2022年涇渭河高含沙洪水調(diào)度與思考

蘇茂林，楊會穎，安晨歌

（1.黃河水利委員會，河南 鄭州 450003；2.清華大學(xué) 水利水電工程系，北京 100084）

黃河復(fù)雜難治的癥結(jié)在于水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)。在長期治黃實(shí)踐中，黃河水利委員會（以下簡稱黃委）逐漸形成了“攔、調(diào)、排、放、挖”綜合處理泥沙的方針［1］。其中“調(diào)”即調(diào)水調(diào)沙，指通過水庫等工程調(diào)控將不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系轉(zhuǎn)化為協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，是解決黃河水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)的有效途徑之一。自2002年首次開展調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)以來，黃委已持續(xù)21 a實(shí)施了調(diào)水調(diào)沙，其中9個(gè)年份利用汛期洪水過程實(shí)施了11次調(diào)水調(diào)沙。汛期結(jié)合洪水處理，充分利用洪水的挾沙能力調(diào)水調(diào)沙，是多沙河流處理泥沙的理想途徑之一。

2022年7 月中旬，黃河中游涇渭河流域部分地區(qū)發(fā)生連續(xù)強(qiáng)降雨，受此影響，涇河支流馬蓮河慶陽水文站發(fā)生1956年以來最大洪水，渭河臨潼水文站形成渭河2022年第1號洪水。為處理好此次涇渭河洪水，同時(shí)考慮來水含沙量較大、小浪底水庫水位較低等因素，黃委決定利用此次高含沙洪水過程和小浪底水庫高程220 m以上蓄水，結(jié)合支流水庫泄水、東平湖排洪入黃水量，實(shí)施2022年汛期黃河調(diào)水調(diào)沙。

1 降雨及洪水概況

2022年7月15日0時(shí)至12時(shí)，涇渭河流域部分地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨過程，局部達(dá)到大暴雨或特大暴雨量級。暴雨籠罩范圍主要在涇河支流馬蓮河的洪德至慶陽區(qū)間，暴雨中心位于慶城縣北部，最大累計(jì)降雨量為野狐溝站325.4 mm。

受此次強(qiáng)降雨影響，涇河支流馬蓮河發(fā)生1956年以來最大洪水，馬蓮河慶陽站7月15日10時(shí)18分洪峰流量5 100 m3／s，最大含沙量661 kg／m3。洪水匯入涇河景村站洪峰流量4 460 m3／s，經(jīng)東莊水庫（在建）調(diào)蓄后，涇河張家山站洪峰流量2 320 m3／s。渭河臨潼水文站16日19時(shí)出現(xiàn)3 210 m3／s流量，形成渭河2022年第1號洪水，臨潼站總洪量為5.6億m3，沙量為1.24億t。渭河華縣站洪峰流量2 020 m3／s，場次洪量7.25億m3，沙量0.73億t。渭河洪水與北干流洪水匯合后演進(jìn)至潼關(guān)，黃河潼關(guān)站17日12時(shí)出現(xiàn)3 280 m3／s洪峰流量，最大含沙量238 kg／m3。此次洪水潼關(guān)站洪量為10.0億m3，沙量為0.536億t。

2 水庫、河道起始運(yùn)用條件

2.1 汛期調(diào)水調(diào)沙前水庫水沙情況

2022年汛前，三門峽水庫蓄水量55.44億m3。2021年4月—2022年4月，三門峽庫區(qū)干流（潼關(guān)以下）整體表現(xiàn)為沖刷，共沖刷泥沙0.626億m3，沖刷主要集中在壩前至黃淤29斷面（距壩69.28 km）之間，共沖刷泥沙0.523億m3。小浪底水庫高程275 m以下庫容為93.62億m3，淤積三角洲頂點(diǎn)距壩7.74 km，頂點(diǎn)高程為210.56 m。與2021年4月相比，2022年4月小浪底水庫淤積三角洲頂點(diǎn)退后3.19 km，頂點(diǎn)高程抬升8.39 m。自1997年10月大壩合龍開始截流至2022年4月，小浪底水庫累計(jì)淤積泥沙33.92億m3，庫區(qū)累計(jì)淤積量已占水庫設(shè)計(jì)攔沙庫容（75.5億m3）的44.9%。

2022年6月19日至7月13日，黃委結(jié)合騰庫迎汛，聯(lián)合調(diào)度萬家寨、三門峽、小浪底水庫實(shí)施了汛前調(diào)水調(diào)沙，三門峽、小浪底水庫分別排沙0.140億、1.048億t，庫區(qū)分別沖刷0.131億、0.908億t；通過利津入海沙量0.346億t，下游河道淤積0.690億t。

汛期調(diào)水調(diào)沙開始前，7月17日0時(shí)，三門峽水庫水位304.76 m，接近汛限水位，相應(yīng)蓄水量0.739億m3；小浪底水庫水位223.80 m，相應(yīng)蓄水量5.13億m3，水位較低，對小浪底水庫異重流塑造和排沙有利。河口村、故縣水庫水位均在汛限水位以下，東平湖滯洪區(qū)因大汶河來水而處于防洪運(yùn)用狀態(tài)，水位高于汛限水位。汛期調(diào)水調(diào)沙前主要水庫蓄水情況見表1。

表1 汛期調(diào)水調(diào)沙前主要水庫蓄水情況

2.2 下游河道邊界條件

2022年汛前，黃河下游各河段平灘流量如下：花園口以上河段一般大于7 300 m3／s，花園口—夾河灘河段為7 300 m3／s，夾河灘—高村河段為6 600～7 300 m3／s，高村—孫口河段為4 700～6 600 m3／s，孫口—艾山河段為4 700～4 800 m3／s，艾山—濼口河段為4 750～4 900 m3／s，濼口—利津河段為4 600～5 000 m3／s。黃河下游平灘流量較小的河段主要有2個(gè)：一個(gè)是孫口上下河段，平灘流量較小斷面包括陳樓、梁集、路那里和王坡斷面，其平灘流量為4 700 m3／s；另一個(gè)是利津附近河段，較小平灘流量斷面包括麻灣和綦家斷面，其平灘流量為4 600 m3／s［2］。

3 洪水調(diào)度思路

遵循系統(tǒng)、統(tǒng)籌、科學(xué)、安全的調(diào)度原則，利用小浪底水庫水位較低、有利排沙的時(shí)機(jī)，結(jié)合涇渭河高含沙洪水處理，在確保防洪和后期抗旱用水安全的前提下，科學(xué)調(diào)度中游干支流水庫群和東平湖，塑造有利于水庫、河道減淤的流量過程，維持下游河道中水河槽過流能力，并盡量減少水庫淤積，最大限度兼顧供水安全和發(fā)電，持續(xù)改善河口生態(tài)環(huán)境，發(fā)揮洪水資源最大效益。本次調(diào)水調(diào)沙采用以三門峽水庫、小浪底水庫和東平湖滯洪區(qū)聯(lián)合調(diào)度為主，西霞院水庫和故縣、河口村水庫配合的調(diào)度模式。根據(jù)中游來水總量，統(tǒng)籌防洪、水庫及河道減淤、水安全和發(fā)揮洪水資源最大效益等目標(biāo)，確定按控制花園口站2 600 m3／s量級5 d左右開展汛期調(diào)水調(diào)沙。

4 水庫聯(lián)合調(diào)度

此次調(diào)水調(diào)沙從7月17日開始至7月28日結(jié)束，歷時(shí)11 d。期間，三門峽水庫敞泄運(yùn)用，在小浪底庫區(qū)塑造異重流過程。小浪底水庫利用不同泄流孔洞組合調(diào)控出庫流量和含沙量，與支流水庫共同湊泄花園口站2 600 m3／s量級5 d左右流量過程。故縣水庫保持100 m3／s發(fā)電流量下泄。河口村水庫根據(jù)沁河上游來水適時(shí)加大流量，控制庫水位不超過汛限水位。結(jié)合大汶河洪水過程，東平湖陳山口、清河門、龐口閘3座出湖閘保持敞泄?fàn)顟B(tài)，以最大泄流能力泄洪入黃，確保湖區(qū)防洪安全，并為接續(xù)輸沙入海補(bǔ)充水量。具體調(diào)度過程如下。

4.1 三門峽水庫調(diào)度

大流量過程于7月16日進(jìn)入三門峽庫區(qū)，潼關(guān)站洪峰流量3 280 m3／s（17日12時(shí)），最大含沙量238 kg／m3（17日20時(shí)）。7月17日8時(shí)起三門峽水庫開始敞泄運(yùn)用，塑造大流量過程沖刷小浪底庫區(qū)泥沙。7月19日8時(shí)前后水庫基本泄空，敞泄歷時(shí)約48 h，之后按進(jìn)出庫平衡運(yùn)用。期間，最大下泄流量5 430 m3／s，出庫最大含沙量413 kg／m3（18日12時(shí)）。隨著上游來水流量逐漸減小，三門峽水庫逐級壓減下泄流量回蓄，21日12時(shí)、22日8時(shí)起分別按800、500 m3／s下泄，7月23日14時(shí)水位達(dá)到304.91 m后，轉(zhuǎn)入按不超過305 m控制運(yùn)用。三門峽水庫調(diào)度過程見圖1。

圖1 三門峽水庫調(diào)度過程

4.2 小浪底水庫調(diào)度

自7月17日0時(shí)起，小浪底、西霞院水庫聯(lián)合調(diào)度，按1 000 m3／s下泄。7月17日13時(shí)起按2 300 m3／s下泄，湊泄花園口2 600 m3／s流量過程。期間，小浪底水庫最大出庫流量為7月17日15時(shí)54分的2 900 m3／s，最大含沙量為7月19日13時(shí)18分的120 kg／m3；西霞院水庫最大出庫流量為7月17日16時(shí)30分的2 440 m3／s，最大含沙量為7月19日9時(shí)的88.6 kg／m3。隨著上游來水流量減小，為保證后期下游抗旱用水，并防止落水期下游引水涵閘淤堵，小浪底水庫7月22日8時(shí)起壓減下泄流量至1 500 m3／s。22日20時(shí)起進(jìn)一步壓減至500 m3／s下泄，當(dāng)時(shí)水庫水位為219.14 m，調(diào)水調(diào)沙調(diào)度過程結(jié)束，小浪底水庫調(diào)度過程見圖2。整個(gè)汛期調(diào)水調(diào)沙期間，西霞院水庫水位基本在131 m以下配合小浪底水庫排沙運(yùn)用。

圖2 小浪底水庫調(diào)度過程

汛期調(diào)水調(diào)沙小浪底水庫入庫洪峰流量較大，泥沙入庫較早，且?guī)焖缓统鰩炝髁織l件合適，因此形成了一次較典型的異重流排沙過程。這次異重流潛入點(diǎn)位于庫區(qū)淤積三角洲前緣，位置在距壩8.5～10.3 km之間，異重流的主要運(yùn)行區(qū)間仍為壩前漏斗區(qū)。

4.3 東平湖調(diào)度

受前期大汶河洪水防洪運(yùn)用影響，汛期調(diào)水調(diào)沙前東平湖老湖水位在汛限水位以上。汛期調(diào)水調(diào)沙期間，大汶河出現(xiàn)一次中小洪水過程，7月24日6時(shí)44分戴村壩洪峰流量465 m3／s，為確保湖區(qū)防洪安全，并為接續(xù)輸沙入海補(bǔ)充水量，3座出湖閘一直保持泄流狀態(tài)，以合適流量泄洪入黃，其中7月17日8時(shí)最大泄洪入黃流量435 m3／s，入黃總水量3.6億m3（7月17日8時(shí)至7月28日8時(shí)）。

4.4 支流水庫調(diào)度

汛期調(diào)水調(diào)沙期間，支流故縣、河口村水庫根據(jù)上游來水適時(shí)加大下泄流量，與小浪底水庫共同湊泄花園口站2 600 m3／s左右流量過程。其中：故縣水庫保持100 m3／s發(fā)電流量下泄；河口村水庫為控制庫水位不超汛限水位，于7月中下旬3次開閘泄水，按100 m3／s下泄，其余時(shí)間均按發(fā)電流量20 m3／s左右下泄。

5 調(diào)度效果分析

5.1 水庫沖淤

汛期調(diào)水調(diào)沙期間，三門峽水庫入庫泥沙0.536億t，出庫泥沙0.945億t，庫區(qū)沖刷0.409億t；小浪底水庫下泄水量11.34億m3，出庫沙量0.518億t，排沙比55%，庫區(qū)淤積0.427億t。

5.2 河道沖淤

汛期調(diào)水調(diào)沙期間，黃河下游河道整體表現(xiàn)為微淤，淤積量為0.074億t，淤積比為16%?；▓@口—夾河灘為黃河下游主要淤積河段，淤積量為0.131億t。黃河下游各河段之間沖刷、淤積交替發(fā)生，其中卡口河段孫口—艾山河段發(fā)生沖刷，沖刷量為0.014億t。

5.3 河道過流能力變化

將2022年汛期調(diào)水調(diào)沙過程中的漲、落水過程進(jìn)行比較，分析汛期調(diào)水調(diào)沙過程的同流量水位變化，夾河灘以上河段同流量水位略有降低，花園口、夾河灘兩站分別降低0.07、0.05 m；高村以下河段，除孫口站略有降低外，其他各站水位均有所抬升，其中高村站抬升幅度最大，為0.16 m，其他三站的抬升幅度為0.09～0.14 m?？诤佣螌O口—南橋之間各站同流量水位變化不大，水位變化范圍為－0.05～0 m［3］。

6 認(rèn)識與建議

6.1 充分利用高含沙洪水的挾沙輸沙能力，相機(jī)實(shí)施汛期調(diào)水調(diào)沙

黃委在多年調(diào)水調(diào)沙實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對多沙河流水工程綜合調(diào)控理論進(jìn)行研究擴(kuò)展，協(xié)同防洪、減淤、生態(tài)等多項(xiàng)目標(biāo)，不斷發(fā)展調(diào)水調(diào)沙理論。目前，調(diào)水調(diào)沙模式可以歸納為3種：一是以小浪底水庫為主的萬三小（萬家寨、三門峽、小浪底）、三小聯(lián)合調(diào)度或小浪底水庫單庫調(diào)度；二是有龍羊峽和劉家峽水庫參與的全河水沙調(diào)控，適用于上游來水較多的年份；三是利用中游高含沙洪水以三小聯(lián)調(diào)為主的調(diào)度模式。2022年汛期調(diào)水調(diào)沙屬于第三種調(diào)水調(diào)沙模式，進(jìn)一步豐富了汛期調(diào)水調(diào)沙水庫運(yùn)用樣本。通過精細(xì)的洪水過程對接和水庫調(diào)度運(yùn)用，基本實(shí)現(xiàn)了中游泥沙“穿堂過”效果，小浪底水庫排沙0.518億t，一方面避免高含沙洪水在小浪底庫區(qū)全部淤積，延長水庫攔沙年限，另一方面通過湊泄特定流量過程，恢復(fù)和維持下游河道行洪能力。

6.2 黃河山陜區(qū)間發(fā)生高含沙洪水的可能性依然較大

頭道拐至三門峽區(qū)間是黃河流域主要洪水和泥沙來源區(qū)之一，歷史上頻繁發(fā)生大的暴雨洪水。雖然近幾十年來，隨著水土保持工作和各項(xiàng)流域生態(tài)修復(fù)政策措施的實(shí)施，流域下墊面情況發(fā)生了一定程度的改變，水沙情勢也出現(xiàn)了較大變化，洪水量級減小，發(fā)生頻次降低。但是從近年洪水表現(xiàn)來看，該地區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨過程時(shí)仍可能發(fā)生高含沙洪水［4］。如2010年、2017年、2022年汛期山陜區(qū)間、涇渭河發(fā)生的高含沙洪水。

6.3 完善黃河中游水沙調(diào)控工程體系

當(dāng)前，中游干流除小浪底水庫外，較大的水庫主要有萬家寨和三門峽水庫。兩水庫可用于汛前調(diào)水調(diào)沙的最大蓄水量不足8億m3，蓄水量有限，且萬家寨水庫距離小浪底水庫約1 100 km，人造洪水傳播沿程坦化嚴(yán)重，調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力明顯不足。古賢水利樞紐控制了黃河80%的水量、60%的泥沙和80%的粗泥沙，是黃河保護(hù)治理總體格局的重要節(jié)點(diǎn)工程，建成后，與小浪底水庫聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙，可實(shí)現(xiàn)“1＋1＞2”的聯(lián)合調(diào)控效果，長久發(fā)揮協(xié)調(diào)水沙關(guān)系、減少下游河道淤積的效果。應(yīng)加快推進(jìn)古賢水利樞紐開工建設(shè)，完善中游水沙調(diào)控工程體系。

6.4 持續(xù)開展黃河水沙調(diào)控技術(shù)研究

當(dāng)前古賢水庫尚未建設(shè)，小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力不足，小浪底庫區(qū)淤積形態(tài)不斷調(diào)整、下游河道床沙顯著粗化等問題對未來調(diào)水調(diào)沙提出了新的挑戰(zhàn)［5］。根據(jù)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展要求，須持續(xù)完善水沙調(diào)控調(diào)度機(jī)制，優(yōu)化調(diào)水調(diào)沙調(diào)度方式，充分挖掘現(xiàn)狀工程調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力補(bǔ)充的潛力，在實(shí)現(xiàn)水庫多排沙的同時(shí)，進(jìn)一步提高下游河道的排沙效果；加強(qiáng)生態(tài)水、資源水、動能水、災(zāi)害水“四水轉(zhuǎn)換”的理論創(chuàng)新和水工程協(xié)同調(diào)度的實(shí)踐創(chuàng)新研究，實(shí)現(xiàn)“災(zāi)害水”向“動能水”“資源水”“生態(tài)水”的轉(zhuǎn)化，最大限度發(fā)揮洪水資源的綜合效益。