基于黃河中游水庫群調控的下游河道輸沙能力分析

陳翠霞，劉俊秀，付 健

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，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 研究背景

黃河素以“水少沙多、水沙關系不協調”著稱,下游河道在長期排洪輸沙的過程中不斷淤高,形成舉世聞名的地上“懸河”,嚴重威脅黃淮海平原的安全。利用黃河中游水庫群調控水沙,減輕下游河道淤積,提高下游河道輸沙能力,是保障黃河長久安瀾、推動流域高質量發展的重要措施。

黃河下游河道輸沙主要取決于來水來沙條件、河床邊界條件等,其中來水來沙是決定因素。針對黃河下游河道輸沙的研究,費祥俊［1］、曹如軒［2］認為高含沙洪水具有很強的輸沙潛力,張曉華［3］提出要充分發揮大流量高含沙量水流的輸沙能力,鄭艷爽等［4］認為大流量以及高流速決定了下游河道具有較大的輸沙能力,李小平等［5］研究提出下游高效輸沙洪水可以用平均流量3 200 m3/s、平均含沙量65 kg/m3來代表。Guo等［6］根據黃河下游1960—2012 年的水沙數據,運用統計方法分析提出流量為3 000～4 000 m3/s、含沙量為20～60 kg/m3的水沙過程是黃河下游長期均衡輸沙的最佳組合。基于水庫群調控作用,胡春宏［7］提出黃河年均來沙8 億～12 億t 時現狀小浪底水庫運用和古賢水庫投入運行后中游水庫群聯合運用,利津站年均輸沙能力分別為4.36 億～6.24 億t、3.49 億～5.07 億t。豐青等［8］以“77·7”高含沙洪水為研究對象提出小浪底水庫調度對進入下游的水沙過程有較大影響。何國楨等［9］提出為提高黃河下游河道輸沙的水流功率,小浪底水庫排沙期利津站與花園口站平均流量之比應大于0.85。

當前黃河水沙條件、河床邊界和經濟社會發展約束等發生了諸多劇烈變化,下游河道減淤運用對水庫群調度提出了新的要求,黃河水沙調控體系的不斷完善也對黃河下游河道輸沙能力帶來影響,而當前在該方面研究較少。本文計算了不同來水來沙情景下,優化現狀中游水庫群調控方式和古賢、東莊水庫投入運行后的黃河下游河道輸沙變化,以期為黃河下游河道與灘區綜合治理提供技術支撐。

2 研究對象、方法和數據

2.1 研究對象

本文研究對象為黃河中游水庫群及下游河道,如圖1 所示。黃河中游水庫群主要包括已建三門峽水庫、小浪底水庫,在建的東莊水庫和規劃建設的古賢水庫。三門峽水庫的開發任務是防洪、防凌、灌溉、發電、供水［10］,現狀防洪運用水位335.0 m,相應庫容96.4億m3(1960 年),近年來汛期按305.0 m 水位控制,非汛期最高不超過318.0 m。小浪底水庫的開發任務以防洪(防凌)、減淤為主,兼顧供水、灌溉、發電［10］,總庫容126.5 億m3,其中攔沙庫容75.5 億m3,調水調沙庫容10 億m3,截至2022 年4 月水庫累計淤積泥沙33.9億m3。在建的涇河東莊水庫壩址斷面實測年均懸移質輸沙量2.37 億t,約占渭河來沙量的70%、黃河來沙量的1/6；開發任務以防洪減淤為主,兼顧供水、發電及改善生態等綜合利用［11］,預估2027 年發揮作用；設計總庫容32.76 億m3,其中攔沙庫容20.53 億m3,調水調沙庫容3.27 億m3。規劃建設的古賢水庫開發任務以防洪減淤、調水調沙為主,兼顧供水、灌溉和發電等綜合利用；設計總庫容130.59 億m3,其中設計攔沙庫容93.42 億m3,調水調沙庫容20 億m3；根據水利部審查通過的《黃河古賢水利樞紐工程可行性研究報告》,古賢水庫2035 年建成投入運行。

圖1 研究對象示意

黃河干流自小浪底大壩以下至渤海口,河長881 km。黃河水少沙多、水沙關系不協調,黃河下游河道泥沙淤積嚴重,是黃河治理的重中之重。小浪底水庫運用后,下游河道實現了全線沖刷,截至2022 年4 月河道累計沖刷泥沙33 億t,河床平均沖刷下切2.6 m。

2.2 研究方法

一維水動力學數學模型是模擬水庫群和河道水沙演進及沖淤演變常用的方法。本研究中黃河中游水庫群和下游河道泥沙沖淤計算采用文獻［12］提出的數學模型,該模型集成了黃河中游已建、在建和規劃建設的骨干水庫,其中古賢水庫模擬范圍為磧口壩下至古賢壩址,三門峽水庫模擬范圍為干流龍門至三門峽壩前、渭河華縣以下及其支流北洛河、汾河(按點源考慮),小浪底水庫模擬范圍為三門峽壩下至小浪底壩前,支流東莊水庫模擬范圍為水庫庫區,黃河下游河道模擬范圍為鐵謝至入海口(支流伊洛河、沁河按點源考慮)。模型已經經過三門峽水庫、小浪底水庫、小北干流、下游河道實測資料驗證［12］,計算值誤差在15%以內。

2.3 研究數據

黃河未來水沙量變化與自然氣候因素和流域水利工程建設、水土保持生態建設、經濟社會發展等人類活動密切相關［13］,當前對未來黃河輸沙量的認識范圍一般為3 億～8 億t,具體數字尚有分歧［14］。本文采用黃河中游4 站(干流龍門站、支流渭河華縣站、支流汾河河津站、支流北洛河頭站)合計多年平均來沙8 億、6 億、3 億t 共3 種來沙情景方案,分析黃河下游河道輸沙能力對水庫群調控的響應。模型計算起始河道邊界條件為2022 年4 月。

1957—2010 年基本系列4 站水沙量差積曲線,如圖2 所示。54 a 基本系列中,4 站水量前13 a 處于連續偏豐時段,14～19 a 處于連續偏枯時段,20～35 a 處于連續平偏豐時段,36～54 a 處于連續偏枯時段；沙量前15 a 處于連續偏豐時段,16～41 a 處于連續平偏枯時段,42～54 a 處于連續偏枯時段。水沙量均有明顯的豐枯變化。8 億t 情景、6 億t 情景設計水沙系列選取時從系列盡可能連續的角度出發,選取了1959—2008年設計水沙系列循環1 次(共100 a)；3 億t 情景設計水沙系列采用2000—2013 年系列連續循環(4 站實測年均沙量為3.0 億t)。不同來沙情景年均水沙量見表1。

表1 黃河中游不同來沙情景方案徑流量、輸沙量特征值

圖2 1956—2010 基本系列4 站水沙量差積曲線

3 結果與分析

3.1 計算方案

根據水流挾沙能力公式［15］,水流挾沙力與流速的高次方成正比。根據水力學原理可知,水流流速隨著流量的增大而增大,其規律可以由黃河下游發生洪水的典型年份花園口站、利津站的實測流量與流速的關系得到驗證,如圖3 所示。流量越大流速越大,相應的水流挾沙能力越強。因此,增加下游河道輸沙能力,需要中游水庫群聯合調控泄放較大流量的水流過程。這一方面需要優化現狀水庫群運用方式,另一方面需要完善水沙調控體系,提高現狀水庫群調控后續動力［16］。此外,水庫泄放高含沙水流過程將導致下游河道泥沙淤積［17］,因此水庫調控方式優化時應考慮下游河道沖淤狀態。基于此,兼顧水庫及河道減淤、提高河道輸沙能力,在現狀水庫群調控基礎上,增加優化現狀水庫群調控(簡稱“現狀優化調控”)、古賢和東莊水庫投入運行后水庫群聯合調控(簡稱“古賢、東莊運行后優化調控”)兩種方案進行論證。

圖3 典型年份實測流量與流速的關系

(1)現狀方案。現狀中游水庫群泄放較大流量的水流過程主要在汛前、汛期調水調沙期間,該任務主要由小浪底水庫承擔。干流三門峽水庫已沖淤平衡,汛期不超過305 m 水位運用(2022 年汛前305 m 以下庫容僅0.78 億m3)。支流陸渾、故縣、河口村水庫配合進行實時空間尺度的水沙聯合調度,實現水沙過程在花園口的對接,改善進入下游的水沙關系。水庫群調控指標見表2。三門峽、黑石關、武陟流量之和大于4 000 m3/s時,小浪底水庫進行防洪調度。三門峽、黑石關、武陟流量之和小于等于4 000 m3/s 時,小浪底水庫根據蓄水和河道來水情況,進行蓄滿造峰調度、湊泄造峰調度、高含沙調度和降水沖刷調度:①蓄滿造峰調度。水庫蓄水加河道來水量大于13 億m3時,水庫泄放花園口站流量在3 700 m3/s 以上至少5 d 的大流量過程。②湊泄造峰調度。當水庫可調水量大于6 億m3且潼關和三門峽平均流量大于2 600 m3/s 時,水庫相機湊泄花園口流量在3 700 m3/s 以上至少5 d 的大流量過程。③高含沙調度。當水庫可調水量小于6 億m3且預報入庫流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于200 kg/m3時,水庫提前2 d 預泄或蓄水至3 億m3后按進出庫平衡運用。④降水沖刷調度。水庫淤積量達到42 億m3進入攔沙后期第二階段,當潼關和三門峽平均流量大于2 600 m3/s時,水庫提前2 d 泄放花園口流量為4 000 m3/s 的流量過程,直到入庫流量小于2 600 m3/s。

表2 小浪底水庫攔沙期汛期調控指標

(2)現狀優化調控方案。最小平灘流量是評價河道行洪輸沙能力的主要指標［12］,根據相關研究,黃河下游河道適宜的平灘流量規模為4 000 m3/s 左右［18］。當下游河道主槽最小平灘流量在4 500 m3/s 以上時,河道允許一定程度的泥沙淤積,此時可對小浪底水庫調度進行優化,增加泄放大流量水流過程,增大水庫排沙幾率,提高下游河道輸沙能力,同時還可實現水庫減淤。與現狀方案相比,水庫調控優化主要體現在湊泄造峰調度、高含沙調度和降水沖刷調度:①湊泄造峰調度啟動條件。由現狀方案的水庫可調水量大于等于6 億m3調整為可調水量大于等于5 億m3。②高含沙調度啟動條件。由現狀方案的預報入庫流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于200 kg/m3,調整為預報入庫流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于60 kg/m3,水庫提前蓄水量由3 億m3調整為2 億m3。③降水沖刷調度啟動條件。不再限制于攔沙后期第二階段,即當前攔沙后期第一階段遇合適條件也進行降水沖刷。當下游河道平灘流量規模在適宜的規模即4 000 m3/s左右時,小浪底水庫調控優化主要體現在高含沙調度上。當下游河道主槽萎縮、最小平灘流量降至3 500 m3/s 以下時,水庫攔截易造成下游河道淤積的入庫高含沙洪水過程,以恢復下游河道中水河槽規模。優化調控指標見表2。

(3)古賢、東莊運行后優化調控方案。在現狀優化調控方案基礎上,考慮古賢、東莊水庫投入運行后與現狀水庫群聯合調控,增加進入下游河道的大流量過程。古賢水庫與小浪底水庫聯合調水調沙運用,沖刷恢復小浪底水庫部分槽庫容,降低潼關高程,協調黃河下游水沙關系,較長時期維持黃河下游中水河槽規模,提高下游河道行洪輸沙能力［19］。東莊水庫調控涇河洪水泥沙,攔蓄高含沙小洪水,泄放高含沙大洪水,結合渭河來水塑造一定歷時的較大流量洪水,減輕渭河下游河道淤積；相機配合干流骨干水庫群調水調沙,補充小浪底水庫調水調沙后續動力。

3.2 計算結果

利用一維水動力學數學模型開展計算,分析了現狀優化調控方案和古賢、東莊運行后優化調控方案下游河道輸沙能力變化情況。

(1)現狀優化調控后下游河道輸沙能力變化。黃河年均來沙8 億t 情景,數學模型計算結果表明:現狀方案,小浪底水庫2035 年設計攔沙庫容淤滿,計算期50 a 內下游河道年均淤積1.63 億t；小浪底水庫攔沙期內,利津站年均輸沙量為4.85 億t；水庫攔沙庫容淤滿進入正常運用期后,進入下游河道的沙量增加,利津站年均輸沙量為5.50 億t。現狀優化調控方案,水庫增加了高含沙洪水調度次數,增加了泄放流量大于2 600 m3/s的水流過程,小浪底水庫2039 年設計攔沙庫容淤滿,較現狀方案延長了4 a,計算期50 a 內下游河道年均淤積量減少為1.50 億t；小浪底水庫攔沙期內利津站年均輸沙量為5.34 億t,與現狀方案相比提高了0.49億t,仍有10%的提高潛力；小浪底水庫正常運用期內,利津站年均輸沙量與現狀方案差別不大,見表3。

表3 現狀水庫群優化調控作用下的下游河道年均輸沙量

黃河年均來沙6 億t 情景,現狀方案,小浪底水庫2042 年設計攔沙庫容淤滿,計算期50 a 內下游河道年均淤積0.87 億t；小浪底水庫攔沙期內利津站年均輸沙量為3.69 億t,正常運用期進入下游河道的沙量增加,利津站年均輸沙量為4.35 億t。現狀優化調控方案,小浪底水庫2048 年設計攔沙庫容淤滿,較現狀方案延長了6 a,計算期50 a 內下游河道年均淤積量減少為0.73 億t；小浪底水庫攔沙期內利津站年均輸沙量為4.11 億t,與現狀方案相比提高了0.42 億t,仍有11%的提高潛力；小浪底水庫正常運用期內,利津站年均輸沙量與現狀方案差別不大。

黃河年均來沙3 億t 情景,現狀方案,小浪底水庫2065 年設計攔沙庫容淤滿,計算期50 a 內下游河道處于沖刷狀態；小浪底水庫攔沙期內利津站年均輸沙量為1.98 億t,正常運用期進入下游河道的沙量增加,利津站年均輸沙量為2.38 億t。現狀優化調控方案,小浪底水庫2074 年設計攔沙庫容淤滿,較現狀方案延長了9 a,小浪底水庫攔沙期內利津站年均輸沙量為2.22 億t,與現狀方案相比提高了0.24 億t,仍有12%的提高潛力；小浪底水庫正常運用期內,利津站年均輸沙量與現狀方案差別不大。

(2)古賢、東莊運行后優化調控對下游河道輸沙能力的影響。古賢、東莊水庫投入運行后,水庫攔沙期內進入下游河道的沙量和輸沙入海量減少。對比分析古賢、東莊水庫均進入正常運用期后水庫群調控對下游河道輸沙能力的影響,結果見表4。古賢、東莊水庫投入運行后,中游水庫群聯合調控改善了進入下游河道的水沙關系,黃河年均來沙8 億、6 億、3 億t 情景下,進入下游河道的大流量水流過程相應水量均增加,利津站年均輸沙量分別為6.13 億、4.88 億、2.75 億t,與現狀優化調控方案相比,提高了11%～12%。

表4 古賢、東莊水庫投入運行后下游河道輸沙量變化（中游水庫群均進入正常運用期）

4 結論

(1)黃河下游河道輸沙能力的大小主要取決于來水來沙條件。近年來黃河天然來水量及利于輸沙的大流量過程減少,提高下游河道輸沙效率需要水庫泄放較大含沙量的水流過程。在維持穩定的下游河道中水河槽規模前提下,優化現狀水庫群調控方式,增加水庫湊泄造峰次數和高含沙洪水調度頻次,可實現水庫和下游河道減淤,提高河道輸沙能力。黃河年均來沙8 億、6 億、3 億t 情景下,現狀水庫群調控方式優化后,小浪底水庫攔沙年限可分別延長4、6、9 a,利津站年均輸沙量可由現狀的4.85 億、3.69 億、1.98 億t 提高為5.34 億、4.11 億、2.22 億t,輸沙能力提高10%～12%。

(2)古賢、東莊水庫投入運行后,中游水庫群聯合調控可改善進入下游河道的水沙關系,進入下游河道的沙量減少,有利于輸沙的大流量水流過程增加,黃河年均來沙8 億、6 億、3 億t 情景下,利津站輸沙量分別為6.13 億、4.88 億、2.75 億t,相比現狀優化調控方案,進一步提高了11%～12%。應盡快建設古賢水利樞紐工程,完善水沙調控體系,提高河道輸沙能力,長期維持下游河道中水河槽規模。