基于黃河中游水庫群調(diào)控的下游河道輸沙能力分析

陳翠霞，劉俊秀，付 健

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌），河南 鄭州 450003）

1 研究背景

黃河素以“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”著稱,下游河道在長期排洪輸沙的過程中不斷淤高,形成舉世聞名的地上“懸河”,嚴(yán)重威脅黃淮海平原的安全。利用黃河中游水庫群調(diào)控水沙,減輕下游河道淤積,提高下游河道輸沙能力,是保障黃河長久安瀾、推動流域高質(zhì)量發(fā)展的重要措施。

黃河下游河道輸沙主要取決于來水來沙條件、河床邊界條件等,其中來水來沙是決定因素。針對黃河下游河道輸沙的研究,費(fèi)祥?。?］、曹如軒［2］認(rèn)為高含沙洪水具有很強(qiáng)的輸沙潛力,張曉華［3］提出要充分發(fā)揮大流量高含沙量水流的輸沙能力,鄭艷爽等［4］認(rèn)為大流量以及高流速決定了下游河道具有較大的輸沙能力,李小平等［5］研究提出下游高效輸沙洪水可以用平均流量3 200 m3/s、平均含沙量65 kg/m3來代表。Guo等［6］根據(jù)黃河下游1960—2012 年的水沙數(shù)據(jù),運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析提出流量為3 000～4 000 m3/s、含沙量為20～60 kg/m3的水沙過程是黃河下游長期均衡輸沙的最佳組合。基于水庫群調(diào)控作用,胡春宏［7］提出黃河年均來沙8 億～12 億t 時現(xiàn)狀小浪底水庫運(yùn)用和古賢水庫投入運(yùn)行后中游水庫群聯(lián)合運(yùn)用,利津站年均輸沙能力分別為4.36 億～6.24 億t、3.49 億～5.07 億t。豐青等［8］以“77·7”高含沙洪水為研究對象提出小浪底水庫調(diào)度對進(jìn)入下游的水沙過程有較大影響。何國楨等［9］提出為提高黃河下游河道輸沙的水流功率,小浪底水庫排沙期利津站與花園口站平均流量之比應(yīng)大于0.85。

當(dāng)前黃河水沙條件、河床邊界和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展約束等發(fā)生了諸多劇烈變化,下游河道減淤運(yùn)用對水庫群調(diào)度提出了新的要求,黃河水沙調(diào)控體系的不斷完善也對黃河下游河道輸沙能力帶來影響,而當(dāng)前在該方面研究較少。本文計(jì)算了不同來水來沙情景下,優(yōu)化現(xiàn)狀中游水庫群調(diào)控方式和古賢、東莊水庫投入運(yùn)行后的黃河下游河道輸沙變化,以期為黃河下游河道與灘區(qū)綜合治理提供技術(shù)支撐。

2 研究對象、方法和數(shù)據(jù)

2.1 研究對象

本文研究對象為黃河中游水庫群及下游河道,如圖1 所示。黃河中游水庫群主要包括已建三門峽水庫、小浪底水庫,在建的東莊水庫和規(guī)劃建設(shè)的古賢水庫。三門峽水庫的開發(fā)任務(wù)是防洪、防凌、灌溉、發(fā)電、供水［10］,現(xiàn)狀防洪運(yùn)用水位335.0 m,相應(yīng)庫容96.4億m3(1960 年),近年來汛期按305.0 m 水位控制,非汛期最高不超過318.0 m。小浪底水庫的開發(fā)任務(wù)以防洪(防凌)、減淤為主,兼顧供水、灌溉、發(fā)電［10］,總庫容126.5 億m3,其中攔沙庫容75.5 億m3,調(diào)水調(diào)沙庫容10 億m3,截至2022 年4 月水庫累計(jì)淤積泥沙33.9億m3。在建的涇河?xùn)|莊水庫壩址斷面實(shí)測年均懸移質(zhì)輸沙量2.37 億t,約占渭河來沙量的70%、黃河來沙量的1/6；開發(fā)任務(wù)以防洪減淤為主,兼顧供水、發(fā)電及改善生態(tài)等綜合利用［11］,預(yù)估2027 年發(fā)揮作用；設(shè)計(jì)總庫容32.76 億m3,其中攔沙庫容20.53 億m3,調(diào)水調(diào)沙庫容3.27 億m3。規(guī)劃建設(shè)的古賢水庫開發(fā)任務(wù)以防洪減淤、調(diào)水調(diào)沙為主,兼顧供水、灌溉和發(fā)電等綜合利用；設(shè)計(jì)總庫容130.59 億m3,其中設(shè)計(jì)攔沙庫容93.42 億m3,調(diào)水調(diào)沙庫容20 億m3；根據(jù)水利部審查通過的《黃河古賢水利樞紐工程可行性研究報(bào)告》,古賢水庫2035 年建成投入運(yùn)行。

圖1 研究對象示意

黃河干流自小浪底大壩以下至渤?？?河長881 km。黃河水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào),黃河下游河道泥沙淤積嚴(yán)重,是黃河治理的重中之重。小浪底水庫運(yùn)用后,下游河道實(shí)現(xiàn)了全線沖刷,截至2022 年4 月河道累計(jì)沖刷泥沙33 億t,河床平均沖刷下切2.6 m。

2.2 研究方法

一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型是模擬水庫群和河道水沙演進(jìn)及沖淤演變常用的方法。本研究中黃河中游水庫群和下游河道泥沙沖淤計(jì)算采用文獻(xiàn)［12］提出的數(shù)學(xué)模型,該模型集成了黃河中游已建、在建和規(guī)劃建設(shè)的骨干水庫,其中古賢水庫模擬范圍為磧口壩下至古賢壩址,三門峽水庫模擬范圍為干流龍門至三門峽壩前、渭河華縣以下及其支流北洛河、汾河(按點(diǎn)源考慮),小浪底水庫模擬范圍為三門峽壩下至小浪底壩前,支流東莊水庫模擬范圍為水庫庫區(qū),黃河下游河道模擬范圍為鐵謝至入?？?支流伊洛河、沁河按點(diǎn)源考慮)。模型已經(jīng)經(jīng)過三門峽水庫、小浪底水庫、小北干流、下游河道實(shí)測資料驗(yàn)證［12］,計(jì)算值誤差在15%以內(nèi)。

2.3 研究數(shù)據(jù)

黃河未來水沙量變化與自然氣候因素和流域水利工程建設(shè)、水土保持生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展等人類活動密切相關(guān)［13］,當(dāng)前對未來黃河輸沙量的認(rèn)識范圍一般為3 億～8 億t,具體數(shù)字尚有分歧［14］。本文采用黃河中游4 站(干流龍門站、支流渭河華縣站、支流汾河河津站、支流北洛河頭站)合計(jì)多年平均來沙8 億、6 億、3 億t 共3 種來沙情景方案,分析黃河下游河道輸沙能力對水庫群調(diào)控的響應(yīng)。模型計(jì)算起始河道邊界條件為2022 年4 月。

1957—2010 年基本系列4 站水沙量差積曲線,如圖2 所示。54 a 基本系列中,4 站水量前13 a 處于連續(xù)偏豐時段,14～19 a 處于連續(xù)偏枯時段,20～35 a 處于連續(xù)平偏豐時段,36～54 a 處于連續(xù)偏枯時段；沙量前15 a 處于連續(xù)偏豐時段,16～41 a 處于連續(xù)平偏枯時段,42～54 a 處于連續(xù)偏枯時段。水沙量均有明顯的豐枯變化。8 億t 情景、6 億t 情景設(shè)計(jì)水沙系列選取時從系列盡可能連續(xù)的角度出發(fā),選取了1959—2008年設(shè)計(jì)水沙系列循環(huán)1 次(共100 a)；3 億t 情景設(shè)計(jì)水沙系列采用2000—2013 年系列連續(xù)循環(huán)(4 站實(shí)測年均沙量為3.0 億t)。不同來沙情景年均水沙量見表1。

表1 黃河中游不同來沙情景方案徑流量、輸沙量特征值

圖2 1956—2010 基本系列4 站水沙量差積曲線

3 結(jié)果與分析

3.1 計(jì)算方案

根據(jù)水流挾沙能力公式［15］,水流挾沙力與流速的高次方成正比。根據(jù)水力學(xué)原理可知,水流流速隨著流量的增大而增大,其規(guī)律可以由黃河下游發(fā)生洪水的典型年份花園口站、利津站的實(shí)測流量與流速的關(guān)系得到驗(yàn)證,如圖3 所示。流量越大流速越大,相應(yīng)的水流挾沙能力越強(qiáng)。因此,增加下游河道輸沙能力,需要中游水庫群聯(lián)合調(diào)控泄放較大流量的水流過程。這一方面需要優(yōu)化現(xiàn)狀水庫群運(yùn)用方式,另一方面需要完善水沙調(diào)控體系,提高現(xiàn)狀水庫群調(diào)控后續(xù)動力［16］。此外,水庫泄放高含沙水流過程將導(dǎo)致下游河道泥沙淤積［17］,因此水庫調(diào)控方式優(yōu)化時應(yīng)考慮下游河道沖淤狀態(tài)?；诖?兼顧水庫及河道減淤、提高河道輸沙能力,在現(xiàn)狀水庫群調(diào)控基礎(chǔ)上,增加優(yōu)化現(xiàn)狀水庫群調(diào)控(簡稱“現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控”)、古賢和東莊水庫投入運(yùn)行后水庫群聯(lián)合調(diào)控(簡稱“古賢、東莊運(yùn)行后優(yōu)化調(diào)控”)兩種方案進(jìn)行論證。

圖3 典型年份實(shí)測流量與流速的關(guān)系

(1)現(xiàn)狀方案。現(xiàn)狀中游水庫群泄放較大流量的水流過程主要在汛前、汛期調(diào)水調(diào)沙期間,該任務(wù)主要由小浪底水庫承擔(dān)。干流三門峽水庫已沖淤平衡,汛期不超過305 m 水位運(yùn)用(2022 年汛前305 m 以下庫容僅0.78 億m3)。支流陸渾、故縣、河口村水庫配合進(jìn)行實(shí)時空間尺度的水沙聯(lián)合調(diào)度,實(shí)現(xiàn)水沙過程在花園口的對接,改善進(jìn)入下游的水沙關(guān)系。水庫群調(diào)控指標(biāo)見表2。三門峽、黑石關(guān)、武陟流量之和大于4 000 m3/s時,小浪底水庫進(jìn)行防洪調(diào)度。三門峽、黑石關(guān)、武陟流量之和小于等于4 000 m3/s 時,小浪底水庫根據(jù)蓄水和河道來水情況,進(jìn)行蓄滿造峰調(diào)度、湊泄造峰調(diào)度、高含沙調(diào)度和降水沖刷調(diào)度:①蓄滿造峰調(diào)度。水庫蓄水加河道來水量大于13 億m3時,水庫泄放花園口站流量在3 700 m3/s 以上至少5 d 的大流量過程。②湊泄造峰調(diào)度。當(dāng)水庫可調(diào)水量大于6 億m3且潼關(guān)和三門峽平均流量大于2 600 m3/s 時,水庫相機(jī)湊泄花園口流量在3 700 m3/s 以上至少5 d 的大流量過程。③高含沙調(diào)度。當(dāng)水庫可調(diào)水量小于6 億m3且預(yù)報(bào)入庫流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于200 kg/m3時,水庫提前2 d 預(yù)泄或蓄水至3 億m3后按進(jìn)出庫平衡運(yùn)用。④降水沖刷調(diào)度。水庫淤積量達(dá)到42 億m3進(jìn)入攔沙后期第二階段,當(dāng)潼關(guān)和三門峽平均流量大于2 600 m3/s時,水庫提前2 d 泄放花園口流量為4 000 m3/s 的流量過程,直到入庫流量小于2 600 m3/s。

表2 小浪底水庫攔沙期汛期調(diào)控指標(biāo)

(2)現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案。最小平灘流量是評價河道行洪輸沙能力的主要指標(biāo)［12］,根據(jù)相關(guān)研究,黃河下游河道適宜的平灘流量規(guī)模為4 000 m3/s 左右［18］。當(dāng)下游河道主槽最小平灘流量在4 500 m3/s 以上時,河道允許一定程度的泥沙淤積,此時可對小浪底水庫調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化,增加泄放大流量水流過程,增大水庫排沙幾率,提高下游河道輸沙能力,同時還可實(shí)現(xiàn)水庫減淤。與現(xiàn)狀方案相比,水庫調(diào)控優(yōu)化主要體現(xiàn)在湊泄造峰調(diào)度、高含沙調(diào)度和降水沖刷調(diào)度:①湊泄造峰調(diào)度啟動條件。由現(xiàn)狀方案的水庫可調(diào)水量大于等于6 億m3調(diào)整為可調(diào)水量大于等于5 億m3。②高含沙調(diào)度啟動條件。由現(xiàn)狀方案的預(yù)報(bào)入庫流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于200 kg/m3,調(diào)整為預(yù)報(bào)入庫流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于60 kg/m3,水庫提前蓄水量由3 億m3調(diào)整為2 億m3。③降水沖刷調(diào)度啟動條件。不再限制于攔沙后期第二階段,即當(dāng)前攔沙后期第一階段遇合適條件也進(jìn)行降水沖刷。當(dāng)下游河道平灘流量規(guī)模在適宜的規(guī)模即4 000 m3/s左右時,小浪底水庫調(diào)控優(yōu)化主要體現(xiàn)在高含沙調(diào)度上。當(dāng)下游河道主槽萎縮、最小平灘流量降至3 500 m3/s 以下時,水庫攔截易造成下游河道淤積的入庫高含沙洪水過程,以恢復(fù)下游河道中水河槽規(guī)模。優(yōu)化調(diào)控指標(biāo)見表2。

(3)古賢、東莊運(yùn)行后優(yōu)化調(diào)控方案。在現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案基礎(chǔ)上,考慮古賢、東莊水庫投入運(yùn)行后與現(xiàn)狀水庫群聯(lián)合調(diào)控,增加進(jìn)入下游河道的大流量過程。古賢水庫與小浪底水庫聯(lián)合調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用,沖刷恢復(fù)小浪底水庫部分槽庫容,降低潼關(guān)高程,協(xié)調(diào)黃河下游水沙關(guān)系,較長時期維持黃河下游中水河槽規(guī)模,提高下游河道行洪輸沙能力［19］。東莊水庫調(diào)控涇河洪水泥沙,攔蓄高含沙小洪水,泄放高含沙大洪水,結(jié)合渭河來水塑造一定歷時的較大流量洪水,減輕渭河下游河道淤積；相機(jī)配合干流骨干水庫群調(diào)水調(diào)沙,補(bǔ)充小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力。

3.2 計(jì)算結(jié)果

利用一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型開展計(jì)算,分析了現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案和古賢、東莊運(yùn)行后優(yōu)化調(diào)控方案下游河道輸沙能力變化情況。

(1)現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控后下游河道輸沙能力變化。黃河年均來沙8 億t 情景,數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果表明:現(xiàn)狀方案,小浪底水庫2035 年設(shè)計(jì)攔沙庫容淤滿,計(jì)算期50 a 內(nèi)下游河道年均淤積1.63 億t；小浪底水庫攔沙期內(nèi),利津站年均輸沙量為4.85 億t；水庫攔沙庫容淤滿進(jìn)入正常運(yùn)用期后,進(jìn)入下游河道的沙量增加,利津站年均輸沙量為5.50 億t?，F(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案,水庫增加了高含沙洪水調(diào)度次數(shù),增加了泄放流量大于2 600 m3/s的水流過程,小浪底水庫2039 年設(shè)計(jì)攔沙庫容淤滿,較現(xiàn)狀方案延長了4 a,計(jì)算期50 a 內(nèi)下游河道年均淤積量減少為1.50 億t；小浪底水庫攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙量為5.34 億t,與現(xiàn)狀方案相比提高了0.49億t,仍有10%的提高潛力；小浪底水庫正常運(yùn)用期內(nèi),利津站年均輸沙量與現(xiàn)狀方案差別不大,見表3。

表3 現(xiàn)狀水庫群優(yōu)化調(diào)控作用下的下游河道年均輸沙量

黃河年均來沙6 億t 情景,現(xiàn)狀方案,小浪底水庫2042 年設(shè)計(jì)攔沙庫容淤滿,計(jì)算期50 a 內(nèi)下游河道年均淤積0.87 億t；小浪底水庫攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙量為3.69 億t,正常運(yùn)用期進(jìn)入下游河道的沙量增加,利津站年均輸沙量為4.35 億t。現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案,小浪底水庫2048 年設(shè)計(jì)攔沙庫容淤滿,較現(xiàn)狀方案延長了6 a,計(jì)算期50 a 內(nèi)下游河道年均淤積量減少為0.73 億t；小浪底水庫攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙量為4.11 億t,與現(xiàn)狀方案相比提高了0.42 億t,仍有11%的提高潛力；小浪底水庫正常運(yùn)用期內(nèi),利津站年均輸沙量與現(xiàn)狀方案差別不大。

黃河年均來沙3 億t 情景,現(xiàn)狀方案,小浪底水庫2065 年設(shè)計(jì)攔沙庫容淤滿,計(jì)算期50 a 內(nèi)下游河道處于沖刷狀態(tài)；小浪底水庫攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙量為1.98 億t,正常運(yùn)用期進(jìn)入下游河道的沙量增加,利津站年均輸沙量為2.38 億t。現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案,小浪底水庫2074 年設(shè)計(jì)攔沙庫容淤滿,較現(xiàn)狀方案延長了9 a,小浪底水庫攔沙期內(nèi)利津站年均輸沙量為2.22 億t,與現(xiàn)狀方案相比提高了0.24 億t,仍有12%的提高潛力；小浪底水庫正常運(yùn)用期內(nèi),利津站年均輸沙量與現(xiàn)狀方案差別不大。

(2)古賢、東莊運(yùn)行后優(yōu)化調(diào)控對下游河道輸沙能力的影響。古賢、東莊水庫投入運(yùn)行后,水庫攔沙期內(nèi)進(jìn)入下游河道的沙量和輸沙入海量減少。對比分析古賢、東莊水庫均進(jìn)入正常運(yùn)用期后水庫群調(diào)控對下游河道輸沙能力的影響,結(jié)果見表4。古賢、東莊水庫投入運(yùn)行后,中游水庫群聯(lián)合調(diào)控改善了進(jìn)入下游河道的水沙關(guān)系,黃河年均來沙8 億、6 億、3 億t 情景下,進(jìn)入下游河道的大流量水流過程相應(yīng)水量均增加,利津站年均輸沙量分別為6.13 億、4.88 億、2.75 億t,與現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案相比,提高了11%～12%。

表4 古賢、東莊水庫投入運(yùn)行后下游河道輸沙量變化（中游水庫群均進(jìn)入正常運(yùn)用期）

4 結(jié)論

(1)黃河下游河道輸沙能力的大小主要取決于來水來沙條件。近年來黃河天然來水量及利于輸沙的大流量過程減少,提高下游河道輸沙效率需要水庫泄放較大含沙量的水流過程。在維持穩(wěn)定的下游河道中水河槽規(guī)模前提下,優(yōu)化現(xiàn)狀水庫群調(diào)控方式,增加水庫湊泄造峰次數(shù)和高含沙洪水調(diào)度頻次,可實(shí)現(xiàn)水庫和下游河道減淤,提高河道輸沙能力。黃河年均來沙8 億、6 億、3 億t 情景下,現(xiàn)狀水庫群調(diào)控方式優(yōu)化后,小浪底水庫攔沙年限可分別延長4、6、9 a,利津站年均輸沙量可由現(xiàn)狀的4.85 億、3.69 億、1.98 億t 提高為5.34 億、4.11 億、2.22 億t,輸沙能力提高10%～12%。

(2)古賢、東莊水庫投入運(yùn)行后,中游水庫群聯(lián)合調(diào)控可改善進(jìn)入下游河道的水沙關(guān)系,進(jìn)入下游河道的沙量減少,有利于輸沙的大流量水流過程增加,黃河年均來沙8 億、6 億、3 億t 情景下,利津站輸沙量分別為6.13 億、4.88 億、2.75 億t,相比現(xiàn)狀優(yōu)化調(diào)控方案,進(jìn)一步提高了11%～12%。應(yīng)盡快建設(shè)古賢水利樞紐工程,完善水沙調(diào)控體系,提高河道輸沙能力,長期維持下游河道中水河槽規(guī)模。