2023年黃河含沙量調(diào)度探索與實(shí)踐

魏向陽(yáng) 楊會(huì)穎 任 偉 韓 涵

（黃河水利委員會(huì)水旱災(zāi)害防御局，鄭州 450003）

0 引 言

黃河水利委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)黃委）已持續(xù)22 年實(shí)施調(diào)水調(diào)沙，在維持下游中水河槽，減小下游漫灘風(fēng)險(xiǎn)、水庫(kù)排沙減淤、河口生態(tài)補(bǔ)水方面取得了顯著的成效。實(shí)現(xiàn)水庫(kù)排沙減淤是黃河調(diào)水調(diào)沙的主要目標(biāo)之一，排沙過(guò)程中含沙量太低會(huì)影響輸沙效率，但是過(guò)高的含沙量洪水過(guò)程可能會(huì)造成河道洪峰增值，嚴(yán)重情況下甚至可能會(huì)造成下游漫灘，危及灘區(qū)防洪安全，是調(diào)水調(diào)沙集中排沙期需要著重考慮的安全因素。過(guò)高的含沙量洪水還會(huì)對(duì)下游局部河段的魚(yú)類(lèi)造成機(jī)械損傷和缺氧，發(fā)生“流魚(yú)”現(xiàn)象。隨著調(diào)水調(diào)沙效益的持續(xù)顯現(xiàn)，社會(huì)公眾對(duì)黃河調(diào)水調(diào)沙的關(guān)注度日益提高，對(duì)調(diào)水調(diào)沙的目標(biāo)也有了更高的期望。

2023 年4 月1 日正式施行的《中華人民共和國(guó)黃河保護(hù)法》明確規(guī)定，“水沙調(diào)控應(yīng)當(dāng)采取措施盡量減少對(duì)水生生物及其棲息地的影響”。2023年年初，黃委積極響應(yīng)落實(shí)要求，安排部署了相關(guān)研究工作，分析了調(diào)水調(diào)沙對(duì)水生生物的影響，提出了相應(yīng)措施建議。2023 年汛前調(diào)水調(diào)沙黃委實(shí)施泥沙精細(xì)化調(diào)度，創(chuàng)新優(yōu)化調(diào)度方式及調(diào)控指標(biāo)，控制出庫(kù)含沙量過(guò)程，使下游水沙過(guò)程相協(xié)調(diào)，避免發(fā)生顯著洪峰增值，同時(shí)盡量減少對(duì)水生生物及其棲息地的影響，取得了良好的效果。

1 初始運(yùn)用條件

1.1 水庫(kù)初始蓄水情況

6月21日8時(shí)，萬(wàn)家寨、三門(mén)峽、小浪底、陸渾、故縣、河口村6 座水庫(kù)合計(jì)蓄水量67.33 億m3，汛限水位以上可供調(diào)節(jié)的蓄水量38.38 億m3，其中小浪底水庫(kù)汛限水位以上蓄水量29.76 億m3，滿(mǎn)足調(diào)水調(diào)沙最小水量指標(biāo)13.5 億m3的要求（表1）。

表1 汛前調(diào)水調(diào)沙主要水庫(kù)初始蓄水量情況表

1.2 小浪底水庫(kù)淤積形態(tài)

截至2023 年4 月，小浪底水庫(kù)275.00 m 以下庫(kù)容為92.97 億m3，淤積三角洲頂點(diǎn)距壩11.42 km，頂點(diǎn)高程為218.51 m。與2022 年同期相比，淤積三角洲頂點(diǎn)退后3.68 km，頂點(diǎn)高程抬升7.95 m。近壩段黃河9 斷面至黃河34 斷面發(fā)生淤積，最低河底高程平均抬升約3.12 m；庫(kù)尾段黃河40 斷面至黃河55 斷面發(fā)生沖刷，最低河底高程平均下降約4.36 m。整體來(lái)看，淤積三角洲頂點(diǎn)高程抬升，庫(kù)區(qū)近壩段發(fā)生淤積，為水庫(kù)排沙創(chuàng)造了有利條件。小浪底水庫(kù)干流主槽最低河底高程沿程變化對(duì)照?qǐng)D見(jiàn)圖1。

圖1 小浪底水庫(kù)干流主槽最低河底高程沿程變化對(duì)照?qǐng)D

1.3 小浪底水庫(kù)泄洪排沙孔洞情況

小浪底泄洪排沙及發(fā)電排水系統(tǒng)由3 條孔板洞、3 條排沙洞、3 條明流洞、1 條溢洪道、6 條發(fā)電洞組成。其中，排沙洞和孔板洞是主要排沙通道，進(jìn)口底坎高程為175 m?？装宥催\(yùn)行條件為水位超過(guò)200 m，其工作閘門(mén)必須全開(kāi)運(yùn)用。排沙洞運(yùn)行條件為水位超過(guò)186 m，220 m以上需局部開(kāi)啟（工程條件限制），一般控制單洞泄流量不超過(guò)500 m3/s。1#、2#、3#明流洞進(jìn)口高程分別為195 m、209 m、225 m。正常溢洪道堰頂高程258 m，運(yùn)行條件為水位超過(guò)265 m。小浪底水庫(kù)泄洪排沙孔洞基本情況見(jiàn)表2。

表2 小浪底水庫(kù)泄洪排沙孔洞基本情況表

1.4 下游河道過(guò)洪能力

2023 年汛前，在不考慮生產(chǎn)堤擋水情況下，黃河下游各水文站的平灘流量見(jiàn)表3。下游平灘流量較小的河段有兩個(gè)，位于孫口和利津斷面附近，最小平灘流量分別為4 700 m3/s和4 600 m3/s。

表3 2023年汛前黃河下游各水文站平灘流量表

2 水沙調(diào)度過(guò)程

2.1 調(diào)度目標(biāo)

維持黃河下游中水河槽；在確保后期抗旱用水安全的前提下，實(shí)現(xiàn)水庫(kù)排沙減淤，優(yōu)化水庫(kù)淤積形態(tài)，并盡量減少對(duì)水生生物及其棲息地的影響；實(shí)施黃河生態(tài)調(diào)度和三角洲生態(tài)補(bǔ)水；檢驗(yàn)河道整治工程適應(yīng)性和數(shù)字孿生黃河建設(shè)成果應(yīng)用；進(jìn)一步探索水庫(kù)及下游河道泥沙輸移規(guī)律，豐富調(diào)水調(diào)沙理論。

2.2 調(diào)度方式

根據(jù)黃河中游河道來(lái)水及水庫(kù)蓄水情況，為增強(qiáng)小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動(dòng)力，充分發(fā)揮水庫(kù)汛限水位以上蓄水效益，并盡量減小對(duì)水生生物及其棲息地的影響，2023年汛前調(diào)水調(diào)沙采用萬(wàn)家寨、三門(mén)峽和小浪底水庫(kù)調(diào)控為主，支流陸渾、故縣、河口村水庫(kù)相機(jī)配合的聯(lián)合調(diào)度模式。

2.3 調(diào)度技術(shù)

（1）不同來(lái)源區(qū)水沙過(guò)程對(duì)接技術(shù)。以干流小浪底水庫(kù)泄放為主、支流水庫(kù)相機(jī)配合的方式，有效利用小浪底—花園口區(qū)間的清水，與小浪底水庫(kù)下泄的高含沙水流在花園口進(jìn)行水沙對(duì)接，塑造適宜含沙量洪水過(guò)程。

（2）干流多庫(kù)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)。利用萬(wàn)家寨水庫(kù)調(diào)控影響三門(mén)峽水庫(kù)入庫(kù)水沙過(guò)程，并通過(guò)三門(mén)峽水庫(kù)2 次調(diào)控小浪底水庫(kù)入庫(kù)過(guò)程，人工塑造異重流，調(diào)整小浪底庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)，協(xié)調(diào)出庫(kù)水沙關(guān)系。

（3）小浪底泄流孔洞組合控制出庫(kù)含沙量。利用不同孔洞進(jìn)口底坎高程、排沙能力、閘門(mén)操作等特點(diǎn)，在排沙關(guān)鍵期，調(diào)整孔洞組合，盡量控制小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量在合理范圍內(nèi)。

（4）減少水生生物及其棲息地影響的調(diào)度技術(shù)。分析總結(jié)歷年來(lái)調(diào)水調(diào)沙對(duì)水生生物及其棲息地影響，初步提出了控制含沙量及排沙歷時(shí)、適時(shí)加大支流水庫(kù)下泄流量、加強(qiáng)魚(yú)類(lèi)庇護(hù)所生態(tài)環(huán)境保護(hù)等措施。

2.4 調(diào)度過(guò)程

根據(jù)水庫(kù)蓄水和河道來(lái)水預(yù)測(cè)，綜合考慮下游灘區(qū)麥?zhǔn)?、魚(yú)類(lèi)產(chǎn)卵期、7 月上旬“卡脖子旱”用水等因素，2023 年汛前調(diào)水調(diào)沙自6 月21 日開(kāi)始，較往年開(kāi)始時(shí)間推遲2 d。7 月16 日，利津站水沙過(guò)程基本入海，調(diào)水調(diào)沙結(jié)束，整個(gè)過(guò)程歷時(shí)約25 d。其間，小浪底、西霞院水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，最大下泄流量為4 400 m3/s。陸渾、故縣、河口村水庫(kù)在小浪底水庫(kù)集中排沙期配合泄放清水，最大下泄流量分別為55 m3/s、300 m3/s、120 m3/s，稀釋干流高含沙水流，為水生生物提供庇護(hù)所，盡量減小調(diào)水調(diào)沙對(duì)水生生物及其棲息地的影響。東平湖結(jié)合大汶河洪水防御，向黃河排洪0.5億m3，補(bǔ)充調(diào)水調(diào)沙后期艾山以下河段水沙動(dòng)力。

（1）萬(wàn)家寨水庫(kù)。萬(wàn)家寨水庫(kù)自6 月11 日起逐步抬升水庫(kù)水位，按照不超正常蓄水位977 m運(yùn)用，為調(diào)水調(diào)沙提供后續(xù)動(dòng)力。自7 月4 日6 時(shí)起，萬(wàn)家寨、龍口水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，出庫(kù)流量按1 800 m3/s均勻下泄至汛限水位以下。

（2）三門(mén)峽水庫(kù)。為增加調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動(dòng)力，在小浪底水庫(kù)降至對(duì)接水位之前，三門(mén)峽水庫(kù)按不超過(guò)318 m運(yùn)用。自7月6日18時(shí)起按2 000 m3/s、3 000 m3/s、3 700 m3/s由小到大泄放。為維持小浪底水庫(kù)低水位排沙，自7 月7 日10 時(shí)、7 月8 日6 時(shí)分別壓減至3 000 m3/s、2 500 m3/s 下泄。為兼顧水庫(kù)排沙減淤，自7月8日13時(shí)、17時(shí)按3 000 m3/s、4 000 m3/s泄放至水庫(kù)泄空。

（3）小浪底水庫(kù)。小浪底、西霞院水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，整個(gè)調(diào)度過(guò)程分為清水下泄和集中排沙兩個(gè)階段。

清水下泄階段：6月21日9時(shí)，按照2 500 m3/s下泄，控制花園口站2 600 m3/s，調(diào)水調(diào)沙正式開(kāi)始。22日8時(shí)、23日8 時(shí)、24 日8 時(shí)，分別按照3 400 m3/s、3 900 m3/s、4 400 m3/s逐級(jí)加大下泄流量，泄放水庫(kù)蓄水，4 400 m3/s 流量持續(xù)7 d。7 月1 日6 時(shí)，小浪底水庫(kù)降至汛限水位以下，8 時(shí)起，按4 000 m3/s 下泄。之后，為控制小浪底庫(kù)水位平穩(wěn)下降，滿(mǎn)足水庫(kù)調(diào)度規(guī)程要求，水庫(kù)逐級(jí)壓減下泄流量，7 月2 日8 時(shí)、7 月3 日8 時(shí)、7 月4 日20 時(shí)、7 月5 日19 時(shí)起分別按3 500 m3/s、3 000 m3/s、2 600 m3/s、1 800 m3/s下泄。

集中排沙階段：7 月6 日14 時(shí)小浪底出庫(kù)含沙量為31 kg/m3，之后，出庫(kù)含沙量快速上漲，6 日18 時(shí)，小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量上漲至206 kg/m3。由于水庫(kù)短時(shí)集中排沙，小浪底低水位庫(kù)容淤積分布發(fā)生較大變化，為加快水位降速，7 月6 日20 時(shí)、22 時(shí)，分別加大至2 000 m3/s、2 500 m3/s下泄。7 月7 日2 時(shí)，庫(kù)水位最低降至216.44 m，實(shí)現(xiàn)與三門(mén)峽大流量泄放過(guò)程對(duì)接。7 日9 時(shí)30 分，全開(kāi)2#孔板洞，全關(guān)1#明流洞，出庫(kù)含沙量進(jìn)一步上升，10時(shí)48分小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量達(dá)到最大值為442 kg/m3。為增強(qiáng)小浪底水庫(kù)排沙效果，充分考慮洪峰增值影響，自7 月7 日16 時(shí)、7 日23 時(shí)、8 日6 時(shí)起逐步加大下泄流量，分別按照3 000 m3/s、3 300 m3/s、3 500 m3/s 控泄。為增強(qiáng)排沙效果，8 日20 時(shí)起，按2 700 m3/s 下泄（3 個(gè)排沙洞、1 個(gè)孔板洞組合，明流洞關(guān)閉）?？紤]黃河下游引黃涵閘拉沙需要，自7 月10 日10 時(shí)起按1 800 m3/s 下泄，11 時(shí)起按800 m3/s 下泄，16 時(shí)起按400 m3/s下泄。7月11日8時(shí)，小浪底水庫(kù)回蓄至223.36 m，為后期可能發(fā)生的旱情儲(chǔ)備應(yīng)急水源，結(jié)束調(diào)水調(diào)沙調(diào)度過(guò)程。小浪底水庫(kù)調(diào)度過(guò)程見(jiàn)圖2。整個(gè)調(diào)水調(diào)沙期，花園口站最大流量4 600 m3/s（7 月1 日6 時(shí)36 分），最大含沙量62.4 kg/m3（7月8日12時(shí)）。

圖2 小浪底水庫(kù)調(diào)度過(guò)程圖

西霞院水庫(kù)從7 月2 日8 時(shí)開(kāi)始降低庫(kù)水位，7 月4 日14 時(shí)降至排沙限制水位131 m 以下，為水庫(kù)排沙創(chuàng)造條件。

（4）支流水庫(kù)。陸渾水庫(kù)：6 月19 日15 時(shí)至7 月11 日8 時(shí)，按55 m3/s 下泄，之后轉(zhuǎn)入汛期正常運(yùn)用。故縣水庫(kù)：初期按照108 m3/s 滿(mǎn)發(fā)流量下泄。7 月3 日，洛河盧氏站出現(xiàn)漲水過(guò)程，故縣水庫(kù)10 時(shí)起按200 m3/s 下泄。為加快泄洪，同時(shí)提高稀釋干流高含沙水流效果，6 日19 時(shí)起加大至300 m3/s下泄，有效發(fā)揮了稀釋干流高含沙水流，減少對(duì)水生生物及其棲息地影響。7月10日22時(shí)水位降至汛限水位526.14 m 以下，轉(zhuǎn)入正常防洪運(yùn)用。河口村水庫(kù)：自6 月28 日15 時(shí)起，按120 m3/s 下泄，6 月30 日11 時(shí)30 分水位降至247 m，轉(zhuǎn)入進(jìn)出庫(kù)平衡運(yùn)用。7 月6 日8 時(shí)起，再次按120 m3/s下泄，稀釋干流高含沙過(guò)程，盡量減少調(diào)水調(diào)沙對(duì)水生生物及棲息地影響。7 月8 日21 時(shí)水位降至汛限水位238 m，之后轉(zhuǎn)入正常防洪運(yùn)用。

（5）東平湖。7 月12 日，預(yù)報(bào)大汶河流域?qū)l(fā)生強(qiáng)降雨過(guò)程，11 時(shí)10 分，東平湖老湖開(kāi)始預(yù)泄。整個(gè)調(diào)水調(diào)沙期，最大入黃流量241.8 m3/s，入黃水量0.5億m3。

3 水沙調(diào)控效果分析

（1）水庫(kù)排沙減淤。調(diào)水調(diào)沙期間，潼關(guān)來(lái)沙量0.014 億t，三門(mén)峽、小浪底和西霞院水庫(kù)排沙量分別為0.463億t、1.361億t和1.218億t。三門(mén)峽庫(kù)區(qū)沖刷0.449億t；小浪底水庫(kù)排沙比294%，庫(kù)區(qū)沖刷0.898 億t；西霞院庫(kù)區(qū)淤積0.143億t。小浪底水庫(kù)最低庫(kù)水位216.44 m。

（2）河道沖淤變化。調(diào)水調(diào)沙期間，利津入海水量52.29 億m3、沙量0.533 億t，黃河下游河道發(fā)生淤積，淤積量為0.621 億t。各河段沖刷、淤積交替發(fā)生，其中西霞院—花園口段為主要淤積河段，淤積量為0.568 億t；卡口河段孫口—艾山段發(fā)生微淤，淤積量為0.008 億t。泥沙主要淤積在花園口以上的寬河段，不影響卡口河段的排洪能力，利用年際泥沙接續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)下游河道排洪能力的維持。

（3）含沙量控制情況。整個(gè)調(diào)水調(diào)沙期，7 月7 日10 時(shí)48分小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量達(dá)到最大值為442 kg/m3。含沙量在200 kg/m3以上的時(shí)間持續(xù)了近25 h。7 日11 時(shí)西霞院站最大含沙量為398 kg/m3，高含沙水流在西霞院庫(kù)區(qū)坦化衰減，200 kg/m3以上含沙量持續(xù)時(shí)間降低至14 h?；▓@口站最大含沙量62.4 kg/m3，50 kg/m3以上含沙量持續(xù)時(shí)間38 h，完成了預(yù)定的含沙量控制目標(biāo)。調(diào)水調(diào)沙期含沙量控制過(guò)程見(jiàn)圖3。

圖3 調(diào)水調(diào)沙期含沙量控制過(guò)程圖

（4）洪峰增值。在歷次調(diào)水調(diào)沙中，發(fā)生明顯洪峰增值的年份有9 a，其中，2010 年洪峰增值幅度為2 933 m3/s，增值流量最大。近年來(lái)，對(duì)洪峰增值的水動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究日益深入，認(rèn)為小浪底水庫(kù)異重流排出的極細(xì)高含沙洪水在下游河道輸移的過(guò)程中，引起河道糙率變小,是造成洪峰異常增值的根本原因。此次調(diào)水調(diào)沙期間，高含沙水流向下游演進(jìn)過(guò)程中，花園口站出現(xiàn)洪峰流量4 070 m3/s，洪峰流量較西霞院、黑石關(guān)、武陟站之和增加891 m3/s，洪峰增值率為28%。

（5）水生生物影響及河口生態(tài)補(bǔ)水效果。本次調(diào)水調(diào)沙期間，累計(jì)向清水溝、刁口河流路合計(jì)引水1.70億m3，為三角洲濕地保護(hù)修復(fù)和生物多樣性提升提供了有力的水資源保障。小浪底水庫(kù)集中排沙期，受庫(kù)區(qū)泥沙下泄沖擊力和高含沙量影響，“流魚(yú)”現(xiàn)象集中在小浪底壩下至西霞院庫(kù)尾河段，伊洛河和沁河水庫(kù)在小浪底集中排沙期加大了下泄流量，促進(jìn)了入黃口以下干流河段清水帶的形成，改善了魚(yú)類(lèi)棲息生態(tài)環(huán)境，完成了調(diào)水調(diào)沙生態(tài)調(diào)度目標(biāo)。

4 認(rèn)識(shí)與啟示

（1）干支流水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度取得了新成效。此次調(diào)水調(diào)沙在調(diào)度過(guò)程中實(shí)施出庫(kù)含沙量過(guò)程控制，通過(guò)精細(xì)調(diào)整小浪底水庫(kù)泄流孔洞組合、控制小浪底水庫(kù)水位、入出庫(kù)流量、含沙量等方式，控制小浪底出庫(kù)含沙量在合理范圍內(nèi)，避免下游河道含沙量過(guò)高和發(fā)生顯著洪峰增值。在小浪底水庫(kù)集中排沙期，相機(jī)調(diào)度支流陸渾、故縣、河口村水庫(kù)下泄清水，稀釋干流河道內(nèi)高含沙水流，減小了對(duì)下游河道內(nèi)水生生物及其棲息地的影響，調(diào)水調(diào)沙生態(tài)化調(diào)度水平得到提升。

（2）庫(kù)區(qū)高含沙洪水演進(jìn)規(guī)律還需進(jìn)一步研究。本次調(diào)水調(diào)沙暴露出小浪底水庫(kù)高含沙泄流值與小浪底站測(cè)驗(yàn)結(jié)果差別較大、小浪底庫(kù)區(qū)支流水文站網(wǎng)密度不夠、支流攔門(mén)沙演變和庫(kù)區(qū)沖淤監(jiān)測(cè)能力不足等問(wèn)題，尚不能滿(mǎn)足調(diào)水調(diào)沙精準(zhǔn)調(diào)度需要。下一步要加強(qiáng)調(diào)水調(diào)沙期間小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)水沙監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步率定高含沙水流工況孔洞泄流能力，提高全天候水沙測(cè)驗(yàn)?zāi)芰?，為調(diào)水調(diào)沙的精準(zhǔn)調(diào)度提供技術(shù)支撐。

（3）持續(xù)開(kāi)展調(diào)水調(diào)沙，減輕小浪底水庫(kù)及下游河道泥沙淤積。小浪底水庫(kù)在黃河中下游防洪減淤格局中具有關(guān)鍵地位，其攔沙庫(kù)容彌足珍貴。2023 年汛前調(diào)水調(diào)沙期間，小浪底水庫(kù)排沙1.361 億t，為歷年汛前調(diào)水調(diào)沙最高，水庫(kù)沖刷0.898 億t，有效地恢復(fù)了水庫(kù)庫(kù)容。今后，隨著小浪底水庫(kù)攔沙庫(kù)容的淤損，應(yīng)創(chuàng)造條件接續(xù)開(kāi)展調(diào)水調(diào)沙，盡量減輕小浪底水庫(kù)及下游河道泥沙淤積，維持下游中水河槽行洪輸沙能力。