小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足原因和對策

張金良 魯俊 韋詩濤 羅秋實(shí) 萬占偉

摘 要：小浪底水庫是現(xiàn)狀黃河水沙調(diào)控體系的核心，為完善黃河水沙調(diào)控機(jī)制，需研究小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足的原因及增強(qiáng)對策。以小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙實(shí)踐為基礎(chǔ)，分析入庫水沙條件和庫區(qū)排沙規(guī)律、調(diào)水調(diào)沙動力不足的特征和原因;研究增強(qiáng)小浪底水庫后續(xù)動力的要求，包括降低水位沖刷、保持有效庫容、協(xié)調(diào)下游水沙關(guān)系等，需要中游水庫塑造適宜的洪水過程，實(shí)現(xiàn)水沙有效對接、合理搭配;結(jié)合黃河水沙調(diào)控體系工程現(xiàn)狀和規(guī)劃，提出了增強(qiáng)調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力的措施，認(rèn)為現(xiàn)狀工程在增強(qiáng)小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力方面存在較大制約，建設(shè)古賢水庫是解決小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足的首選措施，可使小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力得到有效補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：小浪底水庫;異重流;古賢水庫;水沙調(diào)控;動力條件;黃河

中圖分類號：TV213.9;TV145+.2;TV882.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.002

引用格式：張金良，魯俊，韋詩濤，等.小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足原因和對策[J].人民黃河，2021，43（1）：5-9.

Causes and Countermeasures of Insufficient Follow-Up Power for

Waterand Sediment Regulation in Xiaolangdi Reservoir

ZHANG Jinliang， LU Jun， WEI Shitao， LUO Qiushi， WAN Zhanwei

（Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract：The Xiaolangdi Reservoir is the core of the current Yellow River water and sediment regulation system. In order to improve the Yellow River water and sediment regulation mechanism， it is necessary to study the causes and enhancement measures for the insufficient follow-up power for water and sediment regulation in Xiaolangdi Reservoir. Based on the practice of water and sediment regulation in Xiaolangdi Reservoir， this paper analyzed the incoming conditions of water and sediment in the reservoir and the rule of sediment discharge in the reservoir area， and clarified the characteristics and reasons of insufficient power for water and sediment regulation. Also， it studied themeasures to enhance the follow-up power of Xiaolangdi Reservoir， including lowering the water level for erosion， effective storage capacity maintenance， coordination of downstream water-sediment relations， etc.， which required sufficient flood processes to achieve effective and rational water-sediment relation of midstream reservoirs. Combined with the current situation and the planning of the Yellow River water-sediment regulation system， the enhancement measures of follow-up power for water and sediment regulation were proposed. It believed that the current projects had major constraints in enhancing the follow-up power for water and sediment regulation in Xiaolangdi Reservoir. The construction of the Guxian Reservoir was the first choice to solve the lack of follow-up power for water and sediment regulation in Xiaolangdi Reservoir， to effectively supply the follow-up power of water and sediment regulation in Xiaolangdi Reservoir.

Key words： Xiaolangdi Reservoir; density current; Guxian Reservoir; water and sediment regulation; dynamic conditions; Yellow River

（2）中游洪水泥沙發(fā)生頻次減少、歷時(shí)短，受現(xiàn)有水文預(yù)報(bào)期限制，水庫降低水位排沙時(shí)機(jī)難以精確把控。2000年以來，受降雨變化、水利水保工程建設(shè)、黃土高原退耕還林還草、水資源開發(fā)利用、流域煤礦開采以及河道采砂取土等因素影響，中游洪水顯著減少，自然條件下的洪水動力大幅減弱，不利于小浪底庫區(qū)排沙和下游河道輸沙。潼關(guān)水文站是三門峽水庫的入庫站，其洪水預(yù)報(bào)依據(jù)其上游臨近站（干流龍門站及支流渭河、汾河、北洛河的控制站）的實(shí)測洪水過程進(jìn)行，因此洪水預(yù)報(bào)的預(yù)見期即河道洪水傳播時(shí)間減去預(yù)報(bào)時(shí)間，2 000～5 000 m3/s流量級洪水預(yù)見期為12～18 h，5 000 m3/s以上流量級的洪水預(yù)見期為10～16 h。潼關(guān)至三門峽水庫壩址洪水傳播時(shí)間約12 h，綜合預(yù)見期為22～30 h，即目前支持小浪底水庫調(diào)度的精確洪水預(yù)報(bào)期不足2 d。歷年調(diào)水調(diào)沙期間，小浪底水庫一般按6 d預(yù)見期進(jìn)行實(shí)際調(diào)度[18]。汛期小浪底水庫一般蓄水8億～13億m3，考慮調(diào)水調(diào)沙后預(yù)留3億m3應(yīng)急水量，水庫需要提前泄水5億～10億m3，按入庫基流1 000 m3/s、水庫泄水4 000 m3/s考慮，泄水歷時(shí)2～4 d后才能基本達(dá)到降低水位沖刷排沙的要求。按照預(yù)見期6 d考慮，則剩余可預(yù)見的大流量排沙歷時(shí)僅為2～4 d，預(yù)見期外后續(xù)洪水流量若偏小則后續(xù)動力不足，將直接影響水庫降低水位沖刷排沙和下游河道輸沙的效果，存在較大的不確定性，難以準(zhǔn)確把控。若在汛前調(diào)水調(diào)沙，小浪底水庫蓄水更多，泄水時(shí)間要求更長，降低水位沖刷排沙效果更難把控。

（3）有利于小浪底水庫排沙的入庫洪水過程偏短，造成調(diào)水調(diào)沙期出庫含沙量沿時(shí)程前低后高，不能充分發(fā)揮下游河槽的輸沙能力并可能造成部分河段河槽淤積。在天然異重流排沙、人工塑造異重流排沙、渾水水庫排沙、壅水明流排沙、降水明流排沙等方式中，小浪底水庫出庫泥沙的來源主要為潼關(guān)以上河道來沙、三門峽庫區(qū)來沙、小浪底庫區(qū)淤積三角洲沖刷的泥沙。理想的高效調(diào)水調(diào)沙過程應(yīng)是進(jìn)入下游的水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度接近或等于1，這樣的水沙過程持續(xù)5～6 d。顯然在天然洪水過程+人工調(diào)控過程或人工調(diào)控過程中，由于現(xiàn)狀三門峽、萬家寨等水庫汛期庫容太小，無法實(shí)施有效調(diào)節(jié)，因此造成小浪底水庫排沙后續(xù)動力嚴(yán)重不足。

3 增強(qiáng)調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力的要求

調(diào)水調(diào)沙要滿足兩方面要求：一是水庫排沙減淤、保持長期有效庫容和庫區(qū)淤積形態(tài)塑造的要求，二是利用調(diào)水調(diào)沙水量協(xié)調(diào)水沙關(guān)系、提高下游河道輸沙效率、維持下游中水河槽過流能力的要求。

（1）庫區(qū)排沙減淤、降低水位沖刷泥沙和庫區(qū)淤積形態(tài)塑造、保持有效庫容對入庫水沙條件的要求。水庫經(jīng)過長時(shí)期運(yùn)用，庫區(qū)淤積量會逐漸增多，為了繼續(xù)發(fā)揮水庫的綜合效益和延長水庫的使用年限，需要采取措施恢復(fù)一部分淤積的庫容?；謴?fù)庫容指的是不僅要把入庫的泥沙帶走，同時(shí)還要沖刷庫區(qū)前期淤積的泥沙，擴(kuò)大水庫的可利用庫容。根據(jù)對庫區(qū)挾沙水流運(yùn)動特點(diǎn)的分析，只有當(dāng)水庫處于均勻明流輸沙流態(tài)時(shí)，水庫才有可能發(fā)生沖刷[14-15]。調(diào)控庫容是水庫充分發(fā)揮綜合效益的根本，小浪底水庫處于黃河水沙進(jìn)入下游河道的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是中下游水沙調(diào)控體系的核心工程，承擔(dān)著多項(xiàng)開發(fā)任務(wù)，其庫容尤顯珍貴，目前水庫已進(jìn)入攔沙后期運(yùn)用，在有利的水沙條件下伺機(jī)降低水位泄水運(yùn)用，恢復(fù)部分前期淤積的庫容，延長水庫攔沙年限，是迫切而且必要的。調(diào)控流量、沖刷流量是水庫調(diào)節(jié)的重要指標(biāo)[19-21]，其中：調(diào)控流量選擇的關(guān)鍵在于是否有利于下游河道的減淤和中水河槽的維持，而沖刷流量的選擇更注重水庫的沖刷效果和長期有效庫容的保持。小浪底水庫在進(jìn)行降低水位沖刷時(shí)，不僅要考慮下游河道的承受能力（三門峽、小浪底等水庫降低水位沖刷排沙期間，出庫含沙量多數(shù)為60 kg/m3左右，甚至超過100 kg/m3），減少河道淤積，還要兼顧下游河道高效輸沙。研究認(rèn)為，小浪底水庫降低水位沖刷流量應(yīng)不小于2 600 m3/s，即根據(jù)水文預(yù)報(bào)，當(dāng)將要來連續(xù)2 d以上流量大于等于2 600 m3/s的入庫洪水時(shí)，水庫提前2 d按下游平灘流量下泄洪水，沖刷排沙，待洪水過后（流量小于2 600 m3/s）恢復(fù)蓄水運(yùn)用。采用該流量級洪水進(jìn)行降水沖刷，一方面可以滿足水庫沖刷、恢復(fù)庫容的需要，另一方面還可避免不利的流量級洪水進(jìn)入黃河下游，且大流量過程能持續(xù)一定的歷時(shí)，避免下游河道的淤積。

（2）水庫異重流塑造對入庫水沙條件的要求。人工塑造異重流，并使之持續(xù)運(yùn)行到壩前，必須使形成異重流的水沙過程滿足異重流持續(xù)運(yùn)動條件。從物理意義上來說，必須使洪水提供給異重流的能量能夠彌補(bǔ)異重流沿程和局部的能量損失，否則異重流將在中途消失。因此，成功塑造異重流并排沙出庫的關(guān)鍵，首先是確定在當(dāng)時(shí)的邊界條件下形成異重流并運(yùn)行至壩前的臨界水沙條件;其次是通過中游各水庫聯(lián)合調(diào)度，使得運(yùn)行至小浪底水庫回水末端的水沙過程滿足并超越其臨界條件，實(shí)現(xiàn)異重流排沙或增大異重流排沙比，維持至異重流排沙結(jié)束并持續(xù)一段時(shí)間。

異重流是否發(fā)生與入庫流量和含沙量的大小及二者的搭配、泥沙級配、潛入點(diǎn)的斷面特征等因素有關(guān)。根據(jù)小浪底水庫異重流實(shí)測資料分析，異重流潛入的水沙條件：①入庫流量一般不小于300 m3/s，流量為300 m3/s左右時(shí)的含沙量為50 kg/m3左右;②流量大于800 m3/s時(shí)，相應(yīng)含沙量為10 kg/m3左右;③流量為300～800 m3/s時(shí)，含沙量可隨流量的增大而減小。與上述水沙條件相應(yīng)的懸沙中細(xì)泥沙（中徑≤0.025 mm）的比例一般不小于70%，若水流中細(xì)泥沙的比例增大，則流量及含沙量要相應(yīng)減小。

水庫產(chǎn)生異重流并能到達(dá)壩前，除需具備一定的洪水歷時(shí)之外，還需滿足一定的流量及含沙量，即形成異重流的水沙過程所提供給異重流的能量要足以彌補(bǔ)異重流的能量損失。異重流的流速及挾沙力與其含沙量成正比，形成異重流的流速與含沙量具有互補(bǔ)性。根據(jù)小浪底水庫發(fā)生異重流時(shí)入庫水沙資料分析，異重流產(chǎn)生并持續(xù)運(yùn)行至壩前的臨界條件[22]：①入庫洪水有一定歷時(shí)且細(xì)泥沙的比例不小于70%;②入庫洪水具備足夠大的流量及含沙量（流量大于2 000 m3/s且含沙量大于40 kg/m3，或流量大于500 m3/s且含沙量大于220 kg/m3）。

綜上分析可知，水庫調(diào)水調(diào)沙所需流量較大且要有一定的歷時(shí)（調(diào)控流量為3 500～4 000 m3/s的歷時(shí)不少于5 d，調(diào)控流量為2 600 m3/s的歷時(shí)不少于6 d），若僅依靠小浪底水庫自身蓄水，其運(yùn)用水位高，只能采用異重流排沙或渾水水庫排沙，綜合效果較差，而且會導(dǎo)致水庫淤積量增加，不能充分發(fā)揮水庫的減淤作用。當(dāng)小浪底水庫進(jìn)入正常運(yùn)用期后，庫區(qū)形成高灘深槽形態(tài)，僅剩余10億m3槽庫容可用于調(diào)水調(diào)沙調(diào)度，考慮到槽庫容經(jīng)常性的淤積變化可能導(dǎo)致蓄水量無法滿足調(diào)水調(diào)沙要求，難以有效協(xié)調(diào)黃河下游水沙關(guān)系，下游河道特別是中水河槽仍會嚴(yán)重淤積。因此，從小浪底水庫攔沙減淤、有效庫容保持、協(xié)調(diào)進(jìn)入下游的水沙關(guān)系、塑造下游河道有利于輸沙的河槽形態(tài)等方面的要求看，亟須中游水庫為小浪底水庫提供后續(xù)動力，塑造適宜的洪水過程，實(shí)現(xiàn)水沙有效對接、合理搭配。

4 解決調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足的措施

現(xiàn)狀工程運(yùn)用條件下，黃河中游水庫群人工塑造洪水進(jìn)行泥沙調(diào)節(jié)比較困難。1986年龍羊峽水庫投入運(yùn)用以來，每年汛期平均蓄水量約50億m3[23]，用于滿足枯水期用水需求，提高了水資源利用效率，但也導(dǎo)致黃河上游進(jìn)入中下游的中小洪水大幅度減小，進(jìn)而使得依靠天然洪水沖刷小浪底庫區(qū)的機(jī)會減少;而河口鎮(zhèn)—三門峽區(qū)間洪水具有含沙量大、洪水歷時(shí)短的特點(diǎn)，利用高含沙洪水沖刷庫區(qū)淤積物會造成出庫水流含沙量大幅度提高，進(jìn)入下游的洪水水沙關(guān)系更加惡化，增加下游河道淤積。

2004年，在黃河干支流沒有發(fā)生洪水時(shí)，黃委組織汛前調(diào)水調(diào)沙，通過調(diào)度萬家寨、三門峽、小浪底水庫，人工塑造洪水，沖刷小浪底庫區(qū)和黃河下游淤積的泥沙，為協(xié)調(diào)黃河水沙關(guān)系找到了一種較好的模式。但萬家寨、三門峽水庫調(diào)節(jié)庫容不大，所能提供的水流動力條件不足，調(diào)水調(diào)沙期間小浪底水庫下泄水流的平均含沙量不足20 kg/m3，沒有充分發(fā)揮下游河道的輸沙能力。受潼關(guān)高程的影響以及自身庫容保持的需要，三門峽水庫目前汛期限制運(yùn)用水位為305 m，相應(yīng)庫容約0.49億m3，無法為小浪底庫區(qū)沖刷排沙提供充足的后續(xù)動力。

上游骨干水庫增強(qiáng)小浪底水庫后續(xù)動力、配合小浪底水庫協(xié)調(diào)黃河水沙關(guān)系技術(shù)難度大。通過黃河上游龍羊峽水庫汛期蓄水，龍羊峽、劉家峽兩庫聯(lián)合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了水資源的多年調(diào)節(jié)，優(yōu)化了水資源時(shí)空配置，在保障供水安全、防止黃河斷流等方面發(fā)揮了重要作用。如果龍羊峽水庫在汛期不蓄水或者少蓄水，則勢必打亂已形成多年的經(jīng)濟(jì)社會用水格局，對流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來極大影響，同時(shí)受流程長、區(qū)間水庫調(diào)蓄、支流入?yún)R等復(fù)雜情況影響，調(diào)水調(diào)沙實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對接的難度大，可能帶來較大的調(diào)度風(fēng)險(xiǎn)。所以，改變龍羊峽、劉家峽水庫運(yùn)用方式，配合小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙的方案很難實(shí)現(xiàn)。

建設(shè)古賢水庫是解決小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足的首選措施，可使小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力得到有效補(bǔ)充。國務(wù)院批復(fù)的《黃河流域綜合規(guī)劃（2012—2030年）》提出建設(shè)以干流龍羊峽、劉家峽、黑山峽、磧口、古賢、三門峽、小浪底等7大骨干水利樞紐為主體，以支流陸渾、故縣、河口村、東莊等水庫為補(bǔ)充的黃河水沙調(diào)控工程體系。磧口、古賢兩大水庫是黃河水沙調(diào)控體系中游洪水泥沙子體系的重要組成部分，從增強(qiáng)小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力、協(xié)調(diào)黃河水沙關(guān)系的需要出發(fā)，近期迫切需要開工建設(shè)其一，以初步形成黃河水沙調(diào)控體系的工程布局。從黃河水沙調(diào)控體系運(yùn)行機(jī)制而言，古賢水利樞紐工程處于黃河北干流下段，距小浪底最近，可控制黃河全部泥沙的60%、粗泥沙的80%，其控制黃河北干流洪水、泥沙的程度都明顯高于磧口水庫。古賢水庫正常蓄水位627 m，死水位588 m，總庫容129.42億m3（其中：攔沙庫容93.42億m3，調(diào)水調(diào)沙庫容20億m3）。先期建設(shè)古賢水庫，其在一定時(shí)期內(nèi)可基本承擔(dān)黃河中游水沙調(diào)控體系的功能，既可對黃河上游水沙進(jìn)行有效調(diào)控，又可為其下游的三門峽、小浪底水庫提供足夠的調(diào)水調(diào)沙動力條件，起到承上啟下的作用，使黃河水沙調(diào)控體系的作用得到充分發(fā)揮。

5 結(jié) 論

（1）小浪底水庫處于攔沙后期運(yùn)用的第一階段，水庫以異重流排沙和渾水水庫排沙為主，受黃河中游洪水泥沙發(fā)生頻次少、歷時(shí)短以及水文預(yù)報(bào)期限制，水庫降低水位排沙時(shí)機(jī)少且難以精確把控;目前中游水庫的調(diào)節(jié)能力小，補(bǔ)充人造洪水后續(xù)動力的能力有限。以上兩方面是水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足的主要原因。

（2）從小浪底水庫排沙減淤、降低水位沖刷、有效庫容保持、協(xié)調(diào)下游水沙關(guān)系、塑造下游河道有利輸沙過程的要求看，亟須中游水庫為小浪底水庫提供后續(xù)動力，塑造適宜的洪水過程，實(shí)現(xiàn)水沙有效對接、合理搭配。

（3）在現(xiàn)狀工程運(yùn)用條件下，上游骨干水庫增強(qiáng)小浪底水庫后續(xù)動力、配合小浪底水庫協(xié)調(diào)黃河水沙關(guān)系難以實(shí)施，也很難有較好效果;利用中游水庫群人工塑造洪水進(jìn)行水沙調(diào)節(jié)比較困難，受潼關(guān)高程限制，現(xiàn)狀三門峽水庫提高汛限水位補(bǔ)充調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力可能性小。建設(shè)古賢水庫是解決小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足的首選措施，可使小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力得到有效補(bǔ)充。

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【責(zé)任編輯 張華興】