小浪底水庫攔沙對(duì)黃河下游河道的減淤作用

申冠卿 李勇 張?jiān)h 彭紅

摘?要：在小浪底水庫蓄水?dāng)r沙期，進(jìn)入黃河下游河道的水沙條件發(fā)生顯著變化，含沙量急劇降低，中水流量持續(xù)時(shí)間增長，水庫調(diào)水調(diào)沙提高了河道輸沙能力，改善了泥沙淤積部位。攔沙期（1999年10月—2018年10月），黃河下游河道共計(jì)沖刷21.015億m3。分析小浪底水庫運(yùn)用以來黃河下游河道泥沙沖淤時(shí)空變化特性及水庫對(duì)水沙的調(diào)控效果，對(duì)比計(jì)算有、無小浪底水庫兩種工況下黃河下游河道沖淤量變化及減淤作用。水庫攔沙期黃河下游河道減淤比為1.373∶1，其攔沙減淤效果與水沙條件、水庫運(yùn)用方式及河道邊界等因素有關(guān)。

關(guān)鍵詞：攔沙減淤比;水庫攔沙;小浪底水庫;黃河下游

中圖分類號(hào)：TV143;TV882.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.001

Sediment Trapping by Xiaolangdi Reservoir on Deposits Reduction in the Lower Yellow River

SHEN Guanqing， LI Yong， ZHANG Yuanfeng， PENG Hong

（Yellow River Institute of Hydraulic Research， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：Oncoming water and sediment conditions have been changed greatly during the Xiaolangdi （XLD） Reservoir impounding period. The sediment concentration is reduced rapidly and normal discharge flow period is increased. The regulation of water and sediment by XLD has enhanced sediment transport capacity and improved deposition distribution in the Lower Yellow River （LYR）. Accumulative erosion is 2.1 billion t from Oct.， 1999 to Oct.， 2018. The temporal and special characteristics of erosion and deposition in the LYR and the effects of water and sediment regulating by the reservoir were analyzed here since the operation of XLD. Comparison and calculation of erosion and deposition and deposition reduction were carried out with XLD and without XLD project. Deposition reducing ratio of the LYR was 1.373：1 during XLD impoundment. Deposition reducing effects due to sediment trapped in XLD were related to water and sediment， reservoir operating mode and river channel boundaries.

Key words： ratio of storing sediment and reducing deposition; sediment trapping by reservoirs; Xiaolangdi Reservoir; Lower Yellow River

在沖積河流上修建水庫，會(huì)破壞水庫下游河道的平衡，引起下游河道的再造床過程，觸發(fā)下游河道再調(diào)整的原因是建庫以后水沙條件的變化[1]。三門峽水庫在蓄水?dāng)r沙期（1961—1964），黃河下游河道共計(jì)沖刷泥沙32.58億t[2]，孫口以上3 000 m3/s同流量水位降低1.3～2.8 m[3]。小浪底水庫于1999年10月25日開始下閘蓄水，至2018年已投入運(yùn)用19 a，多年來水庫蓄水?dāng)r沙及黃河調(diào)水調(diào)沙改變了水沙條件，使得黃河下游河道發(fā)生了新的調(diào)整。圍繞小浪底水庫運(yùn)用后黃河下游排洪能力、河床粗化、沖刷效率及河勢等方面相繼開展了諸多研究，例如黃河下游河道發(fā)生明顯沖刷，河槽萎縮局面得以改善，局部河段河槽平灘最小流量由2002年汛前的1 800 m3/s增大至4 250 m3/s[4];伴隨著河床的持續(xù)沖刷，黃河下游河床不斷粗化，床沙中值粒徑D50一般增大1～2倍，河道沖刷效率明顯降低[5]，且沖刷效率隨時(shí)間呈指數(shù)衰減[6];低含沙水流長期作用于游蕩型河段使得河勢散亂、心灘增多[7]。黃河干流水庫的興建除防洪任務(wù)外，還強(qiáng)調(diào)為下游河道減淤，實(shí)際上就是以水庫淤積為代價(jià)，損失大量的庫容換取下游河道減淤，小浪底水庫也不例外。分析研究小浪底水庫運(yùn)用后黃河下游河床演變時(shí)，不宜單純著眼于黃河下游河道的減淤，應(yīng)該結(jié)合水庫攔沙及相應(yīng)水沙條件，既要有利于下游減淤，又要減少庫容淤損，分析不同來水來沙條件下水庫的攔沙減淤效益，延長水庫使用年限。關(guān)于多沙河流水庫攔沙減淤效率，文獻(xiàn)[8]提出了一些評(píng)價(jià)指標(biāo)和影響因素，但有關(guān)小浪底水庫運(yùn)用后水庫攔沙對(duì)下游河道減淤效果的定量研究較少，如何科學(xué)地調(diào)控水沙，將水庫的近期與長遠(yuǎn)效益統(tǒng)一起來，是一項(xiàng)迫切需要研究的課題。筆者系統(tǒng)分析了小浪底水庫運(yùn)用以來黃河下游河道泥沙沖淤的時(shí)空變化特性及水庫水沙調(diào)控效果，剖析了河道沖淤量對(duì)水沙調(diào)控的響應(yīng)關(guān)系，依據(jù)泥沙輸移規(guī)律，對(duì)比計(jì)算有、無小浪底水庫兩種工況下黃河下游河道沖淤量變化及水庫攔沙減淤效益。

1?水沙條件

1.1?主要控制站的水沙量及不同時(shí)段水沙特點(diǎn)

小浪底水庫運(yùn)用后進(jìn)入黃河下游水沙條件見表1。2000—2018年三門峽站年平均（運(yùn)用年）水量、沙量分別為223.9億m3和2.887億t，年均含沙量為12.9 kg/m3;小浪底站年均水量、沙量分別為238.2億m3和0.755億t，年均含沙量為3.2 kg/m3;支流伊洛河黑石關(guān)站和沁河武陟站年平均水量、沙量分別為21.8億m3和0.010億t，年均含沙量為0.5 kg/m3;三門峽出庫水沙經(jīng)小浪水庫調(diào)節(jié)后和區(qū)間支流匯入進(jìn)入下游河道，經(jīng)黃河下游長距離調(diào)整及沿程引水后，利津站年均水量、沙量分別為160.3億m3和1.229億t，年均含沙量為7.7 kg/m3。

根據(jù)三門峽站沙量、含沙量大小及黃河下游含沙量沿程調(diào)整情況，2000—2018年可分為兩個(gè)階段：①2000—2003年為攔沙初期，該階段小浪底入庫沙量較多，年均4.687億t，年均入庫含沙量為27.7 kg/m3，相應(yīng)小浪底出庫沙量年均0.540億t，水庫攔沙比為88.5%，年均出庫含沙量為3.3 kg/m3，水沙進(jìn)入下游后含沙量沿程恢復(fù)明顯，同期利津站年均含沙量為14.3 kg/m3;②2004—2018年為攔沙中期，該階段小浪底入庫沙量較少，年均2.408億t，年均入庫含沙量為10.1 kg/m3，相應(yīng)小浪底出庫沙量年均0.812億t，水庫攔沙比為66.2%，年均出庫含沙量為3.2 kg/m3，水沙進(jìn)入下游后含沙量沿程恢復(fù)不明顯，同期利津站年均含沙量為7.0 kg/m3。

1.2?水庫對(duì)水沙的調(diào)控

2000—2018年三門峽、小浪底站年均水沙量見表2。三門峽出庫水沙進(jìn)入小浪底水庫后，經(jīng)過小浪底水庫攔截大量泥沙的同時(shí)出庫水沙量年內(nèi)分配及過程也發(fā)生了較大改變。2000—2018年三門峽出庫泥沙量為54.862億t，小浪底出庫泥沙量為14.346億t，小浪底水庫攔沙量為40.516億t;2000—2003年、2004—2018年三門峽出庫泥沙量分別為18.747億、36.115億t，小浪底出庫泥沙量分別為2.159億、12.187億t，相應(yīng)小浪底水庫攔沙量分別為16.588億、23.928億t。小浪底出庫相對(duì)于三門峽出庫，汛期、非汛期水沙量均發(fā)生了改變，非汛期小浪底水庫出庫水量明顯增加，非汛期小浪底水庫年均出庫水量為153.6億m3，占全年水量的64.5%，其中6月份年均出庫水量為37.4億m3，占全年水量的15.7%，非汛期小浪底年均出庫沙量為0.028億t，占年均沙量的3.7%，其中6月份年均出庫沙量為0.026億t，占年均沙量的3.4%;三門峽非汛期年均出庫水量為114.9億m3，占全年水量的51.3%，其中6月份年均出庫水量為14.3億m3，占全年水量的6.4%，非汛期三門峽年均出庫沙量為0.188億t，占年均沙量的6.5%，其中6月份年均出庫沙量為0.179億t，占年均沙量的6.2%。

三門峽、小浪底站不同流量級(jí)出現(xiàn)天數(shù)統(tǒng)計(jì)見表3。小浪底水庫下泄流量過程變化的基本特點(diǎn)：大于2 500 m3/s中水流量出現(xiàn)的天數(shù)有所增加，出庫流量為2 500～3 000 m3/s的天數(shù)為101 d，大于3 000 m3/s的天數(shù)為143 d，相對(duì)于三門峽站分別增加15 d和64 d。

小浪底水庫蓄水?dāng)r沙期進(jìn)入黃河下游河道水沙條件發(fā)生顯著變化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①進(jìn)入下游含沙量急劇減小，且懸沙組成明顯變細(xì)，年均含沙量約為3.2 kg/m3;②水沙年內(nèi)分配比例發(fā)生改變，非汛期水量增加，由三門峽站的51.3%增至小浪底站的64.5%;③小浪底水庫調(diào)控水沙使得流量過程發(fā)生改變，中水流量持續(xù)時(shí)間增長。利用水庫調(diào)水調(diào)沙可以提高河道輸沙能力，改善泥沙淤積部位。

2?沖淤量時(shí)空分布

2.1?小浪底庫區(qū)

小浪底水庫蓄水運(yùn)用后（1999年10月至2018年10月），小浪底庫區(qū)干支流共計(jì)淤積泥沙34.339億m3（按水庫泥沙干容重1.2 t/m3折合為41.207億t，與該時(shí)段庫區(qū)沙量平衡計(jì)算成果40.516億t接近），見表4。其中大壩—黃河20、黃河20—黃河38、黃河38—黃河56的淤積量分別為20.872億、12.162億和1.894億m3，占庫區(qū)沖淤量的59.8%、34.8%和5.4%[8];攔沙初期和攔沙中期庫區(qū)淤積泥沙分別為12.607億、22.732億m3，分別占2000—2018年庫區(qū)總淤積量的35.7%和64.3%。

2.2?黃河下游

根據(jù)黃河下游斷面測量成果[8-9]，2000—2018年黃河下游利津以上河段全斷面累計(jì)沖刷量為21.015億m3，沖淤量時(shí)空分布見表5。2003年河道沖刷量最大，為2.621億m3。沖刷量主要集中在夾河灘以上河段，占下游沖刷量的57.0%，沖刷強(qiáng)度自上而下逐漸減弱，夾河灘以上河段平均沖刷強(qiáng)度為569萬m3/km，孫口至利津段平均沖刷強(qiáng)度為108萬m3/km。小浪底水庫攔沙期黃河下游河道沖刷是水庫攔沙和流量過程發(fā)生改變兩方面因素造成的，其中水庫攔沙是造成下游河道持續(xù)沖刷的主要原因。

3?河道沖淤計(jì)算方法

根據(jù)修正輸沙率成果[10]，經(jīng)分析建立了黃河下游河道沖淤量與來水來沙量的關(guān)系，據(jù)此計(jì)算分析小浪底水庫蓄水?dāng)r沙運(yùn)用對(duì)黃河下游河道的減淤效果。

三門峽水庫“蓄清排渾”控制運(yùn)用和目前小浪底水庫的攔沙運(yùn)用，很大程度上改變了進(jìn)入下游的水沙過程，95%以上的泥沙集中于汛期排入下游河道。非汛期進(jìn)入下游河道的含沙量很小，根據(jù)1973—1999年三門峽水庫“蓄清排渾”來水來沙量及相應(yīng)的河道沖淤量，建立非汛期沖淤量與水沙量的擬合關(guān)系：

Csf=Wsf-0.000 05W1.97f（1）

式中：Csf為非汛期沖淤量，億t;Wsf為非汛期來沙量，億t;Wf為非汛期水量，億m3。

2000—2018年為小浪底水庫攔沙期，下游河道除非汛期含沙量很小外，汛期來沙也很少，其沖淤計(jì)算可按月進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)非汛期月來水來沙量及相應(yīng)河道沖淤量，點(diǎn)繪下游河道月沖淤量與來水來沙量的關(guān)系[11]，如圖1所示，并分段進(jìn)行回歸擬合：

Cs=0.96Ws-0.000 2W2.13（W≤50）

0.96Ws-0.03W-0.67（W>50）（2）

式中：Cs為月沖淤量，億t;Ws為月來沙量，億t;W為月水量，億m3。

無小浪底水庫情況下，非汛期進(jìn)入下游河道的仍為清水，汛期則為渾水，其汛期沖淤計(jì)算可采用文獻(xiàn)成果[11]，沖淤量與水沙因子間關(guān)系式為

Csx=0.827Wsx/exp（P*）-0.003 28W1.3x+0.99（3）

式中：Csx為汛期沖淤量，億t;Wsx為汛期來沙量，億t;P*為懸沙粒徑小于0.025 mm的泥沙權(quán)重，多年平均取值約為0.5;Wx為汛期水量，億m3。

4?有無小浪水庫下游河道沖淤計(jì)算

4.1?有小浪底水庫下游河道沖淤計(jì)算

進(jìn)口來水來沙采用小浪底、黑石關(guān)和武陟3站（簡稱小、黑、武3站）水沙之和，非汛期沖淤量由相應(yīng)的水沙量按式（1）計(jì)算，汛期沖淤量根據(jù)月水量和來沙量大小按式（2）逐月計(jì)算，2000—2018年計(jì)算成果見表6。小、黑、武3站年均水沙量合計(jì)值分別為260.0億m3和0.766億t，其中汛期年均水沙量分別為97.0億m3和0.738億t，汛期水沙量分別占年水沙量的37.3%和96.4%。下游河道年均沖淤量為-1.470億t，其中汛期和非汛期年均沖淤量分別為-0.272億、-1.198億t，各占年均沖淤量的18.5%和81.5%。2000—2018年黃河下游累計(jì)沖淤量為-27.933億t，沖刷主要集中于非汛期，非汛期總沖淤量為-22.762億t。其中2000—2003年、2004—2018年黃河下游總沖淤量分別為-3.062億、-24.871億t。

4.2?無小浪底水庫下游河道沖淤計(jì)算

直接用三門峽出庫水沙條件代替小浪底出庫水沙條件，進(jìn)口來水來沙量采用三門峽、黑石關(guān)和武陟3站（簡稱三、黑、武3站）水沙量之和，非汛期沖淤量由相應(yīng)的水沙量按式（1）計(jì)算，汛期根據(jù)月水量和來沙量大小按式（3）計(jì)算，2000—2018年計(jì)算成果見表7。三、黑、武3站年均水沙量合計(jì)值分別為245.8億m3和2.898億t，其中汛期年均水沙量分別為121.5億m3和2.710億t，汛期水沙量占年水沙量的49.5%和93.5%。下游河道年均沖淤量為0.083億t，其中汛期和非汛期年均沖淤量分別為0.588億、-0.504億t，汛期淤積、非汛期沖刷，2000—2018年黃河下游累計(jì)沖淤量為1.582億t，長時(shí)期內(nèi)河道處于微淤狀態(tài)。其中2000—2003年、2004—2018年黃河下游沖淤量分別為7.128億、-5.546億t。

2000—2003年小浪底水庫攔沙量為16.588億t。經(jīng)計(jì)算有小浪底水庫情況下黃河下游沖刷3.062億t，無小浪底水庫情況下黃河下游淤積7.128億t，有小浪底水庫與無小浪底水庫相比，下游河道少淤10.190億t，水庫攔沙量與下游河道減淤量之比為1.628∶1。

2004—2018年小浪底水庫攔沙量為23.928億t。有小浪底水庫情況下黃河下游沖刷24.871億t，無小浪底水庫情況下黃河下游沖刷5.546億t，有小浪底水庫與無小浪底水庫相比，下游河道少淤19.325億t，水庫攔沙量與下游河道減淤量之比為1.238∶1。

2000—2018年三門峽出庫泥沙量為54.862億t，小浪底出庫泥沙量為14.346億t，按沙量平衡法計(jì)算，小浪底水庫攔沙總量為40.516億t。有小浪底水庫和無小浪底水庫，分別按小、黑、武3站和三、黑、武3站作為進(jìn)入黃河下游的控制站進(jìn)行方案對(duì)比計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，有小浪底水庫情況下黃河下游累計(jì)沖刷泥沙27.933億t，無小浪底水庫情況下黃河下游累計(jì)淤積泥沙1.582億t。有小浪底水庫與無小浪底水庫相比較，下游河道少淤29.515億t，水庫攔沙量與下游河道減淤量的比值為1.373∶1。

5?結(jié)?論

（1）小浪底水庫運(yùn)用以來，下游河道累計(jì)沖刷21.015億m3，黃河下游河道持續(xù)沖刷，沖刷主要集中在夾河灘以上河段，占全下游沖刷量的57.0%，夾河灘以上沖刷強(qiáng)度為569萬m3/km，孫口至利津段沖刷強(qiáng)度為108萬m3/km，沖刷強(qiáng)度自上而下逐漸減弱，總體看河道仍以沖刷為主，沖刷重心有向夾河灘以下延伸發(fā)展的趨勢。

（2）小浪底水庫蓄水?dāng)r沙期進(jìn)入黃河下游河道的水沙條件發(fā)生顯著變化，含沙量急劇降低，中水流量持續(xù)時(shí)間增長，水庫調(diào)水調(diào)沙可以提高河道輸沙能力，改善泥沙淤積部位。2000—2018年小浪底水庫攔沙總量為40.516億t，在攔蓄大量泥沙的同時(shí)也改變了進(jìn)入下游的水沙量年內(nèi)分配及流量過程，小浪底水庫出庫相對(duì)于三門峽出庫，非汛期水量明顯增加，非汛期小浪底年均出庫水量為153.6億m3，占年均水量的64.5%，其中6月份出庫水量為37.4億m3，占年均水量的15.7%。小浪底大于2 500 m3/s中水流量歷時(shí)有所增加，2 500～3 000 m3/s出庫流量出現(xiàn)的天數(shù)為101 d，大于3 000 m3/s出現(xiàn)的天數(shù)為143 d，相對(duì)于三門峽分別增加了15 d和64 d。

（3）小浪底水庫攔沙期黃河下游河道沖刷是水庫攔沙和流量過程發(fā)生改變兩方面因素造成的，其中水庫攔沙是造成下游河道持續(xù)沖刷的主要原因。水庫運(yùn)用對(duì)黃河下游河道的減淤效果取決于水沙條件、水庫攔沙量和泥沙粗細(xì)程度及水庫的運(yùn)用方式，同時(shí)也與下游河道主槽的沖淤狀況有關(guān)。2000—2018年三門峽出庫泥沙總量為54.862億t，小浪底出庫泥沙量為14.346億t，小浪底水庫攔沙量40.516億t。經(jīng)對(duì)比計(jì)算，有小浪底水庫情況下黃河下游累計(jì)沖刷泥沙27.933億t，無小浪底情況下黃河下游累計(jì)淤積泥沙1.582億t。有小浪底水庫與無小浪底水庫比較，下游河道少淤29.515億t，水庫攔沙量與下游河道減淤量的比值為1.373∶1。

下游河道減淤作用除與水庫攔沙量有關(guān)外，還與入庫水沙條件、水沙調(diào)控、河道邊界等因素有關(guān)。攔沙減淤比可以為水庫提供一個(gè)長時(shí)期運(yùn)用評(píng)價(jià)指標(biāo)，但對(duì)于一些特殊情況，如水庫泄水量較大或者調(diào)水調(diào)沙年份，攔沙減淤比計(jì)算值就會(huì)失真。

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