小浪底水庫降水排沙對其下游河床演變的影響

關(guān)鍵詞：河床演變；水庫排沙；泥沙輸移；水沙關(guān)系；黃河下游

小浪底水利樞紐是黃河干流上的一座以防洪（防凌）減淤為主，兼顧供水、灌溉、發(fā)電的綜合性水利工程，是黃河治理開發(fā)的關(guān)鍵性工程。水庫于1999年10月下旬開始蓄水，經(jīng)歷了攔沙、調(diào)水調(diào)沙及排沙運(yùn)用。2000—2006年為水庫攔沙初期，2007年水庫運(yùn)用進(jìn)入攔沙后期第一階段，至2017年，汛前開展調(diào)水調(diào)沙及汛期排沙運(yùn)用，期間由于入庫洪水較少且水庫運(yùn)用水位較高，水庫仍以攔沙運(yùn)用為主[1]。攔沙期不少學(xué)者圍繞水庫異重流排沙及下游河道河槽沖刷、斷面調(diào)整、河床粗化及沖刷效率等方面開展了研究，攔沙初期庫區(qū)泥沙主要以異重流形式向壩前運(yùn)行排入下游，水庫高水位異重流排沙與入庫流量、含沙量、細(xì)沙含量及洪水時長等因素有關(guān)[2-3]，異重流出庫泥沙多為細(xì)沙，基本不會造成下游河道淤積[4]。長期清水或低含沙水流下泄，下游河槽以沖刷為主，洪水沖刷效率隨沖刷歷時的增加而衰減，累計沖刷量空間分布趨于均勻，河槽沖刷重心具有向下游遷移的趨勢，沖刷逐漸趨向平衡[5-7]。伴隨著長時期清水下泄，下游橫斷面形態(tài)調(diào)整劇烈，河槽沖刷明顯，河槽沖深3.0～2.3m[8-11]，河槽擺動幅度小于建庫前[12-14]，沖刷階段伴隨著河槽沖深的同時河槽寬度也增加，但橫向展寬速率明顯小于垂向沖深速率[15-16]，當(dāng)年及前7a流量與含沙量對河槽幾何形態(tài)調(diào)整貢獻(xiàn)率分別為30%、70%[17-18]。河槽沖刷過程中，水流輸送的粗泥沙約41%來自河床[19]，河槽沖刷效率除與床沙粗化有關(guān)外，還與游蕩段床面形態(tài)發(fā)育、水流阻力增加及床沙粗細(xì)程度[20-21]等因素有關(guān)。小浪底水庫運(yùn)用以來，截至2023年汛前，24a小浪底水庫共攔沙48.2億t，下游河槽沖刷31.0億t，黃河下游各河段河槽過洪能力均得到了不同程度的恢復(fù)，花園口以上恢復(fù)值最大，平灘流量超過9900m3/s，河槽具有顯著的泥沙調(diào)節(jié)能力[22]。

2018—2020年汛期小浪底入庫洪水較多，水庫長歷時降低水位排沙運(yùn)用，3a合計排沙13.372億t，水庫沖刷實現(xiàn)了庫容階段恢復(fù)目標(biāo)[23]。以往學(xué)者多偏重于小浪底水庫攔沙階段下游河床沖刷等方面的研究，2018年以來，水庫低水位排沙運(yùn)用，下游河道由2018年以前的持續(xù)沖刷轉(zhuǎn)為沖淤交替變化，在持續(xù)沖刷的河槽邊界下，排沙洪水期河槽淤積對花園口以上（花上）、花園口—高村（花—高）、高村—艾山（高—艾）和艾山—利津（艾—利）不同河段河床演變以及排洪能力的影響還不夠明晰。

本文以2018—2020年實測資料劃分場次排沙洪水，系統(tǒng)分析排沙洪水在黃河下游各河段泥沙沿程調(diào)整規(guī)律，探討洪水期及洪水后高—艾排洪“瓶頸”河段與寬河段沖淤調(diào)整的空間聯(lián)動關(guān)系，以改善洪水前后沿程水沙不協(xié)調(diào)狀況，分析水庫排沙對黃河下游河床演變及防洪的影響，以期為小浪底水庫水沙調(diào)控提供技術(shù)支撐。

1小浪底水庫不同運(yùn)用階段水庫排沙及下游河道沖淤概況

小浪底壩址位于黃河中游最后一段峽谷出口處，距三門峽樞紐130km，壩址以上控制流域面積為69.4萬km2，占黃河流域面積的92.3%。2000—2006年攔沙初期，年均出庫沙量為0.633億t，排沙比為15.9%；2007年水庫運(yùn)用進(jìn)入攔沙后期第一階段，2007—2017年，年均出庫沙量為0.509億t，排沙量仍較小，排沙比為24.2%；2018年以來汛期入庫洪水增多，水庫降低水位運(yùn)用；2018—2022年，年均出庫沙量為3.209億t，排沙比為98.0%，水庫基本實現(xiàn)了泥沙進(jìn)出庫平衡，其中排沙主要集中在2018—2020年，年均出庫沙量為4.457億t，排沙量增大，年均排沙比為120.2%，水庫運(yùn)用以來庫區(qū)首次發(fā)生沖刷。

隨著小浪底水庫不同運(yùn)用階段出庫水沙量的變化，黃河下游河槽沖淤也發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整，沖淤變化基本特點(diǎn)為河槽沿程普遍沖刷，沖刷幅度上大下小，圖1給出了花上和高—艾典型河段河槽年沖淤量（包括汛期和非汛期）變化過程，從沖淤變化看，2000—2017年河槽明顯沖刷，2018年以來水庫降水排沙進(jìn)入下游河道泥沙量增加，河槽由持續(xù)沖刷變?yōu)闆_淤交替變化，以2018—2020年下游河槽沖淤變幅為最大，且河槽淤積主要集中在排沙洪水期，為此，需對2018—2020年小浪底水庫洪水排沙效果及其對下游河床演變的影響進(jìn)行研究分析。

2小浪底水庫降水排沙過程與下游河道水沙演進(jìn)特性

2.1水庫降水排沙過程及效果

水庫排沙與入庫水沙、庫區(qū)地形及水庫運(yùn)用方式等密切相關(guān)。2010年以前，汛前小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙期間，壩前最低水位均在221.44m（2009年）以上，水位較高，庫區(qū)泥沙主要以異重流排入下游，出庫沙量小而且多為細(xì)沙，對下游河道影響很小；2011—2013年調(diào)水調(diào)沙期間，壩前最低水位為212.10m（2013年），雖然壩前水位較低，但入庫水量小，異重流后續(xù)動力不足，水庫排沙量仍較小。2018—2020年黃河來水偏豐，入庫沙量較大，壩前運(yùn)用最低水位逐年降低，見圖2（a），2018—2020年汛期最低水位分別為212.44、210.10和205.11m。從小浪底出庫含沙量過程（圖2（b））看，水庫主要排沙時段集中在7月，2018—2020年出庫最大日均含沙量分別為289.3、213.2和192.4kg/m3，2018年7月5—25日有2次排沙過程沙峰含沙量大于100kg/m3；2019年7月9—28日有4次排沙過程沙峰含沙量大于100kg/m3；2020年7月6—11日和7月23—31日有2次排沙過程沙峰含沙量大于100kg/m3，2018—2020年水庫排沙效果明顯。

2018—2020年小浪底水庫年出庫沙量分別為4.636億、5.451億和3.285億t，其中主要排沙時段出庫沙量分別為4.070億、4.579億和2.262億t，各占相應(yīng)年出庫沙量的87.8%、84.0%和68.9%。主要排沙時段歷時56d，進(jìn)、出庫沙量分別為3.494億和10.911億t，庫區(qū)沖刷量為7.417億t，平均排沙比為312.3%。水庫利用洪水適時排沙，庫區(qū)發(fā)生沖刷，實現(xiàn)了庫容階段恢復(fù)的目標(biāo)。

2.2排沙期黃河下游洪水演進(jìn)過程

根據(jù)小浪底水庫主要排沙時段（出庫沙量大于入庫沙量），考慮到出庫沙峰過程及流量大小、下游洪水演進(jìn)歷時（單次洪水時間不小于6d）及區(qū)間水量平衡等主要因素，將2018—2020年排沙過程共劃分為6場洪水，下游河道典型洪水演進(jìn)過程如圖3。2018—2020年排沙主要集中在7月，每年可劃分為2場排沙洪水。2018年2場排沙洪水發(fā)生于7月5—11日和12—25日，8月中旬有1次含沙量和流量較小的排沙過程，未納入排沙洪水分析，見圖3（a），洪水在下游河道演進(jìn)中，小浪底至花園口區(qū)間有支流伊洛河、沁河匯入，最大日均流量由小浪底站的3600m3/s增到花園口站的4270m3/s，花園口至利津受區(qū)間引水及槽蓄作用影響，至利津站最大日均流量為3610m3/s，小浪底、花園口和利津站最大日均含沙量分別為289.3、76.8和44.6kg/m3；2019年7月2場排沙洪水發(fā)生時間為7月9—18日和19—28日，見圖3（b），洪水期小浪底、花園口、利津站最大日均流量和含沙量分別為3690、3870、3090m3/s和213.2、49.4、25.6kg/m3；2020年7月份有2場排沙洪水，時間分別為7月6—11日和23—31日，洪水期小浪底、花園口、利津站最大日均流量和含沙量分別為3680、3590、2980m3/s和192.4、37.6、22.5kg/m3。排沙期下游洪水演進(jìn)突出特點(diǎn)為含沙量沿程衰減明顯。

2.3排沙洪水期下游河道沖淤及含沙量沿程變化

2018—2020年每年有2場排沙洪水，為便于分析場次洪水沖淤變化，每年洪水按發(fā)生時間先后進(jìn)行標(biāo)記（如2018年7月5—11日第1場洪水，記為201801）。根據(jù)洪水起止時間，考慮沿程洪水傳播時間（小浪底至利津洪水傳播時間為4d），統(tǒng)計每場洪水黃河下游主要水文站水沙特征值及典型河段沖淤量，結(jié)果如表1所示。6場洪水總歷時56d，小浪底站洪水平均流量和含沙量變化范圍分別為2460～3170m3/s和67.1～101.4kg/m3，出庫沙量為10.911億t，其中細(xì)沙（d≤0.025mm）、中沙（0.025lt;dlt;0.05mm）和粗沙（d≥0.05mm）分別為4.184億、2.787億和3.940億t，細(xì)沙、中沙和粗沙占比分別為38.3%、25.6%和36.1%，出庫泥沙較粗。洪水演進(jìn)至利津后，利津站洪水平均流量和含沙量變化范圍分別為2270～3040m3/s和16.4～28.4kg/m3，利津站沙量為2.704億t，其中細(xì)沙、中沙和粗沙分別為1.886億、0.436億和0.382億t，經(jīng)下游長河段泥沙調(diào)整，利津站與小浪底站相比，含沙量顯著降低。

洪水期平均含沙量及衰減率沿程變化如圖4所示，從圖4（a）可以看出，洪水從小浪底出庫后，泥沙在花園口以上河段急劇調(diào)整，演進(jìn)至花園口含沙量驟降，花園口以下含沙量沿程雖仍有衰減，但衰減值很小。不同洪水含沙量衰減率（某站含沙量相對于小浪底站含沙量的減小率）各不相同，如圖4（b），花園口站含沙量衰減率變化范圍為0.449～0.726，高村、利津站含沙量衰減率變化范圍分別為0.567～0.740、0.603～0.777。另外，利津站每年第2場洪水平均含沙量均大于第1場洪水，這與第1場洪水河槽淤積后床沙細(xì)化引起輸沙能力的變化有關(guān)。

2.4排沙洪水期懸沙與床沙組成沿程變化

根據(jù)小浪底、利津站日均輸沙量及懸沙級配，加權(quán)計算每場洪水平均懸沙級配，點(diǎn)繪場次洪水平均懸沙級配變化，如圖5。由圖5知，小浪底站2018—2020年洪水期懸沙中值粒徑（d50）變化范圍為0.027～0.043mm，2018年出庫泥沙d50=0.027mm，2018年、2019年出庫泥沙較粗，d50分別為0.040、0.043mm，2018—2020年6場洪水加權(quán)d50=0.036mm；利津站2018—2020年洪水期d50變化范圍為0.007～0.018mm，6場洪水加權(quán)d50=0.012mm?？梢姡樗葸M(jìn)至利津后，經(jīng)河道長距離懸沙與床沙的充分交換，懸沙組成發(fā)生了明顯變化，利津站懸沙組成變細(xì)，懸沙中值粒徑大小及變化范圍明顯減小。

隨著不同粒徑泥沙沿程沖淤調(diào)整，洪水前后床沙也發(fā)生了相應(yīng)的變化，圖6給出了花園口、利津站洪水前后床沙組成變化。由圖6可以看出，排沙期由于花園口以上河段泥沙淤積多，洪水后與洪水前相比，花園口站床沙組成發(fā)生細(xì)化，床沙中值粒徑（D50）變化范圍為0.182～0.107mm，2018年、2019年、2020年D50分別由洪水前的0.153、0.182、0.174mm變?yōu)楹樗蟮?.135、0.140、0.107mm，以2020年床沙細(xì)化最明顯；利津站D50變化范圍為0.104～0.089mm，除2020年洪水后床沙粗化外，2018年、2019年均為細(xì)化，2018年、2019年、2020年D50分別由洪水前的0.104、0.099、0.089mm變?yōu)楹樗蟮?.098、0.093、0.101mm?？梢姡S著洪水期泥沙沿程淤積量的不同（上段多下段少），洪水后花園口站床沙細(xì)化程度大于利津站。

2.5洪水淤積比變化

根據(jù)2018—2020年6場洪水特征值（平均流量、平均含沙量、來沙量及相應(yīng)的河道淤積量），可求得每場洪水的來沙系數(shù)（定義為ζ=S/Q，S為懸沙含沙量，Q為流量）及相應(yīng)的洪水淤積比（定義為η=Cs/Ws×100%，Cs為淤積量，Ws為來沙量）。洪水期泥沙淤積比與來沙系數(shù)關(guān)系如圖7所示，6場洪水小浪底站懸沙加權(quán)平均中值粒徑為0.036mm，來沙較粗，來沙系數(shù)變化范圍為0.022～0.032kg?s/m6，泥沙淤積比為58.0%～84.2%，淤積比較大，每年第2場洪水泥沙淤積比均小于第1場洪水。為進(jìn)一步分析小浪底水庫運(yùn)用前后黃河下游河道洪水泥沙輸移特性的變化，小浪底水庫運(yùn)用前，根據(jù)1965—1999年三門峽站出庫水沙過程劃分場次洪水并統(tǒng)計洪水特征值，從中共選取來沙系數(shù)大于0.022kg?s/m6的洪水26場，一并點(diǎn)繪洪水淤積比與來沙系數(shù)的關(guān)系于圖7。26場洪水三門峽站來沙系數(shù)變化區(qū)間為0.022～0.112kg?s/m6，泥沙淤積比為22.5%～80.5%，其中與2018—2020年來沙系數(shù)相近的洪水共有8場，其懸沙中值粒徑范圍為0.020～0.026mm，加權(quán)平均中值粒徑為0.022mm，來沙較細(xì)，洪水來沙系數(shù)變化范圍為0.022～0.034kg?s/m6，相應(yīng)淤積比為22.5%～45.7%。1965—1999年26場洪水隨來沙系數(shù)的增大泥沙淤積比也逐漸增加，η與ζ有較好的相關(guān)性（R2=0.81），關(guān)系式可表達(dá)為

2個時期洪水淤積比與來沙系數(shù)點(diǎn)群分布具有明顯不同的條帶，相近來沙系數(shù)條件下洪水輸沙效果相比，2018—2020年排沙期間洪水淤積比遠(yuǎn)大于水庫攔沙運(yùn)用前，輸沙效果較差，這主要與小浪底運(yùn)用后排沙期懸沙粗、河床粗化及河槽由沖刷轉(zhuǎn)為淤積的暫時調(diào)整等因素有關(guān)。

3小浪底水庫排沙期下游沖淤對排洪及水沙關(guān)系的影響

3.1排沙期下游各河段沖淤量分布及其對防洪的影響

2018—2020年6場洪水下游河道淤積總量為7.915億t，其中細(xì)沙、中沙、粗沙淤積量分別為2.104億、2.297億、3.514億t，分別占全沙淤積量的26.6%、29.0%和44.4%，細(xì)沙、中沙和粗沙相應(yīng)淤積比分別為50.3%、82.4%和89.2%，可見，粗沙是造成河道淤積嚴(yán)重的原因之一。從泥沙淤積沿程分布看，花上、花—高、高—艾、艾—利河段淤積量分別為6.259億、1.262億、0.275億、0.119億t，分別占下游淤積量的79.1%、15.9%、3.5%和1.5%。

圖8給出了不同場次洪水分河段及分組沙沖淤量與全下游沖淤量的關(guān)系，隨水沙條件及河槽邊界條件的變化，不同場次洪水各河段沖淤量分布也不相同，從沖淤沿程分布（圖8（a））看，洪水期泥沙淤積上段多、下段少，主要集中在高村以上河段，占比為95.0%，高—艾段淤積量小占比僅有3.5%?？梢姡樗谒鲯稁Ф嘤嗟哪嗌衬軌驎簻谂藕槟芰^大的花園口以上河段或者花—高河段，高—艾段排洪瓶頸河段淤積較小。從分組沙沖淤量與全下游沖淤量關(guān)系（圖8（b））看，不同粒徑組泥沙均為淤積，粗沙淤積量最大、細(xì)沙淤積量最小、中沙淤積量介于二者之間，泥沙沿程分選明顯，水庫“攔粗排細(xì)”有利于減緩下游河道淤積。

為進(jìn)一步明晰花上河段洪水期淤積量隨水流的動態(tài)變化對其下游河段沖淤調(diào)整的影響，表2給出了2018—2022年黃河下游各河段沖淤量分布。由表2可知，2018—2020年受汛期入庫洪水多和水庫降水排沙的影響，花上河段汛期淤積、非汛期沖刷，且汛期淤積多、非汛期沖刷少，年內(nèi)呈現(xiàn)淤積；高村以下河段則表現(xiàn)為汛期沖刷、非汛期淤積，年內(nèi)有沖有淤。2018—2020年黃河下游河道總體表現(xiàn)為上段淤積、下段沖刷。2021年小浪底出庫水量、沙量分別為387.7億m3和0.785億t，水量豐、來沙少，下游河道普遍發(fā)生沖刷，沖刷量為3.193億t；2022年小浪底出庫水量、沙量分別為346.5億m3和1.887億t，由于汛期水庫排沙較多，河道又發(fā)生回淤，淤積量為0.877億t?？傮w看，2018—2022年黃河下游各河段均為沖刷，花上河段沖刷0.096億t，高—艾瓶頸河段沖刷0.521億t，沖刷量呈上小下大、沿程遞增分布。

綜上分析，小浪底水庫排沙期，黃河下游均發(fā)生淤積，花園口以上河段淤積量最大，各河段滯留的泥沙一般在洪水過后當(dāng)年或之后1～2a若遇到有利水沙條件則可被后續(xù)清水全部帶走，可見，洪水期泥沙淤積只是暫時的滯留，淤積改善了前期河槽沿程沖刷不均衡的現(xiàn)象，同時對河道排洪基本沒有影響。

3.2洪水期及洪水前后水沙關(guān)系

黃河下游“水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”是造成河道淤積的主要原因。除利用水庫調(diào)度改善下游水沙關(guān)系[24]外，河道滯沙也可進(jìn)一步改善水沙關(guān)系。

圖9給出了洪水期及洪水前后主要水文站含沙量與流量的關(guān)系。小浪底水庫排沙期出庫含沙量高，日均含沙量變化幅度大，故排沙期用洪水期平均含沙量和流量指標(biāo)去反映水沙關(guān)系的變化。從圖9（a）洪水期水沙關(guān)系變化看，小浪底出庫含沙量較大，流量與含沙量點(diǎn)群較分散，洪水經(jīng)花園口以上河段泥沙大量沉積后，花園口及以下水文站含沙量顯著減小，水沙關(guān)系趨于協(xié)調(diào)，河段滯沙改善了其下游的水沙關(guān)系。

小浪底水庫下泄清水或低含沙水流，含沙量沿程恢復(fù)均主要來源于河床，恢復(fù)值主要與河床的抗沖性（床沙粗細(xì)程度）和水動力條件（流量大?。┯嘘P(guān)。從花園口站2018年洪水前后水沙關(guān)系（圖9（b））看，洪水排沙前，前期河槽持續(xù)沖刷，河床粗化、抗沖性增加，細(xì)沙和中沙補(bǔ)給量不足。2000m3/s流量以下水流演進(jìn)至花園口站，含沙量恢復(fù)值為0.4kg/m3上下，流量3000～4000m3/s時含沙量恢復(fù)也僅有2.0kg/m3左右。2018年7月2場洪水，花上河段淤積1.888億t，其中細(xì)沙、中沙分別為0.481億和0.568億t，花上河段河床細(xì)沙和中沙得到補(bǔ)給，洪水后花園口站同流量含沙量明顯增大，2000m3/s流量以下含沙量恢復(fù)值達(dá)0.6～4.6kg/m3，流量2000～4000m3/s時含沙量恢復(fù)為3.8～8.7kg/m3。同樣，2019年洪水后花園口站同流量含沙量恢復(fù)值也大于洪水前，流量2000～4000m3/s時含沙量恢復(fù)為2.5～11.0kg/m3，見圖9（c）。2018年洪水期花上河段淤積的泥沙隨后續(xù)水流進(jìn)行動態(tài)沖刷，2019年洪水前流量2000m3/s以下含沙量平均恢復(fù)值達(dá)到2.0kg/m3，明顯大于2018年洪水前含沙量平均恢復(fù)值0.4kg/m3?？梢?，洪水后含沙量恢復(fù)值增大。

4結(jié)論

基于2018—2020年黃河實測水沙及沖淤觀測資料，分析了小浪底水庫排沙對下游河床演變的影響。主要結(jié)論如下：

（1）2018—2020年黃河來水較豐，小浪底水庫汛期適時開展了降水排沙運(yùn)用，3a低水位排沙歷時56d，排沙量為10.911億t，占3a出庫總沙量的81.6%，庫區(qū)沖刷量為7.417億t，水庫排沙比為312.3%，排沙效果顯著。

（2）水庫排沙期黃河下游河道淤積嚴(yán)重，6場洪水共淤積泥沙7.915億t，場次洪水淤積比為58.0%～84.2%，淤積比遠(yuǎn)大于1965—1999年來沙系數(shù)與之相近的洪水。洪水期不同粒徑組泥沙沿程落淤分選明顯，粗沙淤積最多、細(xì)沙淤積最少。

（3）排沙期下游河道泥沙淤積“上多下小”，花園口以上、花園口—高村、高村—艾山和艾山—利津段淤積占比分別為79.1%、15.9%、3.5%和1.5%。花園口以上河段富余的河槽容積對暫滯泥沙發(fā)揮了有效作用，洪水期各河段淤積物一般在洪水過后當(dāng)年或之后1～2a內(nèi)若遇到有利水沙條件則可被全部沖走，對河道排洪基本無影響。同時，滯沙之后花園口以上河段床沙細(xì)化，為后續(xù)清水挾帶泥沙提供了沙源，既改善了洪水后水沙關(guān)系，又提高了水資源利用效率。