小浪底水庫汛期低水位排沙調(diào)度實踐分析

魏向陽 楊會穎 孔純勝

摘 要：截至2018年汛前，小浪底水庫已淤積泥沙33.3億m3，水庫綜合調(diào)控能力及其對下游灘區(qū)防洪保安能力逐步減弱。在保證下游主河槽過流能力條件下，小浪底水庫依據(jù)洪水預報降低水位排沙，對減少水庫淤積、延長水庫攔沙年限具有重要意義。2018年和2019年汛前預報黃河汛期來水偏豐，小浪底水庫以控制花園口站流量不超過4 200 m3/s為約束，提前預泄，同時聯(lián)合調(diào)度上中游水庫群，充分利用上游來水沖刷小浪底庫區(qū)，達到了排沙減淤、輸沙入海的效果。2019年、2018年汛期小浪底水庫出庫沙量分別為水庫運用以來汛期排沙量的第一、第二位，庫區(qū)淤積形態(tài)得到了調(diào)整改善，下游主槽過流能力得到維持并略有增大。小浪底水庫低水位排沙運用調(diào)度是上中游水庫群聯(lián)合水沙調(diào)控模式的探索，為今后水庫群調(diào)度運用積累了寶貴經(jīng)驗。

關鍵詞：低水位排沙;水沙調(diào)控;調(diào)度模式;小浪底水庫;2018年;2019年

中圖分類號：TV697.1;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.005

Abstract：By the end of the flood season in 2018， Xiaolangdi Reservoir had deposited 3.33 billion m3 of sediment. The comprehensive regulation and control capacity of the reservoir and its flood control and security capacity for the downstream beach area were gradually weakened. Therefore， under the condition of ensuring the flow capacity of the main channel in the downstream， Xiaolangdi Reservoir reduces the water level for sediment discharge according to flood forecast， which is of great significance to reduce the reservoir sedimentation and extend the sediment retention period of the reservoir. In 2018 and 2019， it was predicted that the Yellow River would be flooded during the flood season. The Xiaolangdi Reservoir was restricted by controlling the flow of Huayuankou Station not to exceed 4 200 m3/s and discharged ahead of time. At the same time， the reservoir group of the upper and middle reaches was jointly operated to make full use of the water from the upstream to wash the Xiaolangdi Reservoir area， achieving the effect of sediment discharge and sediment reduction and sediment transport into the sea. In the flood season of 2019 and 2018， the sediment discharge of the Xiaolangdi Reservoir was the first and second in the flood season since the reservoir was put into operation. At the same time， the siltation form of the reservoir area had been adjusted and improved and the downstream main channel flow capacity had been maintained and slightly increased. The operation of low-water-level sediment discharge of the reservoir was an exploration of the combined water and sediment regulation mode of the reservoir group of the upper and middle reaches， which had accumulated valuable experience for the future operation of the reservoir group.

Key words： sediment discharge at low water level; water and sediment regulation; scheduling mode; Xiaolangdi Reservoir; 2018; 2019

小浪底水庫的開發(fā)任務是以防洪減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電。截至2018年汛前，小浪底庫區(qū)已淤積泥沙33.3億m3，處于攔沙后期第一階段（淤積量為22.0億～42.0億m3），三角洲頂點高程為222.36 m。當前，黃河下游灘區(qū)189萬人經(jīng)濟社會發(fā)展與黃河防洪安全協(xié)調(diào)矛盾突出，在不影響小浪底水庫長期有效庫容和防御大洪水安全的前提下，利用小浪底水庫攔沙庫容調(diào)控洪水以控制下游河道不漫灘，是水庫調(diào)度面臨的現(xiàn)實需求。隨著泥沙淤積，水庫設計汛限水位254 m以下可用于中小洪水防洪的庫容逐步減小，對下游灘區(qū)的防洪保安能力相應逐步減弱，水庫剩余攔沙庫容對于兼顧下游灘區(qū)防洪十分珍貴，因此減緩小浪底水庫攔沙庫容淤損是當前水庫防洪運用需要考慮的重要問題。

自小浪底水庫實施調(diào)水調(diào)沙以來，全下游發(fā)生了明顯沖刷，主槽共沖刷21.5億m3。全下游河槽粗化明顯，水流輸沙能力大幅降低，卡口河段過流能力提高至4 200 m3/s。在當前河道邊界條件下，如何充分利用已經(jīng)塑造的中水河槽實現(xiàn)水庫多排沙，盡可能多地輸沙入海，是對水庫調(diào)度運用的新要求。

自1999年10月小浪底水庫投入運用到2018年汛前，黃河中下游共開展了19次調(diào)水調(diào)沙，調(diào)水調(diào)沙、塑造異重流排沙出庫是水庫及下游河道排沙減淤的主要方式[1-4]。2018年、2019年汛期是黃河多年不遇的豐水年，洪水來源區(qū)主要集中在黃河上游，黃河水利委員會抓住上游來水的有利時機，調(diào)度小浪底水庫提前預泄，降低庫水位，首次實施了低水位排沙運用調(diào)度，進一步完善了黃河水沙調(diào)控模式。

1 調(diào)度思路及方式

1.1 調(diào)度思路

根據(jù)黃河流域汛情和降雨來水預報，結(jié)合中長期天氣形勢預測，以統(tǒng)籌兼顧、泄蓄兼籌、科學調(diào)度、全力防控、確保安全為原則，最大限度兼顧減輕河道防洪壓力、水庫河道減淤和洪水資源利用。

1.2 調(diào)度方式

三門峽水庫洪水期以敞泄排沙運用為主，洪水后適時回蓄轉(zhuǎn)入正常防洪運用。

小浪底水庫汛初盡可能降低庫水位，騰庫迎洪，排沙減淤;洪水期合理調(diào)控出庫流量，確保下游防洪安全，同時利用來水，兼顧水庫排沙減淤和下游河道減淤;洪水后先保持較低水位運行，盡可能多排沙、多輸沙，并為應對大洪水預留更多防洪庫容，后逐步抬高庫水位，控制8月20日前庫水位不超過汛限水位。后汛期，平水期水庫按不超過汛限水位248 m運用;洪水期原則上按控制下游灘區(qū)不漫灘運用。

2 調(diào)度過程

2.1 降雨情況

2018年、2019年汛期，黃河流域暴雨過程頻繁，強降雨落區(qū)重疊度高，極端性強。

2018年汛期，降雨主要集中在上中游的龍劉（龍羊峽至劉家峽）區(qū)間、劉蘭（劉家峽至蘭州）區(qū)間、蘭托（蘭州至托克托）區(qū)間和山陜區(qū)間北部。黃河源區(qū)雖雨強不突出，但持續(xù)時間明顯偏長、降水總量較大;涇渭河、北洛河降雨主要集中在6—7月，6月下旬至7月中旬接連出現(xiàn)3場較大致洪降水過程;三花（三門峽至花園口）區(qū)間強降水過程偏少，汛期未發(fā)生大范圍致洪強降水;下游強降水主要是3次登陸臺風直接影響造成的。

2019年汛期，降雨主要集中在黃河源區(qū)、山陜區(qū)間、涇渭河與北洛河。黃河源區(qū)降雨持續(xù)時間長，降水總量大，是蘭州以上地區(qū)發(fā)生洪水的主因;山陜區(qū)間從7月下旬至8月上旬接連發(fā)生3次致洪強降水過程;涇渭洛河致洪降水主要發(fā)生在6月下旬至8月初，9月發(fā)生了第3號洪水過程;黃河下游主要受到臺風“利奇馬”影響，出現(xiàn)一次致洪的強降水過程。

2.2 入庫水沙情況

2018年、2019年汛期潼關、三門峽站徑流量、輸沙量見表1。2018年汛期，黃河潼關站徑流量265.7億m3，較多年均值偏多48.1%，為1984年以來最大水量，列1959年有連續(xù)資料以來第10位;輸沙量3.42億t，較多年均值偏少55%。三門峽站徑流量241.5億m3，較多年均值偏多36.7%;輸沙量4.88億t，較多年均值偏少42.6%。2019年汛期（6—10月），黃河潼關站徑流量257.17億m3，輸沙量1.39億t;三門峽站徑流量279.84億m3，輸沙量5.40億t。

其中：2018年小浪底水庫低水位排沙運行期間，7月3日至7月25日潼關站來水量49.31億m3，來沙量0.60億t;2019年低水位排沙運行期間，7月1日至8月9日潼關站來水量87.42億m3，來沙量1.22億。兩年排沙調(diào)度期間潼關日均來水量均超過2億m3。

2.3 水庫調(diào)度過程

2.3.1 2018年低水位排沙調(diào)度

2018年7月，黃河上游發(fā)生了兩場編號洪水，中游發(fā)生了入汛以后最大洪水，為應對黃河2018年第1、2號洪水及中游洪水，小浪底水庫提前預泄，實施騰庫迎洪，同時聯(lián)合調(diào)度上中游水庫群，并充分利用上游來水接力沖刷小浪底庫區(qū)，形成異重流，根據(jù)不同來水來沙條件實施多種孔洞組合，以達到水庫、河道排沙減淤、輸沙入海的效果，取得了明顯成效。7月13日和7月25日，小浪底水庫兩次在沙峰時段將庫水位降低至212 m左右，最低庫水位為211.8 m（7月13日20時），小浪底最大出庫含沙量為369 kg/m3（7月14日10時）。

圖1為2018年汛期小浪底水庫調(diào)度過程。具體調(diào)度過程如下：為應對渭河洪水及上游來水，及早預泄，騰庫迎洪，同時穩(wěn)步適應下游河道邊界條件，與西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度，于7月3日逐步加大下泄流量至3 800 m3/s，7月4日5時30分小浪底水庫異重流開始排沙出庫，之后含沙量逐步增大。因小浪底出庫含沙量較高，為預防高含沙洪水在下游河道增值過大，遂于7月4日22時壓減下泄流量至2 100 m3/s，保持3條排沙洞全開;根據(jù)下游河道高含沙洪水演進情況，高含沙洪水增值在可控范圍內(nèi)，于7月5日10時起加大下泄流量至2 600 m3/s，保持3條排沙洞全開。隨著高含沙洪水向下游輸移，高含沙洪水增值保持在可控范圍，逐步增大下泄流量，7月6日至9日按3 000 m3/s左右下泄，開啟1條孔板洞，保持2條或3條排沙洞全開，以加大清水泄流比例，加大下游河道輸沙動力。為有效應對渭河洪水，在大流量入庫前，繼續(xù)降低小浪底庫水位，以利于多排沙出庫，7月11日開始下泄流量由2 000 m3/s逐步加大至2 800 m3/s左右，開啟1條孔板洞，保持2條或3條排沙洞全開，3～4臺機組發(fā)電泄流。

綜合考慮上游來水、水庫排沙及防洪需要，7月25日開始逐步壓減下泄流量至1 000 m3/s，水位緩慢回升至230 m，2018年小浪底水庫低水位排沙運用結(jié)束。

2.3.2 2019年低水位排沙調(diào)度

2019年小浪底水庫低水位泄洪排沙運用具有水位低、排沙時間長、含沙量高、排沙量大的特點?？傆嬤\用時間約43 d，水位在210 m左右運用約12 d，最低水位209.00 m（2019年7月26日23時）。

圖2為2019年汛期小浪底水庫調(diào)度過程。2019年黃河汛期來得早，6月上游唐乃亥站發(fā)生了黃河第1號洪水。為應對上游來水，同時保證7月1日降低庫水位至汛限水位，小浪底水庫及早預泄，騰庫迎洪，穩(wěn)步適應下游河道邊界條件，與西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度，于6月21日起逐級加大下泄流量，7月1日庫水位降低至汛限水位235 m（前汛期）。

為應對上中游來水及增強排沙效果，7月1日之后小浪底水庫繼續(xù)降低庫水位。7月1日至7月10日按4 000 m3/s左右控泄，至7月10日庫水位降至222.29 m。為避免洪峰增值，塑造有利的水流條件挾沙出庫，7月10日至17日壓減下泄流量至2 800 m3/s左右控泄。小浪底出庫含沙量7月15日18時達到最大值264 kg/m3。7月20日庫水位降至210 m附近后，至8月1日，小浪底水庫按進出庫平衡運用，根據(jù)入庫流量及庫水位變化情況調(diào)整排沙洞、孔板洞與發(fā)電機組組合運用。

自8月1日起，隨著入庫洪水消減，小浪底水庫逐級壓減下泄流量。為應對中游洪水及九號臺風“利奇馬”可能帶來的影響，小浪底水庫再次實施降水位運用，至8月9日庫水位降低至213 m附近。之后根據(jù)預報上游來水減少，8月9日18時小浪底水庫開始回蓄運用，降水位排沙階段結(jié)束。

3 調(diào)度效果

3.1 水庫排沙效果

2018年、2019年汛期小浪底水庫排沙效果顯著，2019年、2018年汛期小浪底水庫出庫沙量分別為水庫運用以來汛期排沙量的第一、第二位，2019年汛期小浪底庫區(qū)首次實現(xiàn)了凈沖刷，2018年汛期小浪底庫區(qū)微淤。

根據(jù)輸沙率法計算，2018年汛期小浪底水庫累計進、出庫水量分別為241.5億、221.9億m3，進、出庫沙量分別為4.88億、4.66億t，排沙比95%，水庫總體微淤，淤積0.22億t。其中，沖刷主要發(fā)生在7月，進、出庫沙量分別為1.73億、4.15億t，沖刷量為2.42億t，排沙比為240%。出庫含沙量為歷年最大，小浪底水文站最大含沙量369 kg/m3。

2019年汛期（6—10月），小浪底水庫進、出庫水量分別為251.90億、279.84億m3，進、出庫沙量分別為2.80億、5.40億t，排沙比193%，沖刷2.60億t。出庫含沙量最大為264 kg/m3。其中，水庫沖刷主要集中在7月，進、出庫沙量分別為1.38億、4.83億t，沖刷量為3.45億t，排沙比達到351%;6月28日—7月30日集中排沙期間，入庫總沙量為1.15億t，最大入庫含沙量為257 kg/m3，出庫總沙量為4.15億t，最大出庫含沙量為264 kg/m3，排沙比為361%，為小浪底水庫歷次排沙運用排沙比最大的一次。

根據(jù)斷面法計算，2018年汛后與汛前相比，小浪底水庫淤積1.56億m3，其中干流0.58億m3、支流0.98億m3;2019年汛后與汛前相比，小浪底水庫沖刷1.59億m3，其中干流沖刷1.75億m3、支流淤積0.16億m3。

圖3為小浪底水庫2018年、2019年汛前汛后縱剖面套繪?？梢钥闯?，2018年汛期，庫區(qū)淤積三角洲頂點向壩前推進，由汛前的距壩16.39 km（高程222.36 m）變?yōu)檠春蟮木鄩?.74 km（高程213.87 m），向壩前推進了8.65 km，三角洲頂點高程降低了8.49 m。2019年汛期洪水期間小浪底庫區(qū)三角洲洲面段發(fā)生了強烈沖刷，三角洲前坡段變化不大，三角洲頂點距壩里程維持汛前的距壩7.74 km，頂點高程由汛前的212.93 m降低為212.66 m，降低了0.27 m。

3.2 下游河道沖淤情況

汛期受小浪底水庫低水位排沙運用的影響，小浪底以下河段沖淤變化明顯，淤積主要發(fā)生在花園口以上河段。經(jīng)過這兩年汛期持續(xù)大流量沖刷，下游河道最小平灘流量由2018年汛前的4 200 m3/s提高至2019年汛后的4 350 m3/s。

2018年汛期，小浪底至利津河段淤積泥沙1.64億t（輸沙率法計算，下同）。從沿程分布上來看（見圖4），淤積主要集中在花園口以上河段以及花園口—夾河灘河段，分別為1.33億t和0.43億t;高村—孫口以及濼口—利津也發(fā)生了少量淤積，淤積量分別為0.18億t和0.06億t;另外3個河段發(fā)生了沖刷，共沖刷0.36億t。汛期夾河灘、高村、艾山和濼口4個站斷面發(fā)生沖刷，和汛前相比，平灘高程下的斷面面積均有不同程度的增大，孫口和利津站平灘高程下的斷面面積變化不明顯。根據(jù)水文站、水位站同流量水位變化分析，汛期大部分河段的排洪能力沒有明顯降低，局部河段同流量水位抬升顯著，還需要根據(jù)河勢變化進一步分析。

2019年汛期（6—10月），小浪底至利津河段共淤積2.68億t，淤積主要發(fā)生在花園口以上河段，共淤積2.31億t，其中：西霞院—花園口河段淤積1.03億t，花園口—夾河灘河段沖刷0.12億t，夾河灘—高村河段淤積0.29億t，高村—孫口河段淤積0.16億t，孫口—艾山河段沖刷0.10億t，艾山—濼口河段淤積0.24億t，濼口—利津河段沖刷0.09億t。根據(jù)水文站、水位站同流量水位變化分析，汛期逯村—神堤約40 km的河段同流量水位抬升了0.4～0.6 m，平灘流量減少了約1 300 m3/s，其他河段的平灘流量變化不大。截至2019年汛后，下游平灘流量最小河段在彭樓—艾山之間，最小平灘流量為4 350 m3/s。

3.3 后期蓄水情況

因上游來水充足，2018年、2019年小浪底水庫低水位排沙運用后，均正?；匦钪裂聪匏唬瑢崿F(xiàn)了汛期洪水資源利用，為下游抗旱用水儲備了足夠水源。2018年汛末，小浪底水庫水位為258.47 m，相應蓄量54.52億m3。2019年汛末，小浪底水庫水位為249.14 m，相應蓄量35.03億m3。

4 結(jié)論與建議

（1）2018年、2019年汛期小浪底水庫低水位排沙減淤效果顯著。2018年小浪底進、出庫沙量分別為4.88億、4.66億t，排沙比95%，水庫總體微淤;2019年進、出庫沙量分別為2.80億、5.40億t，排沙比193%，水庫沖刷2.60億t。2019年、2018年汛期小浪底水庫出庫沙量分別為水庫運用以來汛期排沙量的第一、第二位，2019年汛期小浪底庫區(qū)首次實現(xiàn)了凈沖刷。低水位排沙運用調(diào)度排沙效率高，是對水庫排沙減淤的有益探索。

（2）經(jīng)過連續(xù)兩年汛期的長歷時、大流量沖刷，下游河道卡口河段過流能力進一步提高。2018年、2019年汛期，小浪底至利津河段泥沙淤積量分別為1.64億、2.68億t，泥沙淤積主要發(fā)生在花園口以上河段，沒有對卡口河段平灘流量造成不利影響。經(jīng)過連續(xù)兩年汛期大流量、長時間沖刷，卡口河段平灘流量由2018年汛前的4 200 m3/s增大到2019年汛后的4 350 m3/s。

（3）黃河水沙調(diào)控工程體系亟待完善。經(jīng)分析，2018年、2019年小浪底水庫低水位排沙調(diào)度期間，潼關站來水量分別為49.31億、89.42億m3，為小浪底水庫排沙提供了充足的動能。當前，黃河中下游水沙調(diào)控骨干工程僅有萬家寨、三門峽水庫位于小浪底水庫上游，萬家寨水庫距離遠，且汛限水位以下庫容僅2.7億m3，三門峽水庫汛限水位以下庫容僅0.5億m3，汛期與小浪底水庫聯(lián)合調(diào)控水沙能力非常有限。建議加快古賢水庫上馬步伐，完善黃河中游水沙調(diào)控工程體系。

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【責任編輯 許立新】