小浪底水庫攔沙期應(yīng)急保灘能力研究

李榮容，藺 冬，趙 翔

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌），河南 鄭州 450003）

1 引言

小浪底水庫位于黃河中游最后一個峽谷河段,是解決黃河下游防洪減淤等問題不可替代的關(guān)鍵工程,與干支流三門峽、陸渾、故縣、河口村水庫聯(lián)合運用,共同承擔黃河下游防洪任務(wù)。小浪底水庫設(shè)計攔沙庫容75.5 億m3,防洪庫容40.5 億m3,其中保灘庫容7.9 億m3,保灘流量8 000 m3/s。截至2022 年汛前,小浪底水庫已累計防御洪水10 余次,開展調(diào)水調(diào)沙21 a,庫區(qū)淤積泥沙33.92 億m3,占水庫設(shè)計攔沙庫容的44.9%,水庫運用處于攔沙后期第一階段。黃河下游主槽累計沖刷23.51 億m3,花園口—夾河灘河段平灘流量7 300 m3/s,夾河灘—高村河段7 300～6 600 m3/s,高村—利津絕大部分河段在4 600 m3/s 以上。以小浪底為核心的中游干支流水庫聯(lián)合運用,使黃河下游主槽過流能力得到恢復(fù),防洪能力顯著提升。

但是,在近幾年實時洪水調(diào)度中,下游灘區(qū)防洪保安問題依然突出。下游廣闊灘區(qū)既是行洪、滯洪、沉沙的重要區(qū)域,也是灘區(qū)廣大群眾的生存家園,河南、山東灘區(qū)居民遷建規(guī)劃實施后,仍有近百萬人生活在洪水威脅中,涉及河南、山東兩省47 個縣(市、區(qū)),總面積4 320.87 km2,耕地29.8 萬hm2。黃河下游河道現(xiàn)狀最小平灘流量僅是小浪底水庫設(shè)計保灘流量的一半左右,花園口站8 000 m3/s 洪水時下游大部分灘區(qū)將受淹。習(xí)近平總書記指出要“實施河道和灘區(qū)綜合提升治理工程”,解決防洪運用和經(jīng)濟發(fā)展矛盾長期存在的問題［1-4］。利用小浪底水庫較大的剩余攔沙庫容,在保持水庫長期有效庫容、保證水庫及下游大洪水防洪安全條件下,突破水庫原設(shè)計調(diào)度運用方式,挖掘其防洪保灘潛力十分必要。本文結(jié)合黃河下游河道過流能力和灘區(qū)防洪需求,分析計算黃河中游分期分級洪水保灘庫容,提出小浪底水庫應(yīng)急保灘運用方式并分析其保灘能力,以期為實時洪水調(diào)度提供參考。

2 中游洪水分期特點及近期變化

黃河中游暴雨洪水多發(fā)生在7—10 月,其中7—8月為前汛期,9—10 月為后汛期。洪水主要來自河口鎮(zhèn)至龍門區(qū)間、龍門至三門峽區(qū)間(簡稱龍三間)和三門峽至花園口區(qū)間(簡稱三花間),其中三門峽以上的“上大洪水”洪峰高、洪量大、含沙量高,如1933 年洪水；三花間的“下大洪水”洪峰高、漲勢猛、預(yù)見期短,如1954 年、1958 年和1982 年洪水。后汛期洪水相對前汛期而言,洪峰低、洪量小、含沙量低,如1964 年、1975 年洪水,但峰低量大的洪水也占有相當?shù)谋壤?如2021 年秋汛洪水。洪峰流量為4 000～10 000 m3/s的中小洪水發(fā)生頻次高、漫灘影響大,三門峽以上洪水還可能挾帶大量泥沙,造成水庫或下游淤積,成為現(xiàn)階段黃河中下游洪水調(diào)度的難點。

統(tǒng)計分析潼關(guān)、花園口站不同時期各級洪水發(fā)生頻次,由表1 可見,1950—2021 年潼關(guān)、花園口站6 000 m3/s 以下洪水發(fā)生頻次相對較高,6 000 m3/s 以上的洪水頻次相對較低,10 000 m3/s 以上的洪水發(fā)生頻次更低,尤其在1990 年以后；20 世紀90 年代洪水發(fā)生頻次均明顯減少,2000 年以后減少得更多。

表1 潼關(guān)、花園口站不同時期各級洪水發(fā)生頻次 次/a

統(tǒng)計分析潼關(guān)、花園口站不同時期洪峰發(fā)生時間和次數(shù),由表2 可見,潼關(guān)、花園口站洪水發(fā)生時間一般為5 月末到10 月末,20 世紀90 年代的洪水發(fā)生時間集中在7 月、8 月,2000 年以后洪水的最早發(fā)生時間推遲。從不同時期各月洪水場次分布情況看,1954—1969 年、1970—1989 年各月洪水場次分布變化不大,20 世紀90 年代9 月、10 月的洪水發(fā)生次數(shù)明顯少,2000 年以來7 月、8 月的洪水次數(shù)有所減少,9 月、10月洪水次數(shù)增加且洪水發(fā)生時間較晚。

表2 潼關(guān)、花園口站不同時期各月洪峰時間和洪水次數(shù)

3 分期分級洪水保灘庫容需求分析

3.1 保灘控制流量分析

對于黃河下游中水河槽的規(guī)模,相關(guān)單位進行了大量的研究,結(jié)果表明:小浪底水庫攔沙后期,在正常的來水來沙條件下,黃河下游適宜的中水河槽規(guī)模為4 000 m3/s 左右［5］。小浪底水庫于1999 年汛后下閘蓄水,經(jīng)歷了長期清水沖刷和歷次調(diào)水調(diào)沙,黃河下游河道主槽的平灘流量得到一定程度的恢復(fù),但是大流量過程沖刷強度的大幅度降低,使得平灘流量的增幅明顯放緩［6］,近幾年黃河下游河道的最小平灘流量基本維持在4 500 m3/s 左右。2020 年通過黃河防御大洪水實戰(zhàn)演練,小浪底水庫最大下泄流量5 500 m3/s,下游主河槽過流能力提升至5 000 m3/s。2021 年黃河秋汛洪水期間,艾山站最大過流量達到5 300 m3/s。根據(jù)2022 年汛前河道地形分析,目前黃河下游平灘流量較小的河段主要有2 個,一個是孫口上下河段,另一個是利津附近河段。孫口上下河段的平灘流量較小斷面包括陳樓斷面、梁集斷面、路那里斷面和王坡斷面,其平灘流量為4 700 m3/s；利津附近河段的平灘流量較小斷面包括麻灣斷面和綦家斷面,其平灘流量為4 600 m3/s?？紤]黃河下游灘區(qū)生產(chǎn)堤的擋水作用(偎水高度0.5 m),短時段內(nèi)高村至艾山卡口河段的應(yīng)急過洪能力為5 200 m3/s。

黃河下游灘區(qū)洪水淹沒風(fēng)險分析結(jié)果表明［7］:花園口4 000～6 000 m3/s 量級洪水下游灘區(qū)淹沒損失較??；量級從6 000 m3/s 提高到22 000 m3/s,淹沒地物及財產(chǎn)損失急劇增加,其中:6 000 m3/s 洪水灘區(qū)淹沒面積643 km2、淹沒耕地3.84 萬hm2、影響人口3.84萬人,8 000 m3/s 量級洪水灘區(qū)淹沒面積1 745 km2、淹沒耕地10.53 萬hm2、影響人口38.7 萬人。

綜合黃河下游現(xiàn)狀河道條件、中水河槽可維持規(guī)模,以及不同量級洪水灘區(qū)淹沒損失情況,認為保灘控制流量適宜取值為4 000～6 000 m3/s,本文擬定4 500、5 000 m3/s 兩個保灘控制流量指標,進行保灘庫容需求分析。

3.2 保灘庫容需求分析

根據(jù)黃河水利委員會印發(fā)的《2022 年黃河中下游洪水調(diào)度方案》［8］設(shè)計洪水成果(詳見表3),前汛期選取1933 年、1954 年、1958 年、1982 年典型洪水,后汛期選擇1964 年、1975 年、2021 年典型洪水,推算5～20 a 一遇設(shè)計洪水過程線。通過中游水庫聯(lián)合調(diào)度,分析不同分期、不同量級洪水保灘庫容需求,其中三門峽水庫敞泄運用、支流水庫按設(shè)計方式運用、小浪底水庫按湊泄花園口保灘控制流量運用,統(tǒng)計小浪底水庫蓄洪量,即為保灘庫容需求量,結(jié)果見表4。可見,保灘控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水前汛期需要小浪底水庫提供庫容25.2 億～73.9 億m3,后汛期需要7.2 億～52.3 億m3；保灘控制流量5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水前汛期需要小浪底水庫提供庫容20.2 億～62.0 億m3,后汛期需要3.3 億～40.7億m3。

表3 黃河中游三門峽、花園口站及三花間設(shè)計洪水成果

表4 不同分期、不同量級洪水保灘庫容需求量

4 應(yīng)急保灘運用方式

根據(jù)《黃河洪水調(diào)度方案》(國汛〔2015〕19 號),三門峽、小浪底(西霞院水庫配合)、陸渾、故縣、河口村等水庫聯(lián)合調(diào)度,承擔黃河下游防洪任務(wù)。預(yù)報花園口站洪峰流量為4 000～8 000 m3/s 時,三門峽水庫原則上按敞泄運用；支流水庫按本流域防洪運用,伊洛河陸渾、故縣水庫允許最大下泄流量不超1 000 m3/s,沁河河口村水庫控制武陟站流量不超過4 000 m3/s；小浪底水庫原則上依據(jù)初步設(shè)計按進出庫平衡方式運用,視來水來沙及后期天氣情況,適時按控制花園口站流量為4 000 m3/s 或主河槽過洪能力相應(yīng)流量(大于4 000 m3/s 時)方式運用。小浪底水庫設(shè)計汛限水位為254 m,為不影響水庫長期有效庫容,最高控制運用水位原則上不應(yīng)超過此水位。

小浪底水庫攔沙期隨著水庫攔沙量的增加,庫容逐步減小。攔沙后期防洪運用主要分為3 個階段:第一階段為水庫淤積量達到42 億m3之前,第二階段為水庫淤積量為42 億～60 億m3的時期,第三階段為水庫淤積量為60 億～75.5 億m3的時期。目前水庫處于攔沙后期第一階段,仍有相當大的攔沙庫容?；诖?為減少下游灘區(qū)淹沒損失,考慮在不影響水庫大壩安全、不影響大洪水防洪、盡量不影響水庫長期有效庫容的前提下,利用小浪底水庫當前較大的攔沙庫容聯(lián)合三門峽、陸渾、故縣、河口村水庫對洪水進行適當調(diào)控,盡可能保障下游不漫灘或推遲洪水上灘時間［9-11］。在《黃河洪水調(diào)度方案》所定原則下,擬定各水庫應(yīng)急保灘運用方式如下。

(1)三門峽水庫:原則上按敞泄運用。

(2)小浪底水庫:預(yù)報花園口站不超過保灘控制流量,原則上按保灘流量控制運用；否則,適時減小出庫流量,直至按300 m3/s(1 臺機組發(fā)電流量)下泄。

(3)陸渾水庫、故縣水庫:庫水位在庫區(qū)居民緊急轉(zhuǎn)移水位(陸渾水庫319.5 m,故縣水庫535.84 m)以下時,視小花間來水情況適時壓減出庫流量,否則,按控制下泄流量不超1 000 m3/s 運用。

(4)河口村水庫:庫水位在254.5 m 以下時,視小花間來水情況適時壓減出庫流量；否則,按控制武陟站流量不超4 000 m3/s 運用。

5 小浪底水庫保灘能力分析

根據(jù)上文擬定的應(yīng)急保灘運用方式,進行水庫群聯(lián)合調(diào)節(jié)計算,各水庫按汛限水位起調(diào),其中小浪底水庫前汛期起調(diào)水位235 m、后汛期起調(diào)水位248 m,調(diào)洪計算結(jié)果見表5。

表5 不同分期、不同量級洪水小浪底水庫蓄水及下游洪水情況

5.1 前汛期“上大洪水”水庫保灘能力分析

前汛期“上大洪水”主要來源于三門峽以上,設(shè)計洪水歷時45 d,為多峰型洪水。由表5 可見,保灘控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水,通過小浪底水庫攔蓄可將孫口站流量控制在4 590 m3/s 以下,小浪底水庫水位為253.08～273.09 m,水庫淤積量9.06億～17.68 億m3；10 a、20 a 一遇洪水小浪底水庫保灘運用水位超過水庫設(shè)計汛限水位254 m 較多,占用大洪水防洪庫容,且水庫淤積量較大,占水庫攔沙庫容的12.0%～23.4%,可能影響水庫長期有效庫容。保灘控制流量5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水孫口站流量為5 040 m3/s 左右,小浪底水庫水位為249.60～269.52 m,水庫淤積量8.91 億～17.34 億m3,淤積量較大,20 a一遇洪水庫區(qū)淤積量相當于陸渾水庫和河口村水庫的總庫容?？傮w來看,在不占用小浪底水庫設(shè)計汛限水位以上大洪水防洪庫容前提下,小浪底水庫現(xiàn)狀前汛期汛限水位235 m 至設(shè)計汛限水位254 m 之間庫容32 億m3,可保證5 a 一遇“上大洪水”下游不漫灘,推遲10 a 一遇及其以上洪水漫灘時間,為灘區(qū)人員緊急轉(zhuǎn)移爭取時間；在洪水判型準確情況下,可保證20 a一遇“上大洪水”下游不漫灘,水庫相應(yīng)最高蓄水位269.52 m。

考慮到“上大洪水”可能挾帶大量泥沙,實時調(diào)度過程中應(yīng)嚴密監(jiān)視來水來沙及后期天氣情況,根據(jù)河道來水情況,盡可能通過預(yù)泄將小浪底水庫水位降至215 m 或者更低,利用入庫大流量沖刷小浪底庫區(qū),形成異重流排沙,甚至明流沖刷庫區(qū),進一步提高小浪底水庫排沙量,減輕應(yīng)急調(diào)度蓄洪期間水庫淤積［12-13］。

5.2 前汛期“下大洪水”水庫保灘能力分析

前汛期“下大洪水”主要來源于三花間,設(shè)計洪水歷時12 d,為單峰型洪水。由表5 可見,中游水庫按照應(yīng)急保灘方式運用,保灘控制流量4 500 m3/s 方案和5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水孫口站流量5 200～8 240 m3/s,均不能避免下游灘區(qū)上水,小浪底水庫水位248.62～263.26 m。小花間無控制區(qū)來水量較大,5～20 a 一遇洪水洪峰流量2 990～6 910 m3/s,“下大洪水”難以保證下游灘區(qū)洪水不漫灘。

“下大洪水”通過適時壓減支流水庫下泄流量,可以削減部分漫灘流量。但支流水庫庫容較小,陸渾、故縣水庫防洪水位以下還有大量居住人口,壓減下泄流量將占用大洪水防洪庫容,調(diào)度中需要權(quán)衡庫區(qū)淹沒和灘區(qū)淹沒影響；另外,支流水庫距離花園口較遠,陸渾、故縣、河口村水庫至花園口洪水傳播時間分別為24～34 h、26～40 h、14～19 h,水庫以下仍有1.4 萬km2暴雨無控制區(qū),占小花間面積的51%,目前花園口站參考預(yù)報預(yù)見期14～18 h,正式預(yù)報預(yù)見期僅8～10 h,實時調(diào)度中支流水庫轉(zhuǎn)入應(yīng)急保灘的時機難以精準把控,利用有限的庫容有效削減漫灘流量,需要提升小花間洪水預(yù)報預(yù)見期及預(yù)報精度。

5.3 后汛期洪水水庫保灘能力分析

后汛期大洪水多由華西秋雨形成,常為多峰型洪水,洪峰流量一般不大、含沙量較低,但是洪水持續(xù)時間長、總水量較大。由表5 可見,保灘控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水,通過小浪底水庫攔蓄可將孫口站流量控制在4 500 m3/s 左右,小浪底水庫水位為251.93～272.14 m；20 a 一遇洪水小浪底水庫保灘運用后最高水位達到272.14 m,設(shè)計水位274 m 以下防洪庫容僅剩4.87 億m3。保灘控制流量5 000 m3/s方案,5～20 a 一遇洪水孫口站流量為5 080 m3/s 左右,小浪底水庫水位為249.85～267.51 m。總體來看,在保障后汛期大洪水防洪所需庫容前提下,小浪底水庫現(xiàn)狀后汛期汛限水位248 m 以上可用于保灘的庫容約為23 億m3,可保證后汛期10 a 一遇洪水下游不漫灘,推遲10 a 一遇以上洪水漫灘時間；在洪水判型準確情況下,可保證后汛期20 a 一遇洪水下游不漫灘。

6 結(jié)論

(1)當前,小浪底水庫處于攔沙后期第一階段,剩余攔沙庫容約為41 億m3,利用小浪底水庫較大的調(diào)洪庫容兼顧下游灘區(qū)防洪,對保障廣大灘區(qū)群眾生活生產(chǎn)安全意義重大。綜合考慮黃河下游現(xiàn)狀河道條件、中水河槽適宜規(guī)模,以及不同量級洪水灘區(qū)淹沒損失情況,認為保灘控制流量宜在4 000～6 000 m3/s 之間取值。經(jīng)過2020 年防御大洪水實戰(zhàn)演練、2021 年黃河秋汛洪水后,現(xiàn)狀下游河道應(yīng)急保灘控制流量可取5 000 m3/s。

(2)前汛期按5 000 m3/s 保灘流量運用,5～20 a一遇“上大洪水”需要保灘庫容23.0 億～62.0 億m3。小浪底水庫235～254 m 之間庫容可保證5 a 一遇“上大洪水”下游不漫灘；在洪水判型準確情況下,可保證20 a 一遇“上大洪水”下游不漫灘?！跋麓蠛樗币蛐』ㄩg無控制區(qū)來水量較大,故難以保證下游灘區(qū)洪水不漫灘。

(3)后汛期按5 000 m3/s 保灘流量運用,5～20 a一遇洪水需要保灘庫容3.3 億～40.7 億m3?？鄢笱雌诖蠛樗篮樗鑾烊?小浪底水庫248 m 以上庫容可保證10 a 一遇洪水下游不漫灘,在洪水判型準確情況下,可保證20 a 一遇洪水下游不漫灘。

(4)小浪底水庫現(xiàn)狀215～235 m、235～248 m 之間庫容分別為13.33 億、18.91 億m3,在有條件的情況下,水庫可結(jié)合預(yù)報提前預(yù)泄,騰出較大防洪保灘庫容對中小量級洪水進行適當調(diào)控,盡可能減少灘區(qū)淹沒損失。

(5)前汛期“上大洪水”可能挾帶大量泥沙,小浪底水庫攔洪運用庫區(qū)淤積量較大,可能影響水庫長期有效庫容。實時調(diào)度過程中結(jié)合預(yù)報來水來沙情況,通過預(yù)泄將小浪底水庫水位降至215 m 或者更低,減少應(yīng)急調(diào)度蓄洪期間水庫淤積。

(6)隨著小浪底水庫攔沙庫容逐漸淤滿,水庫兼顧下游灘區(qū)防洪能力降低。長遠來看,需要加快推進下游河道和灘區(qū)綜合提升治理,因灘施策,通過實施三灘分區(qū)治理、居民遷建、二級懸河治理、控導(dǎo)工程連接等灘區(qū)綜合治理措施,提高灘區(qū)防洪保安能力,破解灘區(qū)防洪保安和高質(zhì)量發(fā)展之間的矛盾。