前汛期中小洪水小浪底水庫調水調沙方式
2019-10-21 09:17:21王婷李小平曲少軍竇身堂王遠見
人民黃河 2019年5期
王婷 李小平 曲少軍 竇身堂 王遠見
摘要：小浪底水庫運用進入攔沙后期以來水沙偏枯，洪水期多采用蓄水攔沙方式運用，2007-2016年水庫整體排沙較少，排沙比為26.7%，細沙排沙比約38.7%。前汛期是水庫的主要排沙時段，排沙比為29.4%。分析認為，前汛期潼關站出現流量大于等于1 500m3/s持續2d且含沙量大于50 kg/m3的洪水過程時，小浪底入庫沙量較多，2007-2016年滿足條件的洪水僅出現5場，入庫沙量占前汛期的72.5%;數學模型計算結果表明，上述洪水期間通過優化水庫調度，可有效減緩水庫淤積，同時下游河道淤積主要集中在小浪底一夾河灘河段，實測資料及前期研究表明淤積在小浪底一夾河灘河段的泥沙對河道影響不大，且在下次汛前調水調沙或者小浪底水庫清水下泄過程中能夠沖刷并向下游輸送。
關鍵詞：調水調沙;中小洪水;小浪底水庫
中圖分類號：TV697.1
文獻標志碼：A
doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.05 .011
從2007年開始，小浪底水庫運用進入攔沙后期（第一階段），汛期洪水期由攔沙初期的以攔沙運用為主逐漸開始向排沙調度轉變[1-2]。由于小浪底水庫運用以來水沙偏枯，因此已有的關于水庫洪水期運用方式的研究成果不能完全適用[3-4]，目前洪水期多采用蓄水攔沙運用，除了粗沙，大部分細沙、中沙也被攔蓄在水庫內。2007-2016年小浪底水庫整體排沙較少，年均排沙比為26.7%，細沙排沙比為38.7%。受水庫調度影響，汛期排沙集中在前汛期（本文指7月11日-8月20日，下同）。本文通過分析2007-2016年前汛期小浪底水庫來水來沙及排沙特點，提出近期排沙運用方式的優化方案，并采用數學模型計算優化方案中庫區排沙及下游河道沖淤的效果，以期為今后洪水期水庫調度提供技術支撐。
1 2007-2016年水庫運用情況
2007-2016年，以滿足黃河下游防洪、減淤、防凌、防斷流以及供水等為主要目標，小浪底水庫年度運用可分3個階段[5]（見圖1）。第一階段一般為上年11月1日至次年汛前調水調沙前，該期間又分防凌蓄水期和春灌補水期，水庫主要任務是向下游補水，保證下游用水，庫水位整體變化不大;第二階段為汛前調水調沙期，從6月下旬至7月上旬，其中小浪底水庫清水下泄階段庫水位大幅下降，水庫排沙階段庫水位相對較低：第三階段為防洪運用以及水庫蓄水期，一般從7月中旬至10月，前汛期水位相對較低，2007年、2010年以及2012年前汛期進行過降低水位排沙，8月21日起水庫蓄水位向后汛期汛限水位過渡，庫水位持續抬升。
2 2007-2016年庫區淤積及排沙特點
2007-2016年小浪底水庫累計進、出庫沙量分別為21.992億、5.877億t，庫區累計淤積泥沙16.115億t，其中細沙、中沙、粗沙分別為7. 070億、3.850億、5.195億t（見圖2），細沙、中沙、粗沙分別占淤積物總量的43.9%、23.9%、32.2%。水庫年均排沙比為26.7%（見圖3）。這說明進入水庫的泥沙絕大部分沒有排泄出庫，而是淤積在水庫中。其中：細沙、中沙、粗沙排沙比分別為38.7%、17.3%、10.4%。庫區泥沙淤積較多，尤其是細顆粒泥沙淤積較多，入庫細沙的61. 3%在水庫落淤。大量細沙淤積在水庫中，減小了攔沙庫容，降低了水庫攔沙效益，水庫排沙較少也縮短了水庫使用壽命。
2007-2016年小浪底水庫進出庫泥沙集中在汛前調水調沙期（以下簡稱汛前調）和汛期（本文指扣除汛前調）。汛前調和汛期入庫沙量分別為4. 140億、17.705億t，分別占入庫總沙量的18.8%、80.5%，汛期入庫沙量明顯大于汛前調（見圖4）。汛前調和汛期出庫沙量分別為3.091億、2.786億t，分別占年出庫沙量的52.6%、47.4%，汛前調排沙量略大于汛期。汛前調和汛期水庫排沙比分別為74.7%、15.7%（見圖5）。雖然汛前調排沙比較大，但是由于汛前調入庫沙量僅占年入庫沙量的18.8%，而汛期入庫沙量較大、排沙比僅15.7%，因此水庫年排沙比較小，為26.7%。所以，除進行汛前調外，增加汛期排沙機會是減少水庫淤積的有效途徑。
受水庫運用水位影響，小浪底水庫汛期排沙主要集中在前汛期。2007-2016年前汛期進、出庫沙量分別為9.162億、2.689億t，分別占汛期進出庫沙量的51.8%、96.5%。雖然前汛期是水庫的主要排沙時段，但該時段排沙比不大，為29.4%。因此，汛期排沙比也較低，僅15.7%。要想提高汛期排沙效果，需要提高前汛期排沙比。
3 2007-2016年前汛期水庫來水來沙分析
3.1 潼關站水沙分析
2007-2016年前汛期潼關站日均流量大于等于2 600 m3/s的洪水出現機會較少，僅2012年、2013年出現過，分別為4、9 d;潼關站流量大于2 600 m3/s時，含沙量一般不超過50 kg/m3。潼關流量大于等于1 500 m3/s且含沙量大于等于50 kg/m3的洪水共出現10 d，分別為2007年1 d、2010年4d、2012年ld、2013年3d、2016年ld，除2013年7月25日潼關流量達到3 960 m3/s外，其他9d潼關站流量均介于1 500 m3/s與2 600 m3/s之間。
3.2 三門峽站水沙分析
2007-2016年前汛期三門峽站日均流量大于等于2 600 m3/s的洪水與潼關站出現日期相同：三門峽站流量大于2 600 m3/s且含沙量超過50 kg/m3的洪水出現5d，最大含沙量為103 kg/m3。根據三門峽水庫運用要求，當潼關站流量大于1 500 m3/s時三門峽水庫敞泄運用，與潼關站相比，三門峽站含沙量一般有所增大：洪水期間含沙量相對較大的天數，三門峽站也有所增加。2007-2016年前汛期三門峽站流量大于等于1 500 II13/S且含沙量大于等于50 kg/m3的洪水共出現25 d，分別為2007年3d、2010年8d、2012年4d、2013年7d、2015年ld、2016年2d。
3.3 潼關、三門峽站水沙綜合分析
2007-2016年潼關站、三門峽站年均前汛期水量分別為33.11億、32.84億m3，年均沙量分別為0.655億、0.916億t，兩站水量基本一致，三門峽站沙量明顯增大。
2007-2016年潼關、三門峽站前汛期累計沙量分別為6.554億、9.162億t。泥沙主要集中在洪水期，潼關站日均流量大于等于1 500 m3/s時沙量為4.417億t，占前汛期總沙量的67.4%：由于三門峽水庫敞泄排沙，因此三門峽站沙量明顯增大，為7.205億t，占前汛期總沙量的78.6%。統計發現，潼關站出現流量1 500 m3/s持續2d以上且含沙量大于50 kg/m3洪水的大部分年份，潼關站沙量均超過0.3億t，而三門峽站沙量均在0.8億t以上。2007-2016年潼關站共出現5場流量大于1 500 m3/s持續2d且含沙量大于50 kg/m3的洪水，5場洪水期間三門峽站沙量合計為6.639億t，占前汛期的72.5%。因此，潼關站出現流量大于1 500 m3/s持續2d且含沙量超過50 kg/m3的洪水過程時，應開展以小浪底水庫減淤為目的的汛期調水調沙。
4 近期前汛期中小洪水水庫調控方式
為適應新形勢下的水沙條件，遵循“合理攔沙，盡可能延長小浪底水庫攔沙運用年限的同時，通過對出庫水沙過程的調節，盡可能減少下游河道主河槽的淤積，增強并維持河道主槽過流能力”的原則，提出前汛期小浪底水庫中小洪水（潼關站流量大于等于1 500m3/s持續2d且含沙量大于50 kg/m3）運用方式。
當預報潼關站流量大于等于1 500 m3/s持續2d且含沙量大于50 kg/m3時，小浪底水庫開始進行調水調沙，塑造有利于下游輸沙塑槽的洪水過程。小浪底水庫按控制花園口站流量4 000 m3/s提前2d開始預泄。若2d內預泄到控制水位，則根據來水情況控制出庫流量：①來水流量小于等于4 000 m3/s，按出庫流量等于入庫流量下泄：②來水流量大于等于4 000 m3/s.按控制花園口站流量4 000 m3/s運用。
若預泄2d后未到控制水位，則根據來水情況控制出庫流量：①來水流量小于等于4 000 m3/s，仍湊泄花園口站流量等于4 000 m3/s.直至達到控制水位后按出庫流量等于入庫流量下泄：②來水流量大于等于4 000 m3/s，控制花園口站流量4 000 m3/s運用。
根據后續來水情況，盡量將三門峽水庫敞泄時間放在小浪底水位降至低水位后，三門峽水庫敞泄排沙時小浪底水庫維持低水位排沙。當潼關站流量小于1 000 m3/s且三門峽出庫含沙量小于50 kg/m3時，或者小浪底水庫保持低水位持續4d且三門峽出庫含沙量小于50 kg/m3時，水庫開始蓄水，小浪底水庫按滿足灌溉、發電用水并考慮下游河道生態用水要求控制出庫流量。
按上述方式調水調沙，小浪底出庫水沙過程在初始階段為大流量清水過程，對維持下游河槽過流能力有利，后期為小水高含沙過程，會在下游河道形成淤積，但主要淤積在花園口以上河段，可待下次調水調沙時恢復。
5 典型洪水模擬結果分析
5.1 計算條件
（1）水沙條件。為對比水庫排沙效果及下游河道沖淤情況，從2007-2016年潼關站流量大于等于1 500 m3/s持續2d且含沙量大于50 kg/m3的6場洪水過程中，選取入庫水沙量相對較大的2013年7月11-22日洪水過程作為計算水沙條件（洪水過程見圖6）。
（2）邊界條件。選用2016年汛后地形作為本次計算的邊界條件。
（3）壩前控制水位。壩前初始水位設定為230 m，壩前控制水位分別為230、225、220、215、210 m。
5.2 小浪底庫區計算結果
洪水期水庫排沙效果與控制水位密切相關，隨著水位降低，出庫沙量不斷增大。尤其是壩前控制水位為210-225 m時，在出庫水量增加不大的情況下，出庫沙量迅速增大，從0.294億t增加至1.856億t（見圖7），排沙比由23.2%提高至146. 5%（見圖8）。可見，洪水期降低水位運用，能夠有效減緩水庫淤積，提高水庫排沙效果。各分組沙出庫沙量、排沙比均隨運用水位降低呈不斷增大趨勢，其中細沙增幅最大，中沙次之，粗沙最小。這說明隨著水庫排沙效果的提高，水庫攔粗排細效益得到體現。因此，建議當出現類似洪水時，小浪底水庫應盡可能降低水位排沙。
5.3 黃河下游河道沖淤計算結果
采用黃河下游一維非恒定水沙數學模型計算得到各方案下游河道沖淤情況（見圖9），可知：壩前控制水位為210 m時全下游呈淤積狀態，淤積量為1 014萬t.其中淤積以小浪底一夾河灘河段為主，淤積量為1 476萬t.夾河灘至艾山河段發生沖刷，沖刷量為610萬t，艾山以下發生少量淤積。壩前控制水位為220 m時全下游處于微沖狀態，沖刷量為324萬t.其中淤積主要集中在小浪底一花園口河段，淤積量為251萬t.花園口以下河段除艾山一濼口河段發生少量淤積外，其他均出現沖刷。壩前控制水位為230 m時全下游各河段均呈沖刷狀態，全下游沖刷量為1 586萬t。
5.4 計算結果綜合分析
對于選定的洪水過程，小浪底水庫低水位（ 220m、210 m）排沙有效地減緩了水庫淤積，下游河道淤積主要集中在小浪底一夾河灘河段。實測資料表明，小浪底水庫運用以來以攔沙運用為主，下游河道發生持續沖刷。目前，黃河下游最小平灘流量已從2002年汛前的不足1 800 m3/s增大到4 250 m3/s。特別是高村以上河段，平灘流量已經達到6 000 m3/s。因此，短時間內下游河道尤其是夾河灘以上河段具有一定的滯沙能力，能夠承受一定程度的淤積[5]。
小浪底水庫清水下泄過程中，隨著沖刷的發展，下游河床顯著粗化，清水沖刷效率明顯降低。2004年汛前調水調沙清水下泄時下游河道的沖刷效率為14 kg/m3左右，也就是說，小浪底水庫下泄1 m3清水可從下游河道中沖刷14 kg的泥沙輸送人海，2015年沖刷效率則降至6.0kg/m3左右。因此，要想提高清水沖刷效率，需要補充河道可沖刷泥沙。換句話說，就是洪水期淤積在河道中的泥沙，在下次汛前調水調沙或者小浪底水庫清水下泄過程中是能夠沖刷并向下游輸送的。
此外，文獻[6-7]提出小浪底水庫攔沙后期采用“適時延長或拓展相機降水沖刷”的水庫運用方式可減少庫區淤積，增大或保持防洪庫容和近壩段庫容，同時對下游河道沖淤影響不大，可待下次調水調沙恢復，而本文提出的中小洪水小浪底水庫低水位排沙運用方式與之具有相似之處。
6 結論
（1） 2007-2016年小浪底水庫排沙比為26. 7%，細沙排沙比為38.7%，說明進入水庫的泥沙大部分淤積在水庫中。大量細沙淤積在水庫中，減小了攔沙庫容，降低了水庫的攔沙效益。
（2） 2007-2016年汛前調和汛期入庫沙量分別占年入庫沙量的18.8%、80.5%，汛前調和汛期出庫沙量分別占年出庫沙量的52.6%、47.4%，汛前調和汛期水庫排沙比分別為74.7%、15.7%。汛期入庫沙量較多而排沙少，水庫年排沙比較低，因此增加汛期排沙機會是減少小浪底水庫淤積的有效途徑。
（3） 2007-2016年前汛期小浪底進出庫沙量分別占汛期進出庫沙量的51.8%、96.5%，是汛期排沙的主要時段。前汛期潼關站共出現5場流量大于1 00m3/s持續2d且含沙量大于50 kg/m3的洪水，5場洪水期間三門峽站沙量占前汛期的72.5%，是優化水庫調度的有利時機。
（4）數模計算結果表明，潼關站共出現流量大于1 500 m3/s持續2d且含沙量大于50 kg/m3的洪水期間，優化水庫調度能夠有效減緩水庫淤積，同時下游河道淤積主要集中在小浪底一夾河灘河段。實測資料及前期研究表明，淤積在小浪底一夾河灘河段的泥沙對河道影響不大，在下次汛前調水調沙或者小浪底水庫清水下泄過程中能夠得到沖刷并向下游輸送。
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【責任編輯翟戌亮】
