2019年小浪底排沙期下游河道水位抬升原因分析

孫贊盈 魏毅琳 馬東方 尚紅霞 張敏

摘 要：2019年是小浪底水庫運用以來進入黃河下游水沙量最多的一年，其中7月8日至8月18日的排沙期，小浪底水庫排沙5.317億t，黃河下游河道淤積3.499億t。排沙過后，逯村、花園鎮(zhèn)、開儀、趙溝、化工3 000 m3/s對應(yīng)水位分別抬升了1.17、1.51、1.50、1.27、1.26 m，開儀3 000 m3/s對應(yīng)水位一度抬升1.82 m，局部河段水位抬升十分突出。為了給以后的水庫調(diào)度提供必要的技術(shù)支撐，充分利用常規(guī)水文資料、險工水尺資料和加測斷面資料，分析了河道發(fā)生淤積、水位抬升的過程和原因，河道寬淺和流速低是部分河段淤積的直接原因，進而造成上游河段溯源淤積，引起水位抬升。建議在以后的水庫排沙調(diào)度中，密切關(guān)注相關(guān)河段的水位變化，隨時調(diào)整水庫調(diào)度方式，以免造成漫灘。

關(guān)鍵詞：淤積;水庫排沙;水位;小浪底水庫;黃河下游

中圖分類號：TV147;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.008

引用格式：孫贊盈，魏毅琳，馬東方，等.2019年小浪底排沙期下游河道水位抬升原因分析[J].人民黃河，2021，43（12）：41-44，48.

Abstract： 2019 is the year with the largest amount of water and sediment entering into the lower Yellow River since the operation of Xiaolangdi Reservoir. During the sediment discharge period from July 8 to 18， the sediment discharge of the reservoir was 531.7 million tons and the siltation of the lower reaches of the Yellow River was 349.9 million tons. After sediment discharge， the water level corresponding to 3 000 m3/s in Fucun， Huayuan Town， Kaiyi， Zhaogou and Huagong was increased by 1.17 m， 1.51 m， 1.50 m， 1.27 m and 1.26 m respectively. The water level corresponding to 3 000 m3/s in Kaiyi was increased by 1.82 m once， and the water level rising in some river sections was very prominent. In order to provide necessary technical support for future reservoir operation， make full use of conventional hydrological data， water gauge data of vulnerable spots and additional survey section data， it used the method of data analysis to analyze the process and causes of river channel sedimentation and water level rising. Shallow river width and low velocity were the direct causes of siltation in some river sections， resulting in retrogressive siltation in the upstream river sections and water level rising. It is suggested to pay close attention to the water level changes of relevant river sections in the future reservoir sediment discharge operation and adjust the reservoir operation at any time to avoid floodplain.

Key words： sedimentation; reservoir desilting; water level; Xiaolangdi Reservoir; Lower Yellow River

1 研究背景

2019年汛期，黃河上中下游出現(xiàn)多次洪水過程，編號洪水出現(xiàn)4次。其中：受持續(xù)降雨影響，黃河上游河源區(qū)來水偏多近60%，并形成3次編號洪水;受強降雨影響，黃河中游山陜區(qū)間部分支流、渭河出現(xiàn)多次明顯洪水過程，渭河洪水與北干流來水匯合后在潼關(guān)站形成1次編號洪水;黃河下游干流洪水主要受水庫聯(lián)合調(diào)度影響，大流量過程持續(xù)時間較長，支流大汶河受臺風“利奇馬”影響出現(xiàn)一次明顯洪水過程。據(jù)統(tǒng)計，2019年龍門、華縣、河津和頭四站（簡稱“四站”）的水量主要由黃河上游的來水構(gòu)成，占四站之和264.4億m3的83%，其次為來自中游支流渭河的洪水，占四站之和的16%。受大汶河來水較多影響，東平湖向黃河干流泄水1.58億m3[1]。

2019年，小浪底、黑石關(guān)和武陟站的水量分別為459.20億、9.88億、0.94億m3，則進入下游的水量（小浪底、黑石關(guān)、武陟三站之和，下同）為470.02億m3，比2000—2018年平均值262.05億m3偏多79%。2019年進入下游的沙量為5.451億t，比2000—2018年平均值0.796億t偏多585%。2019年是小浪底水庫運用以來，進入下游水沙量最多的一年，其水沙量分別比次大年份2018年多19.80億m3和0.81億t。

2019年小浪底水庫排沙過后，西霞院壩下20～40 km的河段在下泄流量為3 000 m3/s時對應(yīng)水位抬高了1.17～1.51 m，其中在排沙過程中，花園鎮(zhèn)對應(yīng)水位一度抬高2.23 m。分析此次排沙期黃河下游局部河段水位抬升的原因，對今后小浪底水庫排沙運用具有指導意義。

2 小浪底水庫排沙運用概況

2019年7月1日15時18分，小浪底水庫水位降至235 m，為應(yīng)對黃河上中游洪水并增強水庫排沙效果，繼續(xù)大流量下泄，實施低水位排沙運用。7月1日11時下泄流量達到4 200 m3/s，18時開始按4 000 m3/s下泄，至7月10日庫水位降至222.29 m，相應(yīng)蓄水量為4.5億m3。為塑造有利水流條件挾沙出庫，避免洪峰增大，7月10日至17日，小浪底水庫按2 600～3 000 m3/s下泄，保持三孔排沙洞全開，小浪底出庫含沙量由7月9日8時的9.91 kg/m3驟增到7月10日14時的142 kg/m3，7月15日18時達到259 kg/m3。

7月20日庫水位降至210 m左右后至8月1日，小浪底水庫按進出庫水量平衡運用。期間，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，其中7月24日15時2號排沙洞因啟閉故障而關(guān)閉，共投入2個排沙洞、2個孔板洞運用。

8月1日20時，小浪底水庫關(guān)閉孔板洞，開始按1 400 m3/s下泄，庫水位逐步升高，至8月5日庫水位漲至220 m左右。為應(yīng)對中游洪水及九號臺風“利奇馬”可能造成的影響，8月5日17時小浪底水庫按4 000 m3/s下泄，再次實施低水位運用，至8月9日庫水位降至213 m附近。根據(jù)預報，上游來水減少，入庫洪水明顯減小，8月9日18時小浪底水庫開始回蓄運用，下泄流量減至2 600 m3/s，10日8時減至1 500 m3/s，10日12時減至700 m3/s，12日18時減至500 m3/s。8月12日至21日，小浪底平均入庫流量1 634 m3/s，下泄流量500 m3/s，至8月21日8時庫水位漲至233.96 m，開始向后汛期水位過渡。

7月上旬，隨著小浪底水庫壩前水位降低，小浪底站7月8日含沙量開始明顯增大，至8月18日含沙量明顯降低、排沙基本結(jié)束。排沙期出庫最大流量為4 580 m3/s，最大日均流量為4 210 m3/s，曾出現(xiàn)5次明顯的沙峰，分別是7月10日的204 kg/m3、7月15日的259 kg/m3、7月20日的182 kg/m3、7月27日的133 kg/m3和8月9日的216 kg/m3，即出庫最大含沙量為259 kg/m3，日均最高含沙量為213 kg/m3。7月8日至8月18日的排沙期間，小浪底水庫出庫水量92.6億m3，累計排沙5.317億t，庫區(qū)沖刷4.107億t。

3 下游河道沖淤及水位抬升原因分析

沙量法計算沖淤量便于分析不同流量過程的沖淤狀況，而斷面法則便于分析沖淤量在斷面橫向上的沖淤分布。本文根據(jù)沙量法和斷面法的特點，對2019年汛期黃河下游的沖淤狀況進行分析。

3.1 各場次洪水的沙量法沖淤狀況分析

考慮區(qū)間引水引沙和洪水演進時間，采用逐日平均資料進行分析計算。計算結(jié)果顯示，7月8日至8月18日期間，進入下游沙量5.354億t，有3.498億t淤積在黃河下游利津以上河道，淤積量占來沙量的65%，高村以上河道淤積明顯，高村以下淤積較少。在高村以上河道淤積量中，花園口以上占了87%，見表1。

3.2 斷面法沖淤量及沖淤特點分析

為更好地研究小浪底水庫排沙期間泥沙在黃河下游夾河灘以上河道時程上的變化和空間上的分布，特加測斷面，加測分為時程斷面加測和洪水過后空間上的加測。時程斷面加測是為了控制斷面在排沙期時程的變化，包括花園鎮(zhèn)、伊洛河口、東小關(guān)和黑石共4個，其中前3個位于花園口以上河段，黑石位于花園口—夾河灘河段，加測自7月8日開始，至24日結(jié)束，共12次統(tǒng)測（7月18日和7月20—23日未測），合計48斷面次。空間加測斷面是排沙過后加測的斷面，共21個，其中花園口以上河段14個，花園口—夾河灘河段7個?？臻g加測斷面在排沙洪水過后的8月14—19日完成測量。圖1為根據(jù)2019年4月15日和8月18日斷面套匯計算的白鶴鎮(zhèn)至夾河灘沿程斷面的沖淤面積及沿程累計沖淤量，表2為排沙期夾河灘以上分河段沖淤狀況。從2019年4月15日至8月18日，夾河灘以上河段斷面法計算淤積量為1.661億m3，淤積發(fā)生在荊隆宮（荊隆宮在柳園口附近）以上長175.27 km的河段;從該河段沿程淤積看，淤積強度有從上到下逐漸減小的現(xiàn)象，白鶴鎮(zhèn)—十里鋪東河段、十里鋪東—來童寨河段、來童寨—荊隆宮河段斷面面積分別減少了1 733、829、365 m2，荊隆宮—夾河灘河段非但沒有淤積，還沖刷了236 m2，淤積強度沿程減小的現(xiàn)象十分明顯;從斷面沖淤面積看，雙槐、東光、馬峪溝、伊洛河口、破車莊和韋城1斷面相比上下游斷面淤積突出。

汛期時程斷面加測自7月8日開始至7月24日結(jié)束，基本覆蓋了小浪底集中排沙的時段，其測量結(jié)果反映了排沙期間的河道沖淤狀況。圖2為自7月8日開始花園鎮(zhèn)、伊洛河口、東小關(guān)和黑石斷面的累計沖淤面積變化過程，在排沙期間，伊洛河口和東小關(guān)分別淤積了1 674 m2和2 138 m2，淤積較為嚴重，花園鎮(zhèn)斷面淤積了1 144 m2，最下游的黑石斷面接近不沖不淤。從淤沖過程看，伊洛河口和東小關(guān)斷面從排沙開始即淤積，期間經(jīng)歷略沖，7月16日大量排沙開始，淤積顯著增加，到7月24日達到最嚴重，此后沖淤變化不大;而花園鎮(zhèn)斷面在7月24日之前呈沖刷狀態(tài)，7月24日之后大量淤積。

經(jīng)計算，7月24日—8月15日花園鎮(zhèn)斷面面積由2 886 m2減小至1 386 m2，減小了52%，淤積非常嚴重。7月8日—8月17日，伊洛河口斷面面積由6 562 m2減小至4 888 m2，減小了26%;東小關(guān)斷面面積由4 095 m2減小至1 955 m2，減小了52%，淤積也很嚴重。伊洛河口和東小關(guān)斷面在淤積過程中伴隨著橫向上的此沖彼淤，深槽位置發(fā)生了顯著擺動。4個斷面中，只有最下游的黑石斷面，斷面面積由4 682 m2增大至4 779 m2，沖淤變化很小，斷面形態(tài)變化不大。

3.3 同流量水位變化情況

圖3為排沙后3 000 m3/s水位變化情況，可以看到夾河灘以上河段同流量水位抬升的站點較多，夾河灘—孫口河段同流量水位下降，孫口以下同流量水位有升有降，總的來說變化不大。逯村—裴峪的水位抬升明顯，其中逯村、花園鎮(zhèn)、開儀、趙溝、化工3 000 m3/s水位分別抬升了1.17、1.51、1.50、1.27、1.26 m，水位抬升十分突出。該河段在花園鎮(zhèn)—馬峪溝大斷面之間，河段長約12 km，在西霞院水庫壩下25～37 km，在伊洛河口上游18～30 km，在花園口上游77～89 km。

圖3反映了排沙后的同流量水位變化情況，如果分析同流量水位變化過程，則局部河段的同流量水位抬升更為突出?；▓@鎮(zhèn)的3 000 m3/s水位一度抬升2.23 m（從7月12日的111.20 m抬升到8月1日的113.43 m），開儀3 000 m3/s水位一度抬升1.82 m（從7月12日的109.79 m抬升到7月24日的111.61 m）。

3.4 河道淤積及水位抬升的原因分析

（1）水沙條件的影響。據(jù)統(tǒng)計，排沙期間，流量小于3 000 m3/s的水流挾帶的沙量為2.338億t，占總量的44%，而流量大于4 000 m3/s的水流挾帶的沙量為0.323億t，僅占總量的6%。小流量的流速小，即使單股河槽也容易造成河道深槽淤積，對于寬淺斷面及多股河的河道，流速更小，河槽淤積尤其嚴重。

（2）越寬淺的斷面淤積越嚴重。夾河灘以上河段可分為伊洛河口以上、伊洛河口—花園口和花園口—夾河灘3個河段，點繪各河段排沙期斷面沖淤面積和槽寬的關(guān)系，見圖4。由圖4可以看出：同一河段，淤積面積隨槽寬增大而增多;同樣的槽寬，越上游的河段，淤積強度越大。

寬淺斷面往往是兩股河或多股河，小浪底排沙期間的日均流量為1 600～4 200 m3/s，多股河使有限的流量產(chǎn)生分流，每股汊河的流量較小，流速更小，排沙水流在這樣的斷面上容易發(fā)生淤積。圖5為伊洛河口斷面形態(tài)，7月8日水位為105.54 m，該水位下的過水面積A為4 356 m2，考慮洪水演進和沿程坦化，推算當時的流量Q為4 113 m3/s，則斷面平均流速V為0.94 m/s。

伊洛河口斷面附近為多股河，7月8日排沙前，伊洛河口斷面105.54 m水位以下，左淺槽（起點距6 799～8 116 m）和右深槽（起點距8116～9 147 m）的面積分別為1 460 m2和2 896 m2，寬度B分別約為1 317 m和1 031 m。假設(shè)全斷面流量4 113 m3/s全部集中在右深槽，則“右深槽”的流速僅為1.42 m/s。實際上伊洛河口左淺槽部分是過流的（實測資料如此，而且其確實發(fā)生了淤積），由此可見，在流量4 113 m3/s時，伊洛河口斷面右深槽的流速還要明顯小于1.42 m/s。在排沙流量小于4 113 m3/s時，伊洛河口斷面右深槽的流速更小。

綜上，斷面寬淺是伊洛河口這類斷面發(fā)生淤積的重要原因，而河道嚴重淤積又會引起本河段的水位抬升。

（3）縱剖面的影響。圖6為根據(jù)2019年4月統(tǒng)測大斷面測時水位點繪的西霞院壩下115 km河段的水面線。大斷面施測水位沿程變化反映了河道比降變化。2019年汛前，下古街（西霞院壩下16.27 km）以上河段的平均比降為6.85/10 000，而下古街以下河段的比降僅為1.49/10 000，下古街以下河段的縱比降明顯小于上段的。根據(jù)比降估算，同樣的流量、河道橫斷面形態(tài)和糙率，下古街以下河道的流速只有下古街以上河道流速的50%。在其他條件一致的情況下，縱比降小的河道，流速也小，從而引起河道淤積。這也是造成縱向上的淤積部位主要在下古街以下河段的原因之一，這和2012年汛期、2018年汛期排沙十分相似[2-3]。

（4）水位抬升的原因。花園鎮(zhèn)斷面7月24日測時水位為112.73 m，根據(jù)汛期加測斷面，計算該水位的過水面積為2 732 m2，考慮洪水演進、沿程坦化和沿程引水，推算的流量為3 075 m3/s，則相應(yīng)流速不到1.13 m/s，流速很小。而自7月8日至7月24日，花園鎮(zhèn)斷面并未發(fā)生淤積，顯然，這是其下游寬淺河段的大量淤積，引起水位抬升向上游產(chǎn)生壅水導致的。圖7為排沙期間花園鎮(zhèn)斷面和伊洛河口斷面的平均河底高程變化過程，花園口、開儀及神堤在3 000 m3/s流量下水位的變化過程，為顯示水庫排沙過程，圖7（a）中還套繪了西霞院水庫的輸沙率過程線。

4 結(jié) 語

（1）2019年，進入下游的水量為470.02億m3，比2000—2018年平均值262.05億m3偏多79%;2019年進入下游的沙量為5.451億t，比2000—2018年平均值0.796億t偏多585%。2019年是小浪底水庫運用以來，進入下游水沙量最多的一年。自7月8日至8月18日的排沙期間，小浪底水庫出庫水量92.6億m3，累計排沙5.317億t，庫區(qū)沖刷4.107億t。

（2）小浪底水庫集中排沙期間（7月8日至8月18日），進入下游沙量5.354億t，采用沙量法計算的黃河下游利津以上淤積3.498億t，淤積量占來沙量的65%，在高村以上河道淤積量中花園口以上占了87%，這說明淤積主要集中在花園口以上河段。排沙過后，逯村、花園鎮(zhèn)、開儀、趙溝、化工3 000 m3/s水位分別抬升了1.17、1.51、1.50、1.27、1.26 m，局部河段水位抬升十分突出。

（3）分析了花園口以上河段發(fā)生淤積和水位抬升的原因。①水沙條件。流量小于3 000m3/s的水流挾帶的沙量為2.338億t，占總量的44%，而流量大于4 000 m3/s的水流挾帶的沙量為0.323億t，僅占總量的6%。小流量的流速小，即使單股河槽也容易造成河道深槽淤積，對于寬淺斷面及多股河的河道，流速更小，河槽淤積尤其嚴重。②越寬淺的斷面流速越小，淤積越嚴重。例如，伊洛河口斷面流量為4 113 m3/s時斷面平均流速僅0.94 m/s。③縱剖面的影響。下古街（西霞院壩下16.27 km）以上河段的平均比降為6.85/10 000，而下古街以下河段的比降僅1.49/10 000，下古街以下河道的流速只有下古街以上河道流速的50%。在其他條件一致的情況下，縱比降小的河道，流速也小，從而更容易引起河道淤積。這也是造成縱向上的淤積部位在下古街以下河段的原因之一。④水位抬升的原因。伊洛河口等寬淺斷面發(fā)生淤積，引起本河段水位抬升，繼而引起水位抬升向上游產(chǎn)生壅水，使其上游的窄深斷面（如花園鎮(zhèn)）的水位抬升、流速大幅降低，繼而又發(fā)生淤積。

（4）目前，黃河下游花園口以上平灘流量較大，有一定的滯沙能力，這為利用河道調(diào)沙提供了可能。然而排沙期河道的淤積并不是平鋪在花園口以上整個河段，通常是堆積在局部河段，從而使局部河段同流量水位劇烈抬升，造成河道排洪能力急劇降低。建議在以后的水庫排沙過程中密切關(guān)注局部河段的水位抬升幅度，隨時調(diào)整水庫調(diào)度方式，以免造成漫灘。

參考文獻：

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[2] 孫贊盈.2012年汛期黃河下游局部河段淤積嚴重的原因分析[C]//中國水利學會泥沙專業(yè)委員會.第九屆全國泥沙基本理論研究學術(shù)討論會論文集.北京：中國水利學會泥沙專業(yè)委員會，2014：190-193.

[3] 孫贊盈，尚紅霞，彭紅.2018年汛期黃河下游河道排洪能力分析[J].人民黃河，2019，41（12）：8-12.

【責任編輯 張 帥】