黃河上游沙漠寬谷河段水沙調控初步研究

白 濤 王義民 金文婷 李 強 黃 強(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

黃河上游沙漠寬谷河段水沙調控初步研究

白 濤 王義民 金文婷 李 強 黃 強(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，陜西 西安 710048)

針對黃河上游沙漠寬谷河段的水沙調控問題，分析上游梯級水庫運行前后下游河道水沙關系變化；構建并求解復雜梯級水庫群水沙調控模型，獲得了沙漠寬谷河段不同水沙調控方案的結果；闡明了參與水沙調控的梯級水庫群調控水沙的能力，研究成果可為黃河上游沙漠寬谷河段河道水沙調控科學對策的提出提供技術支撐;對維護寧蒙河段沖淤的相對平衡、保障凌洪安全，以及豐富梯級水庫群水沙聯合優化調度理論，具有重要的理論意義和應用價值。

寬谷河段;水沙調控;調控研究;黃河上游

1 研究背景

近年來，隨著社會經濟的快速發展，也導致極端氣候頻發、生態環境愈加脆弱、水資源供需矛盾日益突出，黃河上游沙漠寬谷河段河槽萎縮、河道淤積嚴重，形成長達268km的“新懸河”。河床高程比沿黃城市地面高3～5m，甚至在“十大孔兌”處形成高約4m的“支流懸河”，不僅造成了過流能力下降、寧蒙河段“小水致大災”、洪凌災害頻發的嚴峻局面[1]，更嚴重影響到重大水利工程的布局和實施，甚至是全流域水資源的開發利用，危及黃河下游河道及人民群眾的人身財產安全。

因此，利用龍羊峽的多年調節性能和龍羊峽、劉家峽梯級水庫群(以下簡稱“龍劉兩庫”)的聯合調度，開展黃河上游沙漠寬谷河段的泥沙治理研究工作，防治黃河上游的“新懸河”，維護黃河健康，促進黃河上游水能資源的開發利用，保障寧蒙河段和下游河段的洪凌安全，具有重要的實際意義。

本文研究黃河上游沙漠寬谷河段水沙調控，旨在通過黃河上游梯級水庫群水沙聯合調度，人工塑造適宜于沖刷河道的洪峰過程，遠距離沖沙輸沙，改善上游河道不和諧的水沙關系，減緩河道淤積。

2 梯級水庫群對下游河道水沙關系影響分析

為分析龍劉兩庫運行前后對下游寧蒙河段水沙關系的影響[2]，根據兩庫不同的投運時間，將1954～2006年系列分為1968年以前(天然)、1969～1986年(劉家峽單庫運行)、1987年以后(龍劉兩庫聯合調度運行)3個時段[3]。分析不同時期黃河上游沙漠寬谷河段河道實測水量、沙量的變化情況后可得出以下幾點結論。

(1) 1954～1968年下河沿、石嘴山、頭道拐各水文站汛期水量占全年徑流量的60%以上，而沙量占全年輸沙量的80%以上，說明該河段的泥沙輸送主要發生在汛期，也驗證了黃河干流“大水挾大沙”的泥沙輸移規律。

(2) 1987～2006年龍劉兩庫聯合運行后，各斷面的水量和沙量均明顯減小，下河沿、石嘴山、頭道拐各水文站多年平均水量較1954～1968年分別減少28.7%、32.7%和43.3%，沙量分別減少66.1%、60.2%和78.2%。黃河上游龍劉兩庫的聯合運行，改變了黃河上游沙漠寬谷河段各站年內的水沙分配。

根據建庫前后各水庫下游控制水文站歷年水量、輸沙量數據，分別點繪劉家峽下游控制水文站(小川站)、龍羊峽下游控制水文站(貴德站)年水量與輸沙量關系曲線，如圖1～2，分析水庫建成前后下游水文站的水沙關系變化。

由圖1、2分析可知：

(1)劉家峽水庫建庫前，小川站年水量與輸沙量呈現明顯的線性關系，1952～1968年年均輸沙量為0.81億t，年平均流量為925m3/s；自1969年劉家峽水庫蓄水投運后，小川站年水量與輸沙量的線性關系發生改變。1969～1986年年均輸沙量為0.16億t，年均流量為910m3/s，在相同流量下,建庫前后輸沙量減少80%左右，說明小川站的水沙關系在劉家峽建庫前后發生了明顯變化。

(2) 與劉家峽建庫前后的情況類似，龍羊峽建庫前貴德站年水量與輸沙量呈指數關系，建庫后趨于線性關系，且多年平均輸沙量由建庫前的0.25億t減少到建庫后的0.03億t，減幅達88%；多年平均流量由建庫前的698m3/s減少到建庫后的547m3/s，減幅為22%。

可見，龍劉兩庫相繼投運后，減少了站點年徑流量和汛期徑流量，對下游河床的沖淤帶來不利影響，使黃河上游沙漠寬谷河段河道的沖淤局勢進一步惡化。

3 水沙規律分析

為研究水沙規律[4]，將研究區域劃分為下河沿至青銅峽、青銅峽至石嘴山、石嘴山至巴彥高勒、巴彥高勒至三湖河口、三湖河口至頭道拐5個河段,并針對不同河段水沙規律進行分析。將各河段的含沙量分為4個區間，即0～3，3～7，7～15kg/m3和大于15kg/m3，點繪各站洪水期平均流量與各區間河段的沖淤量關系散點圖，將各區間水沙規律總結、歸納，可得出以下規律。

(1) 寧夏河段各站的含沙量分布較為均勻，雖以0～3，3～7kg/m3為主，但其他含沙量區間均有出現。內蒙古河段主要以3～7，7～15kg/m3為主，0～3kg/m3以及大于15kg/m3的情況極少。下游河段的含沙量較上游河段明顯增大，含沙量隨河道下移有增大趨勢。即下河沿至青銅峽區間平均含沙量最小，三湖河口至頭道拐區間含沙量最大。

(2) 在洪水期,寧夏河段各站流量在1 000～3 000m3/s內，內蒙古河段各站流量有所減少，基本在500～2 500m3/s以內。

(3) 寧夏河段水沙沖淤規律較內蒙古河段呈現不同特點。當流量在1 000m3/s左右時，寧夏河段有沖有淤，沖淤基本平衡，只有在大含沙量時淤積明顯；內蒙古河段呈現明顯淤積形態，在小流量時就產生淤積。

(4) 各站沖刷效果較好的區域集中在含沙量3～7kg/m3、流量2 000～3 000m3/s的區域內。隨著流量增大，部分站點在流量大于4 000m3/s時可獲得區間的最大沖刷量。

(5) 當含沙量大于15kg/m3以后，無論區間河段流量多少，河道基本處于嚴重淤積狀態。換言之，在研究區域的泥沙含量超過15kg/m3以后，基本不具有沖沙輸沙條件。

根據各區間河段的水沙規律，得到了不同區間河段、不同含沙量情況下的水沙閾值系列，以塑造能使河道沖刷的人造洪水流量過程，滿足水沙調控的流量要求。

4 多目標水沙調控模型建立及求解

黃河上游水沙聯合調控系統的調控目標可分為4類，即防凌、防洪目標，維持河道沖淤相對平衡目標，水資源供需平衡目標以及發電目標。

(1) 防凌、防洪目標[5]

防凌目標為

(1)

式中，QC(劉家峽，t)指劉家峽水庫t時段的出庫流量，m3/s；Qf1(t)為t時段劉家峽水庫為滿足防凌要求的流量閾值，m3/s。

防洪目標為控制水庫防洪水位及下泄流量，確保大壩水庫及下游地區安全。

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(2)

式中，Z(m,t)為第m水庫t時段的水庫水位，m。 Zmin(m,t)、 Zmax(m,t)分別是第m水庫t時段的最小、最大控制水位,m。

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(3)

式中， QRc(m,t)為第m水庫t時段的下泄流量，m3/s, QRcmin(m,t),QRcmax(m,t)分別為第m水庫t時段的最小、最大控泄流量，m3/s。

(2) 維持河道沖淤相對平衡目標

(4)

式中， W為河段輸沙量,t;T為調度周期，a；N為輸沙斷面數目；w(i,t)為i斷面t時段的輸沙量，t，由各斷面的輸沙率確定；Δt為調度時段長度，月。

(3) 水資源供需平衡目標

QSmin(t)≤QC(蘭州,t)

(5)

式中， QSmin(t)為斷面的最小供水量，m3;QC(蘭州,t)為蘭州斷面t時段的流量，m3/s。

(4) 發電目標

(6)

式中，E為梯級總發電量，kW·h；N(i,t)為第i個電站在第t時段的平均出力，kW;Δt為調度時段長度。

考慮的約束條件有節點水量平衡、節點間水流連續性、水庫水量平衡、水庫庫容、防凌、出庫流量、出力和變量非負約束[7]。

本文采用自迭代模擬優化算法求解模型[6-8]。

5 水沙調控成果及其分析

5.1 方案制定

選取2010年作為現狀年[9,10]，從來水、調控流量、水資源供需要求、龍羊峽起調水位和可調沖沙水量等多方面設置了水沙調控方案，根據最小棄水原則,對水沙調控方案集進行了修正。其中，在方案1中，設定控制流量為2 240m3/s,可供沖沙水量為97億m3，沖沙用水量為58億m3；在方案2中，設定控制流量為2 580m3/s,可供沖沙水量為97億m3，沖沙用水量為67億m3；初始方案中無設定。

5.2 計算結果

將2010年各水庫電站的實際運行情況及各相關斷面流量、沙量的實測值作為初始方案，以便與其他調控方案進行對比分析。在2010年各水沙調控方案中,龍羊峽起始水位為2 591.4m，可供沖沙的水量為97億m3。計算結果見表1。

以初始方案為參照，分別對各優化方案的發電量、水庫水位、各斷面沖淤效果進行系統分析。

(1) 優化調度方案的梯級發電量均比初始方案的多。對比分析后可知，隨著水沙調控控制流量的增加，梯級發電量雖有增加，但龍羊峽水庫的蓄能電量減小，棄水損失電量增加，造成發電效益的巨大損失，不利于梯級水電站的經濟運行。

(2) 各優化方案中劉家峽水庫汛期來臨前將水位控制在1 726m以下，預留了足夠的防洪庫容，可保證汛期防洪安全。各優化方案能夠保證汛期劉家峽水庫的防洪安全，且增加了水沙調控的控制流量，更有利于保證劉家峽水庫汛期的防洪安全。

(3) 在初始方案中,沙漠寬谷河段有沖有淤，總體上微淤，區間河段的淤積量為0.053 1億t，主要淤積發生在青銅峽至石嘴山區間河段。隨著各斷面輸沙流量的增加，方案2的頭道拐站輸沙量和區間輸沙量均大于方案1,河道沖刷效果也較方案1更為顯著。本文推薦方案2作為優選方案。

注：龍羊峽蓄補水量為正值,表示水庫蓄水；反之表示水庫補水；區間沖淤量為正值,表示區間河段淤積，反之表示區間河段沖刷。

6 結 語

目前，黃河上游沙漠寬谷河段的水沙聯合調度還處于理論研究探討階段，并未進入試驗階段，缺乏水沙調控過程中水沙關系變化、河道沖淤演變等第一手實測資料，特別是對于大流量水沙調控流量對應的水沙關系變化過程不詳。下一步預備開展黃河上游沙漠寬谷河段的原型或模型實驗，以驗證各水沙調控方案的調控成果。

[1] 苗風清,王曉星,張光慶,等. 黃河內蒙段治理“懸河”的新思路-水沙置換[J]. 內蒙古水利,2010,(1): 13-15.

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[10]李清杰,劉爭勝,肖素君. 流域國民經濟需水量預測[J].人民黃河,2011,33(11):61-63.

(編輯：唐湘茜)

2015-04-09

白濤, 男, 西安理工大學西北旱區生態水利工程國家重點實驗室培育基地，講師，博士.

技術研究

1006-0081(2015)04-0034-04

P332.5

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