黃河黑山峽水庫庫容規(guī)模需求研究

安催花 魯俊 郭兵托 羅秋實(shí) 李超群 馬蒞茗

摘 要：庫容規(guī)模的確定是黃河黑山峽河段開發(fā)方案的關(guān)鍵之一。分析新形勢下黃河黑山峽河段開發(fā)需求，包括：協(xié)調(diào)水沙關(guān)系，減輕寧蒙河段淤積，恢復(fù)和維持適宜中水河槽規(guī)模；增強(qiáng)防凌能力，保障寧蒙河段防凌防洪安全；合理調(diào)配水資源，協(xié)調(diào)水量調(diào)度和發(fā)電運(yùn)用之間的矛盾，充分發(fā)揮水資源綜合效益；為附近地區(qū)供水，改善民生，保障生態(tài)安全。計(jì)算分析不同開發(fā)需求的庫容規(guī)模，包括調(diào)水調(diào)沙庫容規(guī)模、防凌庫容規(guī)模和供水調(diào)節(jié)庫容規(guī)模，綜合研究不同庫容需求在時(shí)間、空間上的分布及相互關(guān)系，提出南水北調(diào)西線調(diào)水生效前黑山峽水庫庫容規(guī)模需求為40.8億m3，西線調(diào)水生效后黑山峽水庫庫容規(guī)模需求為57.6億m3。

關(guān)鍵詞：調(diào)水調(diào)沙庫容；防凌庫容；供水調(diào)節(jié)庫容；黑山峽；黃河

中圖分類號：TV62；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.009

引用格式：安催花，魯俊，郭兵托，等.黃河黑山峽水庫庫容規(guī)模需求研究[J].人民黃河，2022，44（1）：42-46.

ResearchontheScaleRequirementoftheDevelopmentandStorageCapacityin HeishanxiaSectionoftheYellowRiver

ANCuihua，LUJun，GUOBingtuo，LUOQiushi，LIChaoqun，MALiming（YellowRiverEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Zhengzhou450003，China）

Abstract：ThedeterminationofthestoragecapacityscaleisoneofthekeyissuesindeterminingthedevelopmentplanintheHeishanxia reachoftheYellowRiver.ThispaperanalyzedthedevelopmentrequirementintheHeishanxiasectionoftheYellowRiverunderthenewsitu ation，includingcoordinatingtherelationshipbetweenwaterandsediment，reducingsiltationintheNingxia InnerMongoliasection，restoring andmaintaininganappropriatemedianwaterchannelscale；enhancingthecapacityoficecontrolandensuringthesafetyoffloodcontroland icecontrolintheupperreachesoftheYellowRiver；reasonablyallocatingwaterresources，coordinatingthecontradictionbetweenwaterdis patchingandpowergenerationutilization，fullyutilizingthecomprehensivebenefitsofwaterresources；supplyingwatertonearbyareas，im provingpeople’slivelihoodandensuringecologicalsafety.Also，thestudycalculatedandanalyzedthestoragecapacityofdifferentdevelop mentrequirements，includingstoragecapacityofwaterandsedimentregulation，storagecapacityoficecontrolandwatersupplyadjustment storagecapacity.Withcomprehensivelystudyingindistributionandrelationshipofdifferentstoragerequirementsintimeandspace，itwasput forwardthatthecapacityrequirementoftheHeishanxiaReservoirwas4.08billionm3beforetheWestRouteofSouth NorthWaterTransfer Projecttakingeffectandthecapacityrequirementofthereservoirwas5.76billionm3aftercomingintoeffect.

Keywords：storagecapacityofwaterandsedimentregulation；storagecapacityoficecontrol；storagecapacityofwatersupplyregulation；Heishanxia；YellowRiver

1 研究背景

自河源至內(nèi)蒙古托克托縣的河口鎮(zhèn)為黃河上游。黑山峽河段位于黃河上游甘肅省和寧夏回族自治區(qū)接壤處，起于甘肅省靖遠(yuǎn)縣大廟村，在寧夏中衛(wèi)市小灣村出峽谷后進(jìn)入寧蒙河套平原，見圖1。峽谷出口處控制流域面積25.2萬km2，天然年徑流量317億m3，約占黃河天然年徑流量的62%。黑山峽河段具有較好的建庫條件，在黃河治理開發(fā)中占據(jù)重要地位。該河段開發(fā)究竟面臨何種需求，建設(shè)多大的水庫，歷來受人關(guān)注。2000年以來，有關(guān)部門和學(xué)者圍繞黑山峽河段開發(fā)進(jìn)行了研究論證。從已發(fā)表文獻(xiàn)看，林昭[1]、楊松青等[2]、司志明[3]、曲耀光等[4]、郭瀟等[5]、何潛等[6]、楊振立等[7]、王旭強(qiáng)等[8]研究了黑山峽河段開發(fā)任務(wù)，分析了黑山峽河段開發(fā)在黃河水資源利用、防洪防凌、生態(tài)環(huán)境保護(hù)乃至區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的戰(zhàn)略地位；魯春霞等[9]分析了該河段開發(fā)的機(jī)會成本；鄭賀新[10]研究了黑山峽水庫泥沙淤積情況；唐旺等[11]預(yù)測了黑山峽水庫建成后下游河道水溫變化；袁斌[12]研究了該河段開發(fā)對寧蒙河段的防凌作用；段高云等[13]研究了黑山峽水庫對寧蒙河段的綜合作用?？偟膩砜?，雖然圍繞黑山峽河段開發(fā)已有大量研究成果，但還沒有文獻(xiàn)全面給出黑山峽河段開發(fā)在調(diào)水調(diào)沙、防凌、供水等不同方面的庫容規(guī)模需求，而這正是該河段開發(fā)方案決策的關(guān)鍵。

當(dāng)前，黃河流域經(jīng)濟(jì)社會和生態(tài)環(huán)境發(fā)生重大變化，正面臨新形勢。習(xí)近平總書記2019年9月18日在鄭州召開的黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會上將黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展上升為重大國家戰(zhàn)略，要求解決好流域人民群眾特別是少數(shù)民族群眾關(guān)心的防洪安全、飲水安全、生態(tài)安全等問題，讓黃河成為造福人民的幸福河。本文結(jié)合新形勢分析黑山峽河段開發(fā)需求，分析計(jì)算黑山峽河段開發(fā)在不同方面的庫容需求，綜合研究提出黑山峽河段開發(fā)水庫庫容規(guī)模需求，以期為黑山峽河段開發(fā)提供參考。

2 黑山峽河段開發(fā)需求

黑山峽河段附近區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，水安全保障形勢嚴(yán)峻，工程短板問題突出。新形勢下，黑山峽河段開發(fā)應(yīng)考慮以下需求。

（1）協(xié)調(diào)水沙關(guān)系，減輕寧蒙河段淤積，恢復(fù)和維持適宜中水河槽規(guī)模。維持一定中水河槽規(guī)模對提高河道輸沙、保障河道防凌防洪安全具有重要意義。20世紀(jì)80年代中期以后，上游龍羊峽、劉家峽水庫等聯(lián)合調(diào)節(jié)作用以及經(jīng)濟(jì)社會用水影響等因素，大大改變了徑流年內(nèi)分配，減少了進(jìn)入寧蒙河段水量尤其是汛期水量和有利于輸沙的大流量過程，同時(shí)寧蒙區(qū)間支流高含沙洪水頻發(fā)，水沙關(guān)系惡化、不協(xié)調(diào)導(dǎo)致寧蒙河段尤其是內(nèi)蒙古河段淤積萎縮加重[14-19]，中水河槽過流能力急劇下降，嚴(yán)重威脅河段防凌防洪安全，先后發(fā)生了6次凌汛決口和1次汛期決口，防凌防洪形勢嚴(yán)峻[20-24]。因此，在“增水、減沙、調(diào)水調(diào)沙”的總體治理思路[25]下，需要建設(shè)黑山峽水庫并進(jìn)行反調(diào)節(jié)，增加汛期輸沙水量，攔沙減淤，塑造有利于寧蒙河段輸沙的水沙過程[24]，恢復(fù)和維持河道主槽的行洪能力，同時(shí)為中游骨干水庫調(diào)水調(diào)沙和有效庫容恢復(fù)提供水流動力條件，協(xié)調(diào)進(jìn)入中下游的水沙關(guān)系，減輕中下游河道淤積。

（2）增強(qiáng)防凌能力，保障黃河上游（主要是寧蒙河段）防凌防洪安全。雖然龍劉水庫（指龍羊峽、劉家峽水庫，下同）聯(lián)合運(yùn)用以來，通過優(yōu)化水庫防凌調(diào)度，控制流凌封河期流量，穩(wěn)定穩(wěn)封期流量，減小開河期流量，在一定程度上保障了寧蒙河段封開河的穩(wěn)定，但是龍劉水庫距離內(nèi)蒙古河段遠(yuǎn)，無法有效控制祖厲河、湟水等支流來水以及寧蒙灌區(qū)冬季引水退水，防凌調(diào)度不夠及時(shí)、靈活，不能有效控制槽蓄水增量，難以有效處置突發(fā)凌情，且水庫防凌調(diào)度與發(fā)電、供水矛盾突出，水庫防凌調(diào)度壓力大。新建的海勃灣水庫因庫容小而對龍劉水庫防凌的輔助作用十分有限。因此，需要通過建設(shè)具有較大區(qū)位優(yōu)勢的黑山峽水庫提供較大的防凌庫容，協(xié)調(diào)黃河上游凌汛期防凌調(diào)度與發(fā)電、供水矛盾，根據(jù)寧蒙河段凌情的實(shí)時(shí)變化情況，較為靈活地控制水量下泄過程，減少發(fā)生冰塞、冰壩的概率，為保障防凌安全創(chuàng)造條件。

（3）合理調(diào)配水資源，充分發(fā)揮水資源綜合效益，滿足國家長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略需要。黑山峽河段以上是黃河上游水電基地，有龍羊峽、劉家峽等20余座梯級電站，是西北電網(wǎng)供電安全的重要保障；其下游是廣闊的寧蒙平原，灌溉事業(yè)發(fā)達(dá)，煤炭資源豐富，是寧夏、內(nèi)蒙古兩區(qū)的精華地帶，工農(nóng)業(yè)用水量大，維持河流健康要求高。目前黃河上游尚沒有形成完善的水量調(diào)控體系，黃河水資源管理與上游水電基地發(fā)電調(diào)度矛盾突出。另外，黃河流域?qū)儋Y源性缺水地區(qū)，水資源難以支撐流域經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展，未來要實(shí)施南水北調(diào)西線工程，增加黃河水資源可利用量，增加輸沙水量[25]。因此，需要建設(shè)黑山峽反調(diào)節(jié)水庫，協(xié)調(diào)當(dāng)前水量調(diào)度和發(fā)電運(yùn)用的矛盾，在充分發(fā)揮上游梯級電站發(fā)電效益的同時(shí)，對黃河水資源和南水北調(diào)西線工程入黃水量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全河水資源合理配置。

（4）為附近地區(qū)供水，改善民生，保障生態(tài)安全。黑山峽附近地區(qū)氣候干旱，水資源貧乏，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，不僅是我國沙塵暴的主要發(fā)源地，而且嚴(yán)重的水土流失還增加了入黃粗泥沙[24]，同時(shí)人民生存環(huán)境惡劣，飲水十分困難，經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后。解決上述問題的主要途徑是通過黃河向附近地區(qū)供水，建設(shè)高效節(jié)水灌區(qū)[26]，發(fā)展地方工業(yè)，實(shí)施生態(tài)移民，使周邊廣大地區(qū)的生態(tài)環(huán)境得到保護(hù)。因此，黑山峽河段開發(fā)應(yīng)滿足附近地區(qū)生態(tài)建設(shè)的供水要求，通過水庫調(diào)節(jié)徑流并盡可能抬高水位，為黑山峽高效節(jié)水灌區(qū)和人飲工程提供穩(wěn)定、可靠、優(yōu)質(zhì)的水源條件。

綜上分析，黃河黑山峽河段開發(fā)應(yīng)滿足協(xié)調(diào)水沙關(guān)系和防凌（洪）、供水、發(fā)電等綜合利用需求。

3 黑山峽水庫庫容規(guī)模

根據(jù)新形勢下黑山峽河段開發(fā)需求分析，建設(shè)水庫要滿足不同方面的需求，水庫庫容規(guī)模應(yīng)進(jìn)行綜合研究確定。

3.1 下游河道輸沙減淤需要的庫容規(guī)模

黃河上游來水主要產(chǎn)自蘭州以上，蘭州至河口鎮(zhèn)來水少，但來沙多，特別是祖厲河、清水河、十大孔兌等支流，高含沙洪水頻發(fā)，干支流水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)。目前上游以龍羊峽、劉家峽水庫為主的水量調(diào)控體系[26]，難以協(xié)調(diào)干支流水沙關(guān)系。根據(jù)寧蒙河段水沙與河道沖淤分析，水沙關(guān)系是影響寧蒙河段沖淤的關(guān)鍵，要通過建設(shè)黑山峽水庫對龍羊峽、劉家峽水庫的下泄流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)，在主汛期（7月11日至9月30日）利用調(diào)水調(diào)沙庫容塑造有利于寧蒙河段輸沙和中水河槽維持的流量過程。7月中旬至8月下旬是寧蒙河段支流高含沙洪水頻發(fā)期，應(yīng)盡量泄放大流量，稀釋支流高含沙洪水，防止淤堵干流河道。有利于寧蒙河段輸沙和中水河槽恢復(fù)維持的調(diào)控流量宜控制在2500～3000m3/s之間，一次洪水歷時(shí)應(yīng)不少于15d，總歷時(shí)宜達(dá)到30d。南水北調(diào)西線工程生效前，考慮沿河用水影響，黑山峽水庫調(diào)控流量按2500m3/s計(jì)，連續(xù)泄放15d，需下泄水量32.4億m3。按1956—2009年設(shè)計(jì)水沙序列連續(xù)15d流量出現(xiàn)頻率75%計(jì)算，黑山峽水庫的入庫流量為879m3/s（見圖2），相應(yīng)水量11.4億m3?？鄢霂焖?，則需水庫補(bǔ)水21.0億m3，即下游河道輸沙減淤需要的低限調(diào)水調(diào)沙庫容為21.0億m3。南水北調(diào)西線工程生效后，可調(diào)水量增加，調(diào)控流量可增加到3000m3/s，仍按連續(xù)泄放15d計(jì)，需下泄水量38.9億m3，扣除入庫水量（西線調(diào)水后汛期增加流量平均約為300m3/s），則需水庫補(bǔ)水23.6億m3，即下游河道輸沙減淤需要的低限調(diào)水調(diào)沙庫容為23.6億m3。

黑山峽水庫調(diào)水調(diào)沙時(shí)期為主汛期的7月11日至9月30日，因此調(diào)水調(diào)沙庫容小于防洪庫容，對應(yīng)水位設(shè)置在汛限水位和死水位之間。在調(diào)水調(diào)沙期，水庫首先利用汛前存蓄水量泄放不小于2500m3/s的大流量過程（若入庫流量大于2500m3/s則使出庫流量等于入庫流量，否則使出庫流量等于2500m3/s，直至水庫蓄水位降至死水位）；之后，按寧蒙河段工農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水需求控制下泄流量，水庫蓄水；當(dāng)蓄水量滿足一次調(diào)控水量要求時(shí)，再次按不小于調(diào)控流量泄放大流量，如此反復(fù)運(yùn)用，直至9月30日。

3.2 防凌需要的庫容規(guī)模

根據(jù)寧蒙河段防凌要求和劉家峽水庫防凌調(diào)度經(jīng)驗(yàn)分析，黑山峽水庫凌汛期（每年11月1日至次年3月31日）下泄流量應(yīng)按“月控制、旬調(diào)整”、保持“前大后小，中間變化平緩，加強(qiáng)封、開河期流量適時(shí)控制”的原則，緩解目前寧蒙河段尤其是內(nèi)蒙古河段封河期、開河期防凌緊張局面。在流凌封河期，黑山峽水庫調(diào)整流凌封河期下泄流量過程，適當(dāng)加大流量，避免冬灌引水期小流量封河，控制冬灌引、退水造成的流量波動；在穩(wěn)封期，黑山峽水庫要控制下泄流量穩(wěn)定，避免下泄流量過大和流量忽大忽小，以減少槽蓄水增量和防止冰上過流；在開河期，黑山峽水庫要進(jìn)一步控泄運(yùn)用，減少開河期下泄流量，減小形成“武開河”的動力條件。黑山峽水庫凌汛期的控泄流量見表1。

按照該控泄流量條件，考慮龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫等梯級水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)，利用1956—2009年長序列歷時(shí)法[27]計(jì)算序列內(nèi)黑山峽水庫凌汛期所需的防凌庫容，并按大小進(jìn)行排序（見圖3）。南水北調(diào)西線調(diào)水生效前，需要黑山峽水庫提供的防凌庫容為38.4億m3；西線調(diào)水生效后，需要黑山峽水庫提供的防凌庫容為57.6億m3。需要提供防凌庫容的時(shí)間為凌汛期的11月至次年3月。防凌庫容對應(yīng)水位設(shè)置在死水位與正常蓄水位之間。

3.3 供水需要的調(diào)節(jié)庫容規(guī)模

根據(jù)黃河流域水資源合理配置的需求分析，黑山峽水庫下泄流量應(yīng)保障附近地區(qū)生態(tài)用水、寧蒙河段工農(nóng)業(yè)用水、河口鎮(zhèn)斷面最小流量等，供水流量要求見表2。

由于5—7月為寧蒙河段灌溉用水高峰期，生態(tài)建設(shè)用水也主要集中在這些月份，因此5—7月特別是5—6月黑山峽水庫的入庫流量不能滿足下泄流量要求，需要向黑山峽水庫補(bǔ)水。按照5—7月下泄流量條件，考慮龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫等梯級水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)，利用1956—2009年長序列歷時(shí)法[27]計(jì)算黑山峽水庫5—7月所需的調(diào)節(jié)庫容，并按大小進(jìn)行排序（見圖4）。南水北調(diào)西線工程生效前，需要黑山峽水庫提供的供水調(diào)節(jié)庫容為26.2億m3，南水北調(diào)西線調(diào)水生效后，需要黑山峽水庫提供的供水調(diào)節(jié)庫容為25.5億m3。需要提供的供水調(diào)節(jié)庫容利用時(shí)間主要在集中在5—7月，由于進(jìn)入汛期（7月1日）后水庫水位要控制在汛限水位以下，因此5—7月的調(diào)節(jié)庫容對應(yīng)水位大部分時(shí)間設(shè)置在汛限水位與正常蓄水位之間，小部分設(shè)置在汛限水位以下。

3.4 綜合庫容規(guī)模

各個(gè)庫容規(guī)模需求大小及利用時(shí)間匯總見表3。

從三個(gè)方面的庫容需求看，供水需求庫容利用時(shí)間是5—7月，調(diào)水調(diào)沙需求庫容利用時(shí)間是7月中旬—9月底，供水庫容和調(diào)水調(diào)沙庫容（供水和調(diào)水調(diào)沙兩者共同需要的庫容簡稱為反調(diào)節(jié)庫容）在時(shí)間上是先后連續(xù)，部分重疊。為了避免供水和調(diào)水調(diào)沙庫容重復(fù)計(jì)算，將反調(diào)節(jié)庫容需求分解為5月1日—7月10日供水調(diào)節(jié)庫容需求加調(diào)水調(diào)沙庫容需求。南水北調(diào)西線工程生效前，滿足5月1日—7月10日的供水調(diào)節(jié)庫容為19.8億m3，加上調(diào)水調(diào)沙庫容21.0億m3，則反調(diào)節(jié)庫容為40.8億m3；西線調(diào)水生效后，滿足5月1日—7月10日的供水調(diào)節(jié)庫容為25.1億m3，加上調(diào)水調(diào)沙庫容23.6億m3，則反調(diào)節(jié)庫容為48.7億m3。

防凌需求庫容利用時(shí)間是11月—次年3月，時(shí)間上獨(dú)立于供水和調(diào)水調(diào)沙庫容利用時(shí)間外。防凌庫容對應(yīng)水位設(shè)置在死水位至正常蓄水位之間，防凌運(yùn)用時(shí)主要是水庫蓄水；5—7月供水調(diào)節(jié)庫容對應(yīng)水位主要設(shè)置在汛限水位以上，調(diào)水調(diào)沙庫容對應(yīng)水位設(shè)置在汛限水位至死水位之間，5—7月供水和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用主要是水庫放水。因此，供水和調(diào)水調(diào)沙庫容即反調(diào)節(jié)庫容與防凌庫容是可以重復(fù)利用的，黑山峽水庫綜合利用庫容需求則應(yīng)為防凌庫容或反調(diào)節(jié)庫容的最大值。

南水北調(diào)西線調(diào)水生效前、后需要的防凌庫容分別為38.4億、57.6億m3，供水和調(diào)水調(diào)沙的綜合庫容需求分別為40.8億、48.7億m3。因此，南水北調(diào)西線調(diào)水生效前、后黑山峽水庫庫容需求分別為40.8億、57.6億m3。黑山峽水庫綜合利用庫容年內(nèi)使用情況見圖5。

4 結(jié) 論

（1）新形勢下黃河黑山峽河段的開發(fā)需求如下：協(xié)調(diào)水沙關(guān)系，減輕寧蒙河段淤積，恢復(fù)和維持適宜中水河槽規(guī)模；增強(qiáng)防凌能力，保障黃河上游（主要是寧蒙河段）防凌防洪安全；合理調(diào)配水資源，協(xié)調(diào)水量調(diào)度和發(fā)電運(yùn)用之間的矛盾，充分發(fā)揮水資源綜合效益，滿足國家長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略需要；為附近地區(qū)供水，改善民生，保障生態(tài)安全。

（2）黃河黑山峽水庫需要設(shè)置調(diào)水調(diào)沙庫容、防凌庫容和供水調(diào)節(jié)庫容，供水調(diào)節(jié)、調(diào)水調(diào)沙和防凌調(diào)度運(yùn)用時(shí)段分別為5—7月、7月中旬—9月底、11月—次年3月，供水調(diào)節(jié)庫容和調(diào)水調(diào)沙庫容利用時(shí)間部分重疊。供水和調(diào)水調(diào)沙兩者共同需要的庫容稱為反調(diào)節(jié)庫容，與防凌庫容可以重復(fù)利用，黑山峽水庫綜合利用需要提供的庫容為防凌庫容和反調(diào)節(jié)庫容的最大值。

（3）南水北調(diào)西線調(diào)水生效前，黑山峽水庫調(diào)水調(diào)沙庫容、防凌庫容、供水調(diào)節(jié)庫容需求分別為21.0億、38.4億、26.2億m3，綜合考慮調(diào)水調(diào)沙、防凌、供水調(diào)節(jié)多目標(biāo)需求，庫容規(guī)模需求為40.8億m3。西線調(diào)水生效后，黑山峽水庫調(diào)水調(diào)沙庫容、防凌庫容、供水調(diào)節(jié)庫容需求分別為23.6億、57.6億、25.5億m3，綜合考慮調(diào)水調(diào)沙、防凌、供水調(diào)節(jié)多目標(biāo)需求，庫容規(guī)模需求為57.6億m3。

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【責(zé)任編輯 許立新】