小浪底水庫攔沙期應急保灘能力研究

李榮容，藺 冬，趙 翔

(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 引言

小浪底水庫位于黃河中游最后一個峽谷河段,是解決黃河下游防洪減淤等問題不可替代的關鍵工程,與干支流三門峽、陸渾、故縣、河口村水庫聯合運用,共同承擔黃河下游防洪任務。小浪底水庫設計攔沙庫容75.5 億m3,防洪庫容40.5 億m3,其中保灘庫容7.9 億m3,保灘流量8 000 m3/s。截至2022 年汛前,小浪底水庫已累計防御洪水10 余次,開展調水調沙21 a,庫區淤積泥沙33.92 億m3,占水庫設計攔沙庫容的44.9%,水庫運用處于攔沙后期第一階段。黃河下游主槽累計沖刷23.51 億m3,花園口—夾河灘河段平灘流量7 300 m3/s,夾河灘—高村河段7 300～6 600 m3/s,高村—利津絕大部分河段在4 600 m3/s 以上。以小浪底為核心的中游干支流水庫聯合運用,使黃河下游主槽過流能力得到恢復,防洪能力顯著提升。

但是,在近幾年實時洪水調度中,下游灘區防洪保安問題依然突出。下游廣闊灘區既是行洪、滯洪、沉沙的重要區域,也是灘區廣大群眾的生存家園,河南、山東灘區居民遷建規劃實施后,仍有近百萬人生活在洪水威脅中,涉及河南、山東兩省47 個縣(市、區),總面積4 320.87 km2,耕地29.8 萬hm2。黃河下游河道現狀最小平灘流量僅是小浪底水庫設計保灘流量的一半左右,花園口站8 000 m3/s 洪水時下游大部分灘區將受淹。習近平總書記指出要“實施河道和灘區綜合提升治理工程”,解決防洪運用和經濟發展矛盾長期存在的問題［1-4］。利用小浪底水庫較大的剩余攔沙庫容,在保持水庫長期有效庫容、保證水庫及下游大洪水防洪安全條件下,突破水庫原設計調度運用方式,挖掘其防洪保灘潛力十分必要。本文結合黃河下游河道過流能力和灘區防洪需求,分析計算黃河中游分期分級洪水保灘庫容,提出小浪底水庫應急保灘運用方式并分析其保灘能力,以期為實時洪水調度提供參考。

2 中游洪水分期特點及近期變化

黃河中游暴雨洪水多發生在7—10 月,其中7—8月為前汛期,9—10 月為后汛期。洪水主要來自河口鎮至龍門區間、龍門至三門峽區間(簡稱龍三間)和三門峽至花園口區間(簡稱三花間),其中三門峽以上的“上大洪水”洪峰高、洪量大、含沙量高,如1933 年洪水；三花間的“下大洪水”洪峰高、漲勢猛、預見期短,如1954 年、1958 年和1982 年洪水。后汛期洪水相對前汛期而言,洪峰低、洪量小、含沙量低,如1964 年、1975 年洪水,但峰低量大的洪水也占有相當的比例,如2021 年秋汛洪水。洪峰流量為4 000～10 000 m3/s的中小洪水發生頻次高、漫灘影響大,三門峽以上洪水還可能挾帶大量泥沙,造成水庫或下游淤積,成為現階段黃河中下游洪水調度的難點。

統計分析潼關、花園口站不同時期各級洪水發生頻次,由表1 可見,1950—2021 年潼關、花園口站6 000 m3/s 以下洪水發生頻次相對較高,6 000 m3/s 以上的洪水頻次相對較低,10 000 m3/s 以上的洪水發生頻次更低,尤其在1990 年以后；20 世紀90 年代洪水發生頻次均明顯減少,2000 年以后減少得更多。

表1 潼關、花園口站不同時期各級洪水發生頻次 次/a

統計分析潼關、花園口站不同時期洪峰發生時間和次數,由表2 可見,潼關、花園口站洪水發生時間一般為5 月末到10 月末,20 世紀90 年代的洪水發生時間集中在7 月、8 月,2000 年以后洪水的最早發生時間推遲。從不同時期各月洪水場次分布情況看,1954—1969 年、1970—1989 年各月洪水場次分布變化不大,20 世紀90 年代9 月、10 月的洪水發生次數明顯少,2000 年以來7 月、8 月的洪水次數有所減少,9 月、10月洪水次數增加且洪水發生時間較晚。

表2 潼關、花園口站不同時期各月洪峰時間和洪水次數

3 分期分級洪水保灘庫容需求分析

3.1 保灘控制流量分析

對于黃河下游中水河槽的規模,相關單位進行了大量的研究,結果表明:小浪底水庫攔沙后期,在正常的來水來沙條件下,黃河下游適宜的中水河槽規模為4 000 m3/s 左右［5］。小浪底水庫于1999 年汛后下閘蓄水,經歷了長期清水沖刷和歷次調水調沙,黃河下游河道主槽的平灘流量得到一定程度的恢復,但是大流量過程沖刷強度的大幅度降低,使得平灘流量的增幅明顯放緩［6］,近幾年黃河下游河道的最小平灘流量基本維持在4 500 m3/s 左右。2020 年通過黃河防御大洪水實戰演練,小浪底水庫最大下泄流量5 500 m3/s,下游主河槽過流能力提升至5 000 m3/s。2021 年黃河秋汛洪水期間,艾山站最大過流量達到5 300 m3/s。根據2022 年汛前河道地形分析,目前黃河下游平灘流量較小的河段主要有2 個,一個是孫口上下河段,另一個是利津附近河段。孫口上下河段的平灘流量較小斷面包括陳樓斷面、梁集斷面、路那里斷面和王坡斷面,其平灘流量為4 700 m3/s；利津附近河段的平灘流量較小斷面包括麻灣斷面和綦家斷面,其平灘流量為4 600 m3/s。考慮黃河下游灘區生產堤的擋水作用(偎水高度0.5 m),短時段內高村至艾山卡口河段的應急過洪能力為5 200 m3/s。

黃河下游灘區洪水淹沒風險分析結果表明［7］:花園口4 000～6 000 m3/s 量級洪水下游灘區淹沒損失較小；量級從6 000 m3/s 提高到22 000 m3/s,淹沒地物及財產損失急劇增加,其中:6 000 m3/s 洪水灘區淹沒面積643 km2、淹沒耕地3.84 萬hm2、影響人口3.84萬人,8 000 m3/s 量級洪水灘區淹沒面積1 745 km2、淹沒耕地10.53 萬hm2、影響人口38.7 萬人。

綜合黃河下游現狀河道條件、中水河槽可維持規模,以及不同量級洪水灘區淹沒損失情況,認為保灘控制流量適宜取值為4 000～6 000 m3/s,本文擬定4 500、5 000 m3/s 兩個保灘控制流量指標,進行保灘庫容需求分析。

3.2 保灘庫容需求分析

根據黃河水利委員會印發的《2022 年黃河中下游洪水調度方案》［8］設計洪水成果(詳見表3),前汛期選取1933 年、1954 年、1958 年、1982 年典型洪水,后汛期選擇1964 年、1975 年、2021 年典型洪水,推算5～20 a 一遇設計洪水過程線。通過中游水庫聯合調度,分析不同分期、不同量級洪水保灘庫容需求,其中三門峽水庫敞泄運用、支流水庫按設計方式運用、小浪底水庫按湊泄花園口保灘控制流量運用,統計小浪底水庫蓄洪量,即為保灘庫容需求量,結果見表4。可見,保灘控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水前汛期需要小浪底水庫提供庫容25.2 億～73.9 億m3,后汛期需要7.2 億～52.3 億m3；保灘控制流量5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水前汛期需要小浪底水庫提供庫容20.2 億～62.0 億m3,后汛期需要3.3 億～40.7億m3。

表3 黃河中游三門峽、花園口站及三花間設計洪水成果

表4 不同分期、不同量級洪水保灘庫容需求量

4 應急保灘運用方式

根據《黃河洪水調度方案》(國汛〔2015〕19 號),三門峽、小浪底(西霞院水庫配合)、陸渾、故縣、河口村等水庫聯合調度,承擔黃河下游防洪任務。預報花園口站洪峰流量為4 000～8 000 m3/s 時,三門峽水庫原則上按敞泄運用；支流水庫按本流域防洪運用,伊洛河陸渾、故縣水庫允許最大下泄流量不超1 000 m3/s,沁河河口村水庫控制武陟站流量不超過4 000 m3/s；小浪底水庫原則上依據初步設計按進出庫平衡方式運用,視來水來沙及后期天氣情況,適時按控制花園口站流量為4 000 m3/s 或主河槽過洪能力相應流量(大于4 000 m3/s 時)方式運用。小浪底水庫設計汛限水位為254 m,為不影響水庫長期有效庫容,最高控制運用水位原則上不應超過此水位。

小浪底水庫攔沙期隨著水庫攔沙量的增加,庫容逐步減小。攔沙后期防洪運用主要分為3 個階段:第一階段為水庫淤積量達到42 億m3之前,第二階段為水庫淤積量為42 億～60 億m3的時期,第三階段為水庫淤積量為60 億～75.5 億m3的時期。目前水庫處于攔沙后期第一階段,仍有相當大的攔沙庫容。基于此,為減少下游灘區淹沒損失,考慮在不影響水庫大壩安全、不影響大洪水防洪、盡量不影響水庫長期有效庫容的前提下,利用小浪底水庫當前較大的攔沙庫容聯合三門峽、陸渾、故縣、河口村水庫對洪水進行適當調控,盡可能保障下游不漫灘或推遲洪水上灘時間［9-11］。在《黃河洪水調度方案》所定原則下,擬定各水庫應急保灘運用方式如下。

(1)三門峽水庫:原則上按敞泄運用。

(2)小浪底水庫:預報花園口站不超過保灘控制流量,原則上按保灘流量控制運用；否則,適時減小出庫流量,直至按300 m3/s(1 臺機組發電流量)下泄。

(3)陸渾水庫、故縣水庫:庫水位在庫區居民緊急轉移水位(陸渾水庫319.5 m,故縣水庫535.84 m)以下時,視小花間來水情況適時壓減出庫流量,否則,按控制下泄流量不超1 000 m3/s 運用。

(4)河口村水庫:庫水位在254.5 m 以下時,視小花間來水情況適時壓減出庫流量；否則,按控制武陟站流量不超4 000 m3/s 運用。

5 小浪底水庫保灘能力分析

根據上文擬定的應急保灘運用方式,進行水庫群聯合調節計算,各水庫按汛限水位起調,其中小浪底水庫前汛期起調水位235 m、后汛期起調水位248 m,調洪計算結果見表5。

表5 不同分期、不同量級洪水小浪底水庫蓄水及下游洪水情況

5.1 前汛期“上大洪水”水庫保灘能力分析

前汛期“上大洪水”主要來源于三門峽以上,設計洪水歷時45 d,為多峰型洪水。由表5 可見,保灘控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水,通過小浪底水庫攔蓄可將孫口站流量控制在4 590 m3/s 以下,小浪底水庫水位為253.08～273.09 m,水庫淤積量9.06億～17.68 億m3；10 a、20 a 一遇洪水小浪底水庫保灘運用水位超過水庫設計汛限水位254 m 較多,占用大洪水防洪庫容,且水庫淤積量較大,占水庫攔沙庫容的12.0%～23.4%,可能影響水庫長期有效庫容。保灘控制流量5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水孫口站流量為5 040 m3/s 左右,小浪底水庫水位為249.60～269.52 m,水庫淤積量8.91 億～17.34 億m3,淤積量較大,20 a一遇洪水庫區淤積量相當于陸渾水庫和河口村水庫的總庫容。總體來看,在不占用小浪底水庫設計汛限水位以上大洪水防洪庫容前提下,小浪底水庫現狀前汛期汛限水位235 m 至設計汛限水位254 m 之間庫容32 億m3,可保證5 a 一遇“上大洪水”下游不漫灘,推遲10 a 一遇及其以上洪水漫灘時間,為灘區人員緊急轉移爭取時間；在洪水判型準確情況下,可保證20 a一遇“上大洪水”下游不漫灘,水庫相應最高蓄水位269.52 m。

考慮到“上大洪水”可能挾帶大量泥沙,實時調度過程中應嚴密監視來水來沙及后期天氣情況,根據河道來水情況,盡可能通過預泄將小浪底水庫水位降至215 m 或者更低,利用入庫大流量沖刷小浪底庫區,形成異重流排沙,甚至明流沖刷庫區,進一步提高小浪底水庫排沙量,減輕應急調度蓄洪期間水庫淤積［12-13］。

5.2 前汛期“下大洪水”水庫保灘能力分析

前汛期“下大洪水”主要來源于三花間,設計洪水歷時12 d,為單峰型洪水。由表5 可見,中游水庫按照應急保灘方式運用,保灘控制流量4 500 m3/s 方案和5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水孫口站流量5 200～8 240 m3/s,均不能避免下游灘區上水,小浪底水庫水位248.62～263.26 m。小花間無控制區來水量較大,5～20 a 一遇洪水洪峰流量2 990～6 910 m3/s,“下大洪水”難以保證下游灘區洪水不漫灘。

“下大洪水”通過適時壓減支流水庫下泄流量,可以削減部分漫灘流量。但支流水庫庫容較小,陸渾、故縣水庫防洪水位以下還有大量居住人口,壓減下泄流量將占用大洪水防洪庫容,調度中需要權衡庫區淹沒和灘區淹沒影響；另外,支流水庫距離花園口較遠,陸渾、故縣、河口村水庫至花園口洪水傳播時間分別為24～34 h、26～40 h、14～19 h,水庫以下仍有1.4 萬km2暴雨無控制區,占小花間面積的51%,目前花園口站參考預報預見期14～18 h,正式預報預見期僅8～10 h,實時調度中支流水庫轉入應急保灘的時機難以精準把控,利用有限的庫容有效削減漫灘流量,需要提升小花間洪水預報預見期及預報精度。

5.3 后汛期洪水水庫保灘能力分析

后汛期大洪水多由華西秋雨形成,常為多峰型洪水,洪峰流量一般不大、含沙量較低,但是洪水持續時間長、總水量較大。由表5 可見,保灘控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水,通過小浪底水庫攔蓄可將孫口站流量控制在4 500 m3/s 左右,小浪底水庫水位為251.93～272.14 m；20 a 一遇洪水小浪底水庫保灘運用后最高水位達到272.14 m,設計水位274 m 以下防洪庫容僅剩4.87 億m3。保灘控制流量5 000 m3/s方案,5～20 a 一遇洪水孫口站流量為5 080 m3/s 左右,小浪底水庫水位為249.85～267.51 m。總體來看,在保障后汛期大洪水防洪所需庫容前提下,小浪底水庫現狀后汛期汛限水位248 m 以上可用于保灘的庫容約為23 億m3,可保證后汛期10 a 一遇洪水下游不漫灘,推遲10 a 一遇以上洪水漫灘時間；在洪水判型準確情況下,可保證后汛期20 a 一遇洪水下游不漫灘。

6 結論

(1)當前,小浪底水庫處于攔沙后期第一階段,剩余攔沙庫容約為41 億m3,利用小浪底水庫較大的調洪庫容兼顧下游灘區防洪,對保障廣大灘區群眾生活生產安全意義重大。綜合考慮黃河下游現狀河道條件、中水河槽適宜規模,以及不同量級洪水灘區淹沒損失情況,認為保灘控制流量宜在4 000～6 000 m3/s 之間取值。經過2020 年防御大洪水實戰演練、2021 年黃河秋汛洪水后,現狀下游河道應急保灘控制流量可取5 000 m3/s。

(2)前汛期按5 000 m3/s 保灘流量運用,5～20 a一遇“上大洪水”需要保灘庫容23.0 億～62.0 億m3。小浪底水庫235～254 m 之間庫容可保證5 a 一遇“上大洪水”下游不漫灘；在洪水判型準確情況下,可保證20 a 一遇“上大洪水”下游不漫灘。“下大洪水”因小花間無控制區來水量較大,故難以保證下游灘區洪水不漫灘。

(3)后汛期按5 000 m3/s 保灘流量運用,5～20 a一遇洪水需要保灘庫容3.3 億～40.7 億m3。扣除后汛期大洪水防洪所需庫容,小浪底水庫248 m 以上庫容可保證10 a 一遇洪水下游不漫灘,在洪水判型準確情況下,可保證20 a 一遇洪水下游不漫灘。

(4)小浪底水庫現狀215～235 m、235～248 m 之間庫容分別為13.33 億、18.91 億m3,在有條件的情況下,水庫可結合預報提前預泄,騰出較大防洪保灘庫容對中小量級洪水進行適當調控,盡可能減少灘區淹沒損失。

(5)前汛期“上大洪水”可能挾帶大量泥沙,小浪底水庫攔洪運用庫區淤積量較大,可能影響水庫長期有效庫容。實時調度過程中結合預報來水來沙情況,通過預泄將小浪底水庫水位降至215 m 或者更低,減少應急調度蓄洪期間水庫淤積。

(6)隨著小浪底水庫攔沙庫容逐漸淤滿,水庫兼顧下游灘區防洪能力降低。長遠來看,需要加快推進下游河道和灘區綜合提升治理,因灘施策,通過實施三灘分區治理、居民遷建、二級懸河治理、控導工程連接等灘區綜合治理措施,提高灘區防洪保安能力,破解灘區防洪保安和高質量發展之間的矛盾。