黃河干支流骨干樞紐群對水沙過程的調(diào)控效應

王遠見，王 婷，王 強

(1. 黃河水利委員會黃河水利科學研究院，鄭州 450003;2. 水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，鄭州 450003)

0 前 言

水利工程的修建深刻改變了下游的水沙過程，具體表現(xiàn)在徑流的年際間與年內(nèi)時間分配以及泥沙總量與泥沙級配的時空分配。研究水庫運用對河流徑流、泥沙的調(diào)控效應，深刻解析水庫運用對生態(tài)環(huán)境演化[1-2]、河床演變[3]以及水文情勢變化[4-5]等影響對于流域健康發(fā)展具有重要意義。因此，為塑造協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，完善黃河水沙調(diào)控理論體系，須從不同維度揭示單個水庫及其組合對河道水沙的調(diào)控機制。

目前，國內(nèi)外針對不同流域水庫對水沙過程的影響研究較多，例如密西西比河、印度河、尼羅河[6]、長江流域[7-9]以及黃河流域[10-13]，這些研究為水庫優(yōu)化調(diào)度以及水沙情勢變化研究提供理論支撐。也有學者針對水沙過程對水庫的影響方面展開研究，例如水庫的水動力過程[14]、淤積形態(tài)[15]、下游河道水質(zhì)[16]、流域碳循環(huán)[17]等。黃河流域因水少沙多，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)致使其水沙調(diào)控過程極為復雜[18-19]。從黃河流域骨干樞紐群的調(diào)度實踐看，單個水庫和水庫群體之間，對水沙過程的調(diào)控效應既有共同點，也有不同點。本文以單個水利工程以及水利工程群組兩個維度分析黃河干支流骨干樞紐群對水沙過程的調(diào)控效應，為黃河流域水沙調(diào)控提供技術(shù)支撐。

1 研究對象

本文選取黃河流域龍羊峽、劉家峽、三門峽以及小浪底水庫作為典型水庫進行分析。其中，龍羊峽水庫[20]是一座具有多年調(diào)節(jié)性能的大型綜合利用樞紐工程，水庫設計蓄水位2 600.00 m，總庫容247億m3，調(diào)節(jié)庫容194億m3。小浪底水庫[20]是黃河干流上的一座多功能一體的大型綜合性水利工程，正常蓄水位275.00 m，庫容126.5億m3，淤沙庫容75.5億m3。劉家峽水庫[13]是黃河上游開發(fā)規(guī)劃中的第七個梯階電站，兼有發(fā)電、防洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運、旅游等功能，正常蓄水位1 735.00 m，庫容57億m3。三門峽水庫[21]是黃河上的第一個大型水利樞紐工程，原設計正常蓄水位為360.00 m，總庫容為647億m3，目前采用“蓄清排渾”的方式運行。本文在研究單個水利工程的水沙調(diào)控效應時，主要以干支流關(guān)鍵水庫(龍羊峽、小浪底)作為研究對象，在研究水利工程群組時，主要考慮關(guān)鍵水庫和重要水庫的工程群組組合，即上游水利工程群組(龍羊峽-劉家峽)和中游水利工程群組(三門峽-小浪底)作為研究對象。

2 單個水利工程調(diào)控效應

2.1 徑流調(diào)控效應

2.1.1一般特性

對于多年調(diào)節(jié)水庫龍羊峽而言，水庫的調(diào)節(jié)作用使年際間徑流變化更加均勻。圖1為龍羊峽水庫多年進出庫水量對比。表1為龍羊峽水庫修建前后多年水量的均值與標準差。龍羊峽水庫修建前，出庫貴德站的年均流量為219 m3/s，略高于唐乃亥站的212 m3/s，且兩站徑流量年際變化大，其標準差數(shù)據(jù)接近50 m3/s。1987年龍羊峽水庫投入運用，盡管黃河進入了枯水期(唐乃亥站年均水量下降到187 m3/s)，但龍羊峽水庫依然顯示出了巨大的調(diào)節(jié)作用，使得年際間出庫水量更加均勻，1987—2018年龍羊峽水庫的水量年時間序列數(shù)據(jù)的標準差由入庫的49 m3/s下降到出庫站的37 m3/s。

圖1 龍羊峽水庫修建前后水量對比

表1 龍羊峽水庫修建前后水量參數(shù)對比

圖2為龍羊峽和小浪底水庫年內(nèi)逐月進出庫流量過程。由圖可知，龍羊峽水庫在調(diào)節(jié)年際徑流量的同時，也調(diào)節(jié)水量的年內(nèi)分配。水庫運用前，進出庫過程極為接近，水庫運用后，汛期流量削減、非汛期增加，年內(nèi)變幅減小(見圖2(a))。小浪底水庫運用以來，多次在6—7月開展調(diào)水調(diào)沙，利用水庫調(diào)節(jié)庫容協(xié)調(diào)水沙關(guān)系，實現(xiàn)河道水庫不淤或少淤的設想。其本質(zhì)是采用小浪底水庫塑造較大流量過程實現(xiàn)排沙入海，在短期內(nèi)形成較大的人造洪峰，但年內(nèi)其他時段流量過程更加均勻(見圖2(b))。

圖2 1986—2018年龍羊峽與小浪底水庫運用后進出庫流量過程

2.1.2各級流量的頻率變化

龍羊峽上游分布有唐乃亥水文站，下游分布有貴德站，兩站間無支流匯入?yún)R出，因此水庫修建前，可認為兩站的流量過程近似相等，小浪底水庫同樣如此。圖3分別統(tǒng)計了龍羊峽與小浪底水庫進出站不同量級洪水出現(xiàn)頻率。由圖可知，龍羊峽與小浪底水庫修建后分別削減了3 000 m3/s與6 000 m3/s的洪峰。龍羊峽的出庫流量具體表現(xiàn)在小于1 000 m3/s的流量增加，大于1 000 m3/s的流量出現(xiàn)頻率減小，龍羊峽的出庫流量頻率向低流量過程單極化發(fā)展，而小浪底水庫出庫流量具體表現(xiàn)在小于2 000 m3/s流量出現(xiàn)的頻率增加，2 000～3 000 m3/s流量出現(xiàn)頻率減小，4 000～5 000 m3/s流量出現(xiàn)頻率增加，出庫流量頻率向兩極化方向發(fā)展。

圖3 龍羊峽和小浪底水庫進出庫各級流量出現(xiàn)頻率

2.2 泥沙調(diào)控效應

2.2.1含沙量及級配變化

小浪底水庫運用初期(2000—2006年)主要以蓄水攔沙運用為主，出庫沙量急劇減少(見圖4(a))，年均入庫沙量為3.911億t，出庫為0.643億t，多年平均排沙比為16.4%。尤其是水庫運用前2 a，2000—2001年分別排沙0.042億t和0.221億t。2002年以后，汛前或汛期利用洪水開展調(diào)水調(diào)沙試驗或生產(chǎn)運行，出庫沙量有所增加。2004年除調(diào)水調(diào)沙外，汛期高含沙水流集中入庫時還進行了渾水水庫排沙，全年排沙1.487億t。由于水庫運用初期以蓄水攔沙為主，經(jīng)過水庫調(diào)節(jié)，粗沙幾乎被全部攔截，只有粒徑較細的中細沙才能被水流挾往下游，與入庫泥沙相比，出庫泥沙明顯細化。攔沙初期入庫泥沙中細沙、中沙、粗沙含量分別為44.6%、28.7%和26.7%，而出庫分別為84.3%、10.3%和5.4%(見圖4(b))，出庫細沙含量明顯大于入庫，而出庫中粗沙含量下降，發(fā)揮了水庫“攔粗排細”作用。

圖4 2000—2006年小浪底進出庫沙量與進出庫分組沙含量對比

小浪底水庫進入攔沙后期第一階段后(2007年以來)，前汛期遇上游來水較豐時，相機開展降低水位排沙運用，增加汛期排沙機會，水庫排沙效果不斷提高(見圖5(a))。2007—2020年均入庫沙量為2.446億t，出庫沙量為1.375億t，多年平均排沙比為56.2%，但出庫沙量仍明顯少于入庫。盡管水庫排沙效果有所提高，但與攔沙初期相比，對泥沙級配調(diào)節(jié)幅度有所降低，“攔粗排細”的效果有所削弱。2007—2020年入庫泥沙中細沙、中沙和粗沙含量分別為52.3%、21.4%和26.3%，出庫泥沙中細沙、中沙和粗沙分別占56.1%、20.3%和23.7%，出庫泥沙中細沙含量略高于入庫，中沙和粗沙略低于入庫(見圖5(b))。

圖5 2007—2020年小浪底進出庫沙量與進出庫分組沙含量對比

2.2.2沙量年內(nèi)分配變化

以小浪底水庫為例，壩前水位下降期發(fā)生在6月下旬至7月上旬的汛前調(diào)水調(diào)沙期，水庫以降水位排沙為主。水庫在主汛期以防洪排沙為主，蓄水期根據(jù)調(diào)度規(guī)程蓄水抬升水位直至壩前水位穩(wěn)定在正常蓄水位。水庫排沙主要集中在前兩個階段，圖6(a)為小浪底水庫運用以來逐月平均進出庫沙量，泥沙入庫出現(xiàn)在6月和整個汛期，而出庫主要集中在7—8月。水庫排沙主要集中在汛前調(diào)水調(diào)沙和汛期。水庫運用以來汛前調(diào)水調(diào)沙和汛期年均出庫沙量為0.153億t和0.785億t(見圖6(b))。

圖6 小浪底水庫年內(nèi)不同運用時段與逐月進出庫沙量對比

3 水利工程群組調(diào)控效應

3.1 徑流調(diào)控效應

圖7為龍羊峽-劉家峽水庫群進出站流量年際變化，表2為不同階段進出庫對應的流量參數(shù)。由圖7可知，1968年龍-劉水庫建庫前，下游小川站年均來水量為333億m3，遠大于上游唐乃亥站的240億m3。1968年劉家峽水庫建庫后蓄水，兩站的年均來水量差值縮小。龍-劉水利工程群組的修建，使得下游小川站的年均來水量由333億m3下降到了233億m3，下降幅度為30%。此外，龍-劉水庫群修建前、劉家峽水庫修建后、及龍-劉水庫群修建后小川站年均徑流量時間序列標準差分別為66、61、46億m3，相比于單一水庫，水庫群組使得下游河道年際間來水量更加均勻。

圖7 龍羊峽-劉家峽水庫群進出站水量變化

3.2 泥沙調(diào)控效應

本節(jié)以三門峽-小浪底水庫群為例，闡述水庫群組合對泥沙的調(diào)控效應。

3.2.1含沙量及級配變化

三門峽和小浪底水庫對泥沙的聯(lián)合調(diào)控具有特殊性。小浪底水庫目前處于攔沙階段，兩庫聯(lián)合運用對上游來沙的調(diào)節(jié)仍以攔蓄為主。三門峽水庫目前屬于限制運用階段，汛期會開展敞泄排沙?？傮w而言，兩座水庫聯(lián)合應用，進一步增大了水庫排沙比，但削弱了水庫“攔粗排細”的級配調(diào)整功能。

表2 龍羊峽-劉家峽水庫群運用前后進出庫站流量統(tǒng)計參數(shù)

小浪底水庫運用初期，主要以蓄水攔沙運用為主，出庫沙量急劇減少，而三門峽水庫采用蓄清排渾運用，潼關(guān)流量大于1 500 m3/s時敞泄運用，出庫沙量增加，兩級水庫調(diào)節(jié)后仍以攔沙為主。2000—2006年潼關(guān)年均沙量3.780億t，三門峽出庫沙量為3.981億t，小浪底出庫沙量為0.632億t(見圖8(a))，三門峽水庫平均排沙比為105.3%，小浪底水庫為15.9%，三門峽、小浪底兩庫聯(lián)合排沙比為16.7%。

小浪底水庫進入攔沙后期第一階段以來(2007年以來)，前汛期上游來水相對較豐，小浪底水庫開展降低水位排沙運用較多，而洪水期三門峽水庫敞泄運用，三門峽和小浪底水庫排沙均明顯增加(見圖8(b))。2007—2020年潼關(guān)站沙量平均為1.791億t，三門峽出庫沙量為2.446億t，小浪底出庫沙量為1.375億t。三門峽水庫排沙比為136.6%，小浪底水庫多年平均排沙比56.2%，三門峽、小浪底兩庫聯(lián)合排沙比為76.8%。小浪底出庫沙量仍明顯少于入庫，且小于潼關(guān)站沙量，仍繼續(xù)攔沙。

圖8 2000—2006年與2007—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站沙量對比

小浪底水庫運用以來，與三門峽水庫聯(lián)合運用攔蓄上游來沙，同時調(diào)節(jié)著泥沙組成。2011—2019年潼關(guān)、三門峽和小浪底站分組沙量及含量如圖9所示。2011—2019年，潼關(guān)站年均沙量為1.713億t，小浪底站沙量為1.488億t，兩庫整體表現(xiàn)為淤積。從分組沙量來看，淤積全部為細沙，兩庫聯(lián)合細沙排沙比為68.2%，中沙基本沖淤平衡，排沙比為100.1%，粗沙發(fā)生沖刷，排沙比為150.2%。各站泥沙組成也進行了調(diào)整，與潼關(guān)站相比，小浪底站細沙含量明顯減小，中、粗沙含量有所增加。2011—2019年，三門峽和小浪底兩庫聯(lián)合運用整體表現(xiàn)為攔蓄泥沙，并且攔蓄的全部為細沙，而中沙基本平衡，粗沙表現(xiàn)為少量沖刷。需要說明的是，2007年之后，洪水期三門峽、小浪底水庫進行過多次聯(lián)合排沙運用，三門峽庫區(qū)沖刷劇烈，而沖刷主要發(fā)生在以中粗沙淤積為主的河槽，這也是造成出三門峽水庫出庫中粗沙增加的主要原因。

圖9 2011—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站年均沙量與分組沙含量對比

3.2.2沙量年內(nèi)分配變化

圖10和圖11分別表示小浪底水庫運用以來潼關(guān)、三門峽和小浪底站沙量年內(nèi)分配和沙量比例分配結(jié)果。潼關(guān)站全年均發(fā)生泥沙輸移，以汛期為主，而三門峽站基本集中在汛期，6月也有少量泥沙輸移，小浪底站更為集中，主要在7—8月。經(jīng)過兩級水庫調(diào)節(jié)，泥沙出庫更為集中，或者說越處于下游的水庫含沙量年內(nèi)分配變化的程度越高，來沙集中與汛期大水期的特點越明顯。

圖10 2000—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站逐月沙量對比

圖11 2000—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站逐月沙量 所占比例分布

4 結(jié) 論

(1) 在單庫徑流調(diào)控效應方面，龍羊峽水庫的調(diào)節(jié)作用使年際間徑流量變化更加均勻，在各級流量頻率變化方面，龍羊峽的出庫流量頻率向低流量過程單極化發(fā)展，小浪底的出庫流量頻率向兩極化方向發(fā)展。

(2) 在單庫泥沙調(diào)控效應方面，小浪底水庫攔沙初期發(fā)揮了“攔粗排細”作用，而在攔沙后期第一階段，“攔粗排細”的效果有所削弱。水庫調(diào)節(jié)使沙量年內(nèi)分配與水量的匹配程度更高，也更加集中。

(3) 相比于單一水庫，水庫群組使得下游河道年際間來水量更加均勻，泥沙出庫更為集中。兩座水庫聯(lián)合應用，進一步增大了水庫排沙比，但削弱了水庫“攔粗排細”的級配調(diào)整功能，其主要是由于三門峽水庫汛期敞泄排沙造成了顯著的壩前沖刷，排出過去淤積的粗顆粒泥沙所致。