)間來(lái)水量與引水情況，得到6月寧蒙河段和北干流河段多年平均區(qū)間來(lái)水量分別為3.47億m3和6.12億m3，總來(lái)水量為9.59億m3;6月寧蒙河段、北干流河段多年平均區(qū)間引水量分別為19.31億m3和2.36億m3，總引水量為21.67億m3。龍劉水庫(kù)汛前6月多年平均下泄水量為30億m3、考慮區(qū)間來(lái)水量與引水量，潼關(guān)站6月可利用的來(lái)水量為17.92億m3。

3 全河水沙調(diào)控模式探索

筆者提出兩種全河水沙調(diào)控模式：一是常規(guī)調(diào)度模式，指龍羊峽水庫(kù)、劉家峽水庫(kù)、萬(wàn)家寨水庫(kù)、三門峽水庫(kù)、小浪底水庫(kù)群（簡(jiǎn)稱龍劉萬(wàn)三小水庫(kù)群）均按現(xiàn)有調(diào)度規(guī)則開展調(diào)度;二是非常規(guī)調(diào)度模式，即三門峽水庫(kù)在汛期可短暫突破305 m的汛限水位限制，最高水位可蓄至318 m。兩種調(diào)度模式均按2020年汛前邊界條件開展計(jì)算分析。

綜上所述，如能適當(dāng)突破三門峽水庫(kù)的汛期調(diào)度規(guī)則限制，或在龍劉水庫(kù)和小浪底水庫(kù)之間提供新的能夠有效調(diào)節(jié)流量過(guò)程的大型水庫(kù)，則能夠更好地利用龍劉水庫(kù)下泄流量過(guò)程，塑造長(zhǎng)歷時(shí)、大流量的洪水過(guò)程，沖刷小浪底庫(kù)區(qū)和下游河道，減輕水庫(kù)淤積，輸送更多的泥沙入海。

即使在現(xiàn)狀工程條件和調(diào)度規(guī)則下，本文提出的全河水沙調(diào)控常規(guī)調(diào)度模式，也能夠顯著沖刷小浪底庫(kù)區(qū)和輸送1.3億t泥沙入海，具備切實(shí)的可行性。

4 結(jié) 論

從20世紀(jì)50年代《黃河綜合利用規(guī)劃技術(shù)經(jīng)濟(jì)報(bào)告》出臺(tái)至今，建設(shè)完整的全河水沙調(diào)控工程與非工程體系的構(gòu)想由來(lái)已久，體系建設(shè)的實(shí)踐過(guò)程歷經(jīng)波折。本文嘗試探討了在現(xiàn)有工程布局、弱水力聯(lián)系條件下全河水沙調(diào)控的可行性與調(diào)控模式，得到的主要結(jié)論如下：

（1）多年平均來(lái)水條件下，汛前龍劉水庫(kù)可下泄水量為30億m3，考慮區(qū)間來(lái)水量及引水量，三門峽入庫(kù)潼關(guān)站6月可利用來(lái)水量為17.92億m3。

（2）常規(guī)調(diào)度模式下三門峽水庫(kù)可塑造15 d中小流量過(guò)程（最大流量2 200 m3/s），小浪底水庫(kù)實(shí)現(xiàn)排沙1.451億t，下游河道淤積0.113億t;非常規(guī)調(diào)度模式下三門峽水庫(kù)可塑造12 d大流量過(guò)程（最大流量4 000 m3/s），小浪底水庫(kù)實(shí)現(xiàn)排沙1.913億t，下游河道淤積0.221億t。

（3）無(wú)論何種全河水沙調(diào)控模式，小浪底水庫(kù)均能在騰庫(kù)迎洪的同時(shí)實(shí)現(xiàn)有效的庫(kù)區(qū)沖刷，同時(shí)對(duì)河道淤積影響較小。因此，在加強(qiáng)水庫(kù)精細(xì)化調(diào)度和嚴(yán)格的區(qū)間引水管理前提下，現(xiàn)狀工程條件下的全河水沙調(diào)控模式是完全可行的。

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