考慮黃河水沙豐枯變化的小浪底水庫調水調沙優化研究

高 興，朱呈浩，陳翠霞，魯 俊，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）

0 引言

黃河水少沙多、水沙關系不協調的自然特性，使得下游河道不斷淤積抬高，成為舉世聞名的地上“懸河”，嚴重威脅黃淮海平原社會穩定和生態安全［1－3］。長期治黃實踐表明，建設大型骨干水利樞紐工程攔沙和調水調沙，是保障黃河長治久安的重要舉措［4－6］。2002 年以來，以小浪底水庫調度為主，黃河水利委員會連續20 余a 組織開展黃河調水調沙，對于減輕下游河道淤積、保障河床長期不抬高發揮了重要作用［7］。但進入21 世紀以來，黃河水沙情勢巨變［8－9］，水庫及河道邊界條件經多年調水調沙也發生重大調整［10－11］。在變化條件下，小浪底水庫調水調沙出現了三大突出問題，制約了調水調沙作用的進一步發揮。這三大問題一是現狀中游水庫群調節庫容小，為調水調沙補充的后續動力不足［12］；二是汛前調水調沙的前期清水下泄，水流沖刷效率大幅降低［7］；三是調水調沙結束后若來水偏枯，水庫回蓄困難，水資源利用效益難以保障。

鑒于上述問題的出現，當前對小浪底水庫調水調沙進行創新和優化十分必要。陳建國等［13］根據三門峽水庫運用經驗，提出小浪底水庫在攔沙后期應該采用“調沙減淤”的運用理念，即充分利用大流量輸沙能力強的特點，根據上游來水相機調水調沙加大下泄流量和排沙力度，把大量泥沙輸送入海，同時減少水庫和下游河道淤積。張金良等［14］提出多沙河流水庫采用“蓄清調渾”的運用方式，充分考慮來水來沙過程中場次洪水和年際間豐、平、枯變化，通過“攔、調、排”全方位協同調控，可以更好地發揮水庫綜合利用效益。“調沙減淤”和“蓄清調渾”的思想，都為新時期小浪底水庫調水調沙優化提供了指導依據。陳翠霞等［15］根據當前下游河道已經形成適宜的中水河槽規模，河道沖刷效率下降的背景，提出小浪底水庫可適當多排沙，盡量延長水庫攔沙壽命的運用方式。上述研究成果也為小浪底水庫調水調沙優化提供了實踐指導。但值得注意的是，泥沙工作者往往更注重水庫排沙減淤的作用，而忽視了水資源利用的需求。事實上，水庫降水排沙和蓄水興利一直是一個相互博弈的矛盾［16－17］。特別是對于黃河這種泥沙量大、水資源匱乏的河流，該矛盾更需要得到有效的協調。除此之外，還需要指出的是，黃河是一條來水來沙年際變化很大的河流，而以往研究較少考慮年際間水沙豐枯變化的特點，調水調沙運用方式是以年為尺度制定的。以一個黃河來水來沙年際間豐、平、枯變化的尺度，優化小浪底水庫調水調沙運用方式，將年內的調水調沙創新為年際的調水調沙，不僅更加符合黃河的自然特性，而且可更加靈活地應對年際間不同的來水來沙條件。

本研究在分析黃河水沙豐枯變化特點、小浪底水庫排沙規律以及下游河道輸沙規律的基礎上，提出考慮黃河來水來沙豐、平、枯變化的小浪底水庫調水調沙優化運用方式，選取2000 年以來實測水沙系列，采用數學模型計算優化運用方式和現狀運用方式在水庫排沙減淤和水資源利用方面的差異，以期為新時期黃河調水調沙創新發展和調度實踐提供科學支撐。

1 研究區域、數據及方法

1.1 研究區域

以黃河中下游潼關以下河段作為研究區域（見圖1），重點研究小浪底水庫和黃河下游河道。小浪底水庫位于黃河中游最后一個峽谷段的出口，上距三門峽水庫壩址130 km，下距花園口水文站128 km，控制流域面積69.4 萬km2，是黃河干流的關鍵控制性骨干工程。截至2022 年4 月小浪底水庫淤積泥沙33.92 億m3，占設計攔沙庫容的44.9%，處于攔沙后期第一階段。黃河干流在鄭州桃花峪進入下游，經黃淮海平原，于山東省東營市墾利區注入渤海。下游干流河道全長786 km，流域面積2.27 萬km2。黃河水少沙多、水沙關系不協調，導致進入黃河下游的大量泥沙淤積在下游河道內。小浪底水庫運用前，下游河床每年抬高0.05～0.10 m，現行河床一般高出背河地面4～6 m，最高10 m 以上，形成舉世聞名的地上“懸河”，除東平湖至濟南河段右岸外，洪水全靠兩岸堤防約束。小浪底水庫運用以來，經水庫攔沙和調水調沙，下游河道最小平灘流量恢復至4 600 m3/s。

圖1 研究區域

1.2 研究數據

采用黃河中下游各水文站水沙資料作為本次研究數據，包括流量、含沙量、輸沙率、水位、徑流量、輸沙量等。除此之外，黃河水利委員會水文局每年對小浪底庫區、黃河下游河道進行大斷面測量，整編了庫區沖淤與庫容變化、河道沖淤等資料，為本次研究提供了基礎數據。

1.3 研究方法

采用黃河勘測規劃設計研究院有限公司研發的RSS 河流數值模擬系統一維模型進行水庫及下游河道沖淤計算，該模型根據1999 年以來小浪底水庫沖淤資料和1960 年以來黃河下游沖淤資料進行了率定和驗證，計算值與實測值誤差在10%以內，符合模型計算精度要求。目前該模型已經廣泛應用于黃河流域各類規劃、工程論證以及水庫運用方式研究中［15，18］。

2 調水調沙優化的可行性

2.1 黃河水沙豐枯變化特點

黃河來水來沙具有顯著的豐枯變化特點。對黃河中游潼關站1919—2020 年實測百年水沙系列進行分析，年徑流量最大值為660.5 億m3（1964 年），是最小值139.4 億m3（2002 年）的4.74 倍；年輸沙量最大值為39.1 億t（1933 年），是最小值0.47 億t（2015 年）的83.19 倍。即使是2000 年以來的實測水沙系列，也具有明顯的豐枯變化特點，年徑流量最大值為448.4 億m3（2018 年），是最小值139.4 億m3的3.22 倍；年輸沙量最大值為6.15 億t（2018 年），是最小值0.47 億t 的13.09 倍。潼關站逐年水沙量變化情況見圖2。

圖2 潼關站1919—2020 年水沙量變化情況

根據潼關站實測水沙數據過程線，可以發現2000年以前黃河來水來沙具有較高的一致性，即來水偏豐的年份來沙也偏豐，來水偏枯的年份來沙也偏枯；2000年以后，受水保措施影響，黃河來沙較少，總體波動也較小。除此之外，中長期水文預報為來水量預測提供了基礎，而來沙量預測仍有較大的不確定性。因此，考慮到前期來水來沙的一致性和近期來沙的相對穩定性，以及水庫實際調度的可參考性，本研究以來水量作為黃河來水來沙豐、平、枯判別的標準。進一步分析發現，潼關站1919—2020 年多年來水量均值364.5 億m3，較均值偏多30%的年份有24 a，占全部年份的25%左右，較均值偏少30%的年份也有24 a，同樣占全部年份的25%左右，相當于水工設計頻率分析中P＝25%為豐水年、P＝75%為枯水年的概念。基于此，本研究提出年來水量比多年平均值偏多30%作為豐水年、偏少30%作為枯水年的判別標準。

2.2 小浪底水庫排沙規律分析

近年來，在黃河水沙情勢多變的背景下，小浪底水庫排沙調度方式較為多樣，為本次分析水庫排沙規律提供了基礎。2018—2020 年為連續豐水年，小浪底水庫采用“一高一低”的調度模式，充分利用大流量過程沖刷庫區，取得了較好的排沙效果；2021—2022 年，結合汛前騰庫迎汛和汛期涇渭河高含沙洪水，分別開展了兩次汛前調水調沙和一次汛期調水調沙，具體情況見表1。

表1 2018—2022 年小浪底水庫調水調沙相關特征值

根據近5 a 小浪底水庫調水調沙開展情況，可以發現在2018—2020 年豐水年，由于沒有后期回蓄不足的顧慮，因此在小浪底水庫采取了積極的排沙調度，不僅排沙水位低，而且排沙歷時長，再加上調水調沙期間入庫水量多、流量大、沖刷效率高，取得了良好的排沙效果，3 次調水調沙分別排出了3.64 億、4.18 億、2.85 億t的泥沙；而在2021 年和2022 年的汛前調水調沙中，雖然在水庫調度上追求了盡可能多排沙的目標，但受限于來水偏枯，僅能依靠中游水庫群蓄水補充后續動力，水庫排沙效果相對較差，兩次調水調沙僅排出了0.64 億t和1.05 億t 的泥沙；在2022 年汛期調水調沙中，來水偏枯導致水庫排沙動力不足的問題更加明顯，此次調水調沙有后期蓄水不足的顧慮，排沙水位沒有降至太低，再加上汛期中游水庫群無法補充后續動力，因此水庫排沙比僅為55%。

近期小浪底水庫排沙規律的分析成果證明了小浪底水庫調水調沙在水庫排沙方面優化的可行性，即在考慮黃河水沙豐枯變化的前提下，豐水年不僅能充分利用水流沖刷能力強的優勢，盡可能將更多的泥沙沖刷出庫，而且后期還有足夠的余地回蓄水量；枯水年則盡量考慮到水流沖刷能力弱的劣勢少排沙，盡可能保障后期用水安全。

2.3 下游河道輸沙規律分析

實測資料表明，黃河下游河道具有“多來多排多淤”和“少來少排少淤”的特點，利津站輸沙入海量與進入下游河道的水量和沙量（小浪底、黑石關、武陟3站之和）具有明顯的相關關系［19］。統計1960—2020年進入下游河道的水量和沙量以及輸沙入海量，進行線性回歸分析，得到關系式如下：

式中：Wsh為利津站輸沙入海量，Wxy為進入下游河道的水量，Wsxy為進入下游河道的沙量。

上述關系式的擬合優度R2＝0.924，標準誤差σ＝1.36 億t，表明由該關系式計算得到的輸沙入海量與實測值吻合度較高，結果見圖3。

圖3 利津站輸沙入海量實測值與計算值對比

根據該關系式，可以得出進入下游河道的水量和沙量越大，輸沙入海量就越大的規律，反之則相反。在一個確定的來水量下，由該關系式可以反算出剛好使得下游河道沖淤平衡的輸沙閾值（考慮引水引沙的情況下來沙量等于輸沙入海量加引沙量）。若參照2000年以來徑流系列，假定未來一定時期內進入黃河下游的年均水量為287 億m3，則可推算出維持下游河道沖淤平衡的輸沙閾值為2.5 億t。但此時就出現了一個問題，即采用平均概念計算出來的輸沙閾值是不合理的，它無法反映黃河水沙年際變化大的特點。舉例說明，2000 年、2001 年、2020 年進入下游的水量分別為182 億、159 億、517 億m3，3 a 平均水量為286 億m3，但僅2020 年一年，由上述關系式計算得到的輸沙閾值為9.7 億t，比按照年均水量計算得到的3 a總輸沙量7.5億t 還多29%。根據上述例子，可以說明在理想情況下，1 a 的豐水年可以排走3 a 的來沙量，而該問題產生的主要原因是，由平均水量計算出的輸沙閾值弱化了豐水年的輸沙潛力，導致計算結果偏低。

下游河道輸沙規律的分析成果證明了小浪底水庫調水調沙在下游河道輸沙方面優化的可行性，即在考慮黃河水沙豐枯變化的前提下，豐水年可以充分利用水流輸沙潛力大的優勢，盡可能將更多的泥沙輸送入海；枯水年則盡量考慮到水流輸沙潛力小的劣勢，避免水庫排出的泥沙因輸沙動力不足淤積在下游河道。

2.4 調水調沙優化運用方式

根據前文關于黃河水沙豐枯變化特點、小浪底水庫排沙規律、下游河道輸沙規律的研究成果，可以形成以下認識：黃河來水來沙具有豐、平、枯變化的特點，豐水年可充分利用水量多、流量大的優勢，盡可能追求水庫多排沙、下游河道多輸沙的目標；枯水年則應盡量考慮到水量少、流量小的劣勢，謹慎開展水庫排沙調度，避免出現排出的泥沙淤積在下游河道以及水庫后期蓄水不足的問題。

基于上述認識，提出考慮黃河水沙豐枯變化的小浪底水庫調水調沙優化運用方式，以期在一個來水來沙豐、平、枯變化的長周期內實現水庫排沙減淤、水資源利用綜合效益的最大化。優化后的調水調沙運用方式說明見表2（表中平水年運用方式即為現狀運用方式），在綜合考慮《小浪底水利樞紐攔沙后期（第一階段）運用調度規程》和年度調水調沙預案的基礎上形成。本次優化主要體現在以下兩個方面：一是在豐水年加強了排沙調度，高含沙調節水庫預留水量由3 億m3減小為1 億m3，降水沖刷由攔沙后期第二階段拓展至第一階段，水庫預留水量由0.2 億m3改為不預留；二是在枯水年加強了興利調度，以盡可能保障水資源利用效益，取消了水庫泄放大流量過程的排沙調度方式，僅在高含沙調節期間保持進出庫平衡運用。

表2 小浪底水庫調水調沙優化運用方式說明

3 計算方案與結果分析

3.1 計算方案

近期黃河實測水沙量發生了較大變化。考慮到黃河水沙變化的復雜性，以及本次調水調沙優化運用方式在當前水沙情勢下的適用性，本研究不再對未來黃河水沙變化趨勢進行預測，僅以小浪底水庫運用以來的2000—2020 年實測水沙系列循環3 次組成63 a 的計算水沙系列，水沙特征值見表3。該系列潼關站年均水量為259.10 億m3、年均沙量為2.39 億t、平均含沙量為9.22 kg/m3。潼關站水沙過程經三門峽水庫沖淤計算后，作為小浪底水庫入庫水沙條件，再經小浪底水庫沖淤計算后，附加黑石關、武陟站水沙過程，作為進入黃河下游的水沙條件。小浪底水庫及下游河道計算邊界條件選用2022 年汛前地形。

表3 計算水沙系列特征值

3.2 計算結果

根據現狀和優化后的小浪底水庫調水調沙運用方式，采用構建的一維水沙數學模型，分別對系列年小浪底水庫累計淤積量、下游河道累計沖淤量以及最小平灘流量變化過程進行計算，結果如圖4～圖6 所示。統計系列年和典型年小浪底水庫日均蓄水量數據，結果見表4。

表4 系列年及典型年小浪底水庫日均蓄水量

圖4 小浪底水庫累計淤積量變化過程

圖5 下游河道累計沖淤量變化過程

圖6 下游河道最小平灘流量變化過程

對于小浪底水庫淤積過程，現狀運用方式下小浪底水庫進入正常運用期的年限為45 a，優化運用方式下為53 a，優化運用方式可以提高水庫攔沙年限8 a；現狀運用方式下系列年末小浪底水庫累計淤積76.51 億m3，優化運用方式下為68.33 億m3，優化運用方式可以減少水庫淤積量8.18 億m3，相當于年均減少水庫淤積量0.13 億m3。

對于下游河道沖淤過程，現狀運用方式下系列年末下游河道累計沖刷13.77 億t，優化運用方式下為14.12 億t，優化方案可以提高下游河道沖刷量0.35 億t；現狀運用方式下系列年末下游河道最小平灘流量為5 306 m3/s，優化運用方式下為5 309 m3/s，兩者相差不大。

對于小浪底水庫蓄水量變化過程，現狀運用方式下全系列年內小浪底水庫多年平均日蓄水量25.94 億m3，優化運用方式下為29.93 億m3，優化運用方式可以提高蓄水量3.99 億m3；現狀運用方式下全部枯水年內小浪底水庫多年平均日蓄水量17.70 億m3，優化運用方式下為21.14 億m3，優化運用方式可以提高蓄水量3.44 億m3。進一步以2016 年典型枯水年為例，全年潼關來水量176.30 億m3，相較于系列年均值259.10 億m3偏少32%，現狀運用方式下小浪底水庫全年日均蓄水量17.98 億m3，優化運用方式下為25.14 億m3，優化運用方式可以提高蓄水量7.16 億m3。

3.3 結果分析

根據上述系列年計算結果可以發現，相較于現狀運用方式，優化運用方式下小浪底水庫淤積量更少、蓄水量更多，同時下游河道沖淤量和最小平灘流量變化不大，即優化運用方式可以在不淤積下游河道的基礎上提高小浪底水庫的排沙減淤和水資源利用效益。產生該結果的原因是在豐水年通過加強排沙調度，充分利用大流量過程沖刷效率高、輸沙能力強的優勢，盡可能發揮了現狀水庫的排沙潛力和現行中水河槽的輸沙潛力，例如2018—2020 連續3 a 豐水年，水庫排沙量較現狀運用方式分別增多2.7 億、1.6 億、3.6 億t；同時在枯水年，通過加強興利調度，盡量規避了小流量過程沖刷效率低、輸沙能力弱的劣勢，盡可能提高了水資源利用效益，例如2000—2002 連續3 a 枯水年，水庫全年日均蓄水量較現狀運用方式分別提高9.1 億、1.3 億、0.9 億m3。需要進一步說明的是，雖然枯水年水庫蓄水位維持較高，增加了當年水庫淤積量，但這樣做既避免了水庫排沙后因水流輸沙能力不足而導致下游河道淤積的問題，又為豐水年水庫排沙積累了沙源，因此長期來看是有利的。

4 結論

1）黃河來水來沙具有顯著的豐枯變化特點，年來水量比多年平均值偏多30%、偏少30%可以分別作為豐水年和枯水年的判別標準。

2）小浪底水庫調水調沙在水庫排沙和下游河道輸沙方面具有優化的可行性，豐水年不僅能充分利用水流沖刷能力強和輸沙潛力大的優勢，盡可能將更多的泥沙沖刷出庫和輸送入海，而且后期還有足夠的余地回蓄水量；枯水年則盡量考慮到水流沖刷能力弱和輸沙潛力小的劣勢少排沙，避免水庫排出的泥沙淤積在下游河道，同時盡可能保障后期用水安全。

3）考慮黃河水沙豐枯變化的小浪底水庫調水調沙運用方式可以提高水庫排沙減淤和水資源利用效益，2000 年以來實測水沙情勢下，水庫可在不淤積下游河道的基礎上延長攔沙年限8 a，減少淤積量8.18 億m3，提高多年平均日蓄水量3.99 億m3。