小浪底水库进一步水沙调控亟待研究的问题

陈建国 ，周文浩 ，陈 强

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点试验室，430072，武汉；2.国际泥沙研究培训中心，100048，北京；3.中国水利水电科学研究院，100048，北京）

小浪底水库于1999年10月下闸蓄水,目前，正在进入“拦沙后期”。水库已为黄河下游河道的防洪、减淤作出了重大贡献，同时也出现了一些新情况。总结10年来的经验，进一步探求延长水库寿命、扩大水库对下游防洪减淤的途径，具有重要的现实意义。

一、10年来黄河来水来沙特点及小浪底水库的运用

10年来，黄河的水量、沙量大幅度减少。2000—2008年潼关站的平均年径流量为210.9亿m3，平均年输沙量为 3.34亿t，分别是 1952—2000年平均年径流量（364.7亿m3）及平均年输沙量（11.85亿 t）的 57.8%及 28.2%,为设计小年系列平均年水沙量的69.8%及24%。水沙年内分布也有变化，汛期径流量占全年百分比由1985年前的60%降为38%。

1999年10月，水库下闸蓄水。2000年7月以后，水库基本采用设计运行方式：主汛期（7—9月），起调水位205m，以控制花园口断面2600 m3/s为调控的上限流量；调节期（10—6月），水库按下游用水及防凌等要求适时调控；调沙期（6—7月），利用水库汛前腾空水量或在汛期一定水沙条件下进行水库调水调沙。水库下泄泥沙的主要方式是水库的异重流排沙。

二、小浪底水库对黄河下游河道的贡献

1.下游河道呈全河性冲刷

小浪底水库运用后，黄河下游河道呈全河性冲刷。1999年9月—2008年10月，共冲刷泥沙12.829亿m3（17.961 亿 t），同期下游河道来水（花园口站）2083.2亿 m3，冲刷 1 m3泥沙平均需水量 162.3 m3（116 m3/t）。 由于黄河下游河道水流挟沙力与流量的高次方成正比，2000—2007年，汛期来水量虽仅占年来水量的38%，河道冲刷量却占年冲刷量的71.2%。

2.河道断面扩大，形态趋于窄深

在水库下泄清水的冲刷下，黄河下游河道断面普遍扩大。1999年10月—2007年10月，高村以上河段全年扩大1775～3597 m2；高村以下全年扩大532～764 m2。断面形态也相应变化，1999年10月—2006年10月，夹河滩以上河段扩宽达420～450 m，河床冲深1.49～1.32 m，断面形态参数（）则减少4.7～5.9，河道趋于窄深；高村以下河段，河宽基本不变，水深则有明显增加，断面更趋于窄深。断面面积扩大和形态趋于窄深，对于增强河道的泄洪排沙有利。

3.河道泄流能力增加

以平滩流量表示河道的泄洪能力，1999年汛前—2008年汛前，高村以上的平滩流量增加2200～2600 m3/s，增长70%～81.5%。高村至利津河段增加700～1100 m3/s，增长 22.6%～34.4%。

4.同流量下的水位下降

衡量河道泄流能力变化的另一个指标是同流量下水位的变化。1999年8月—2006年8月，2000 m3/s流量时下游各水文站的水位下降0.8～1.6m，其中高村以上各站下降1.3 m以上。

黄河下游是著名的堆积性河道。20世纪80—90年代，在特殊的水沙条件下，河道严重萎缩，1999年汛前与1985年汛后相比，平滩流量减少了46.7%～61.8%。所以，小浪底水库拦沙初期，已使黄河下游河道摆脱了连年萎缩，出现全面复苏的新局面。

5.调水调沙增加了下游河道冲刷

2000—2008年，小浪底水库共进行了8次调水调沙，共计下泄水量294.54亿m3，下游河道全线冲刷，共冲刷泥沙3.274亿t。冲刷主要发生在河槽内，增加了河道泄洪能力，在下游河道的复苏中起到了重要作用。

上述8次调水调沙本质上属于人造洪峰。它对下游河道的冲刷作用，目前在评估上存在一些误区，主要表现在：

（1）对于调水调沙对下游河道冲淤影响估计过高

小浪底水库下泄清水以后，下游河道冲刷包括了调水调沙引起的冲刷，洪水冲刷和非洪水（包括汛期非洪水及非汛期）冲刷。8次调水调沙进入下游的水量占总来水量的15.12%，河道冲刷量为同期总冲刷量的18.23%，调水调沙引起下游河道的冲刷量仅占总冲刷量为数不大的一部分。

（2）将年际平滩流量的增加值都算作调水调沙的影响

将年际（例如汛初）平滩流量的增大都看成是调水调沙的影响，同样忽略了汛期洪水、汛期非洪水和非汛期来水对平滩流量增大的作用。根据2002年、2003年及2004年 3次调水调沙原型试验结果，如以平均值衡量，3次原型试验中下游河道平滩流量的增值分别为30 m3/s、214 m3/s和242 m3/s，而相应3年的年际增值分别为 194 m3/s、796 m3/s和 321 m3/s，前者是后者的15.5%、26.8%和75.4%。

（3）将年际同流量水位下降看作调水调沙引起的结果

基于上述同样的原因，调水调沙引起的下游河道的水位下降要比年际水位下降小得多。以2003年为例，2003年8月—2004年8月各水文站2000 m3/s水位下降的平均值为0.79 m，而2004年汛初调水调沙引起的水位降值为0.11 m，后者仅为前者的13.9%。

基于上述分析，对于已进行的调水调沙对下游河道冲刷作用的评估过于乐观。

三、小浪底水库水沙调控出现的新情况

小浪底水库水沙调控出现了一些不可忽视的新情况，归结起来主要有两个方面：①下游河道的冲刷效果逐渐减弱，②水库的库容损失没有在下游河道冲刷中得到充分回报。

1.下游河道冲刷效果逐渐减弱

（1）调水调沙对下游河道的冲刷效果越来越小

对比几次来水量大体相近的调水调沙试验，如表1所示，2003年、2007年两次调水调沙，进入下游河道的水量分别为25.91亿m3和25.59亿m3。前者在下游河道冲刷泥沙0.456亿t，后者冲刷0.0003亿t，两者的冲刷用水量（冲刷1t泥沙需用水量）及冲刷效率 （每立方米来水能冲刷的泥沙）也相差甚远。2004年、2007年及2008年3次调水调沙也大体相似。

（2）洪水对下游河道的冲刷越来越小

取进入下游水量接近的几次洪水进行对比（见表1）。2003年8月洪水进入下游的水量9.23亿m3，下游河道冲刷0.139亿t；2005年7月洪水水量8.8 亿 m3，河道冲刷 0.054 亿m3；而2006年8月洪水水量增至11.2亿m3，河道冲刷量仅为0.06亿m3。2003年11月、2007年7月两次洪水的情况相似。

（3）年冲刷量明显下滑

2003年及2006年，进入下游的水量分别为 272.7亿 m3和 281.1亿 m3，下游河道冲刷量分别为5.055亿t和1.799亿t，减少了64.4%。冲刷用水量增加了1.9倍，冲刷效率则减少了65%。2004年、2008年的情况大体如此。

（4）冲刷效果减少的主要原因

水库下泄清水以后，下游河道将通过河床纵剖面、横断面及河床组成的改变，来调整其水流的挟沙力，使之与新的来水来沙条件相适应，其中以河床组成的调整对挟沙力的影响最为灵敏。小浪底水库初期运用以来，黄河下游河道床沙明显粗化。2000—2006年花园口站床沙中值粒径由0.082 mm增大到0.20 mm，高村站由0.06 mm增大到0.135 mm，利津站由 0.046 mm增大到0.100 mm，全河普遍增大约2.25倍。河床表面已形成了一层粗化层，一方面增加了河床对水流的阻力，减弱了水流的挟沙能力；另一方面，表面较细泥沙的冲失，减少了河床对水流的泥沙补给。两者的综合影响，导致了下游河道冲刷效果的逐渐减弱。

2.水库拦沙没有在下游河道冲刷中得到充分的回报

一般地说，水库拦沙必然使下游河道受到冲刷。拦沙愈多，冲刷量越大，意味着水库拦沙在下游河道冲刷中得到的回报也越大。小浪底水库运用以来，除了2003年外，基本上不存在水库拦沙越多、下游冲刷量越大的现象。如1999年9月—2000年11月以及2000年11月—2001年12月，水库分别拦沙 4.191亿m3和 2.971亿 m3，下游河道冲刷相应为 1.054亿t和1.091亿 t；2004年 10月—2005年 10月及2005年10月—2006年 10月，水库拦沙分别为2.911亿m3和3.437亿m3，下游河道则相应冲刷了1.999亿t和1.799亿t。这种情况表明，水库拦沙和库容损失的代价并没有在下游河道冲刷中得到应有的回报，意味着一部分库容被浪费了。

四、进一步水沙调控亟待研究的问题

小浪底水库从拦沙后期至正常运行期之间，历时较长，如何既减少河道淤积，又最大程度地优化水库的水沙调控功能，延长水库寿命，对黄河的治理具有重要战略意义。但是要实现这个目标，在指导思想和技术层面上，都还有不少疑难问题亟待研究，下面择其数例。

1.确立小浪底水库在水沙调控及下游河道治理中不可替代的地位

小浪底工程位于黄河中游下端，是黄河下游在三门峡以下能取得较大库容的唯一重大控制性工程；它离黄河下游最近，对下游河道的作用最直接、最敏感，黄河中上游已建和拟建的大中型水利水电工程对水沙的任何改变，都只有通过小浪底水库调控，才能对下游河道产生积极的作用，小浪底水库的地位不可替代。

2.水库运用理念由“拦沙减淤”转变为“调沙减淤”，使水库淤积和下游河道减淤和谐发展

用水库淤积来减轻下游河道的淤积，这是多泥沙河流水库建设规划的一般准则，三门峡水库的规划就是在这一理念下进行的。三门峡水库的教训和小浪底水库10年实践表明，单纯的“拦沙减淤”，水库淤积多，库容损失快，得不偿失。以水库下泄清水的情况为例，如以河道冲刷量与水库淤积量之比（河道冲刷量/水库淤积量）作为水库淤积效益，则提高水库淤积效益的途径是通过增加下游河道的冲刷量或者减少水库的淤积量来实现。1960年9月—1964年10月，三门峡的淤积效益为0.52，就是因为库区（包括黄河干支流）充分拦沙的结果。

表1 小浪底水库水沙调控对下游河道冲刷的对比

小浪底水库1999年9月—2008年10月，汛初调水调沙和汛期水库冲刷减少了库区淤积，淤积效益达0.72。2004年6月中旬—7月中旬，小浪底水库与万家寨、三门峡两库联合调度，进行了第三次调水调沙试验，后两者的来水冲刷了小浪底水库的尾部，冲起的部分细沙则以异重流排出库外，加上汛期库区的低水位冲刷，全年黄38—黄56之间冲刷达1.939亿m3，全库的淤积量仅1.17亿m3，水库的淤积效益达1.594。实践证明：在水沙调控条件下，不仅可以在下游取得较多的冲刷效果，也可以明显减少水库的库容损失，并取得较高的淤积效益，“调沙减淤”比单纯的“拦沙减淤”具有明显优势。因此应使水库淤积与下游河道减淤和谐发展。

3.水库下泄泥沙的粒径级配控制

为充分发挥下游河道输沙能力，要求通过水库下泄的流量（水量）、含沙量（沙量）及泥沙粒径级配之间有比较优化的组合。其中最为困难、至今还没有实践经验的是泥沙级配的调控。

三门峡水库水沙运用的经验值得参考。本文仅举所谓“拦粗排细”及“集中排沙”为例。

（1）水库“拦粗排细”

“拦粗排细”是指上游来沙通过水库调节之后，出库泥沙中的粗颗粒（粒径大于0.05 mm）泥沙含量百分数小于进库的粗粒径泥沙含量的百分数，而出库的细颗粒泥沙（粒径小于0.05 mm）含量百分数则大于进库的细颗粒泥沙含沙量的百分数。三门峡水库的经验表明，这种现象并不是永恒的，也不仅限于水库的异重流排沙。根据三门峡水库潼关以下库区实测资料，“拦粗排细”现象只出现在水库处于淤积状态时，当水库处于冲刷状态时则会出现“拦细排粗”，而不再是“拦粗排细”。这种现象在三门峡水库的各种运用方式中都曾出现。

（2）水库“集中排沙”

当库水位持续下降时，库区冲刷形成水库集中排沙，以1964年汛后水库冲刷最为典型。1964年来水偏丰，三门峡最高蓄水位329.90 m （史家滩站，下同）。10月下旬以后，库水位持续下降，至12月下旬降至306.16 m。水库下泄流量则由4870 m3/s减少为827 m3/s。出库含沙量由1.65 kg/m3增加为 33.5 kg/m3，最高达 84.3 kg/m3。 悬沙中值粒径则由0.008 mm增大为0.04～0.05 mm，大于0.05 mm的粗沙占50%～60%，形成所谓的“小水带大沙”“小水带粗沙”局面，导致当年11、12月下游河道分别淤积1.69亿t及0.65亿t。在小浪底水库“调沙减淤”运用中，如果调控失当，不仅可能出现“集中排沙”，在库水位波动过程中也有可能出现“拦细排粗”的不利情况，值得注意。

4.扩大下游河道的输沙能力

下游河道的输沙能力是水库水沙调控的关键，也只有扩大河道的输沙能力，才能使水沙的调控更有活力。目前，影响下游河道输沙能力的因素有两大方面：

（1）河床粗化引起的输沙能力的降低

黄河下游河道经过10多年的清水冲刷，河道边界条件发生了明显改变，其中全河断面的窄深化对于提高输沙能力是有利的，但是比降调平特别是河床粗化却削弱了河道的输沙能力。改变这种情况唯一的办法是依靠小浪底水库的水沙调控。这一点在小浪底水库排沙后期漫长的岁月里特别重要。但是如何通过小浪底水库的调控既改善河床粗化状况以提高下游河道的输沙能力，又保持河床的基本稳定，在泥沙运动力学和河床演变理论上都有进一步研究的空间。

（2）驼峰河段输沙能力的提高

东坝头—艾山河段，处于1855年铜瓦厢决口后形成的次生冲积扇顶坡上。由于历史背景和地理环境的影响，这个次生冲积扇仍在发展，顶坡不断抬高，前坡下延，现在顶点已位于孙口—艾山一带，成为下游河道的 “驼峰”河段。它上距小浪底水库400余km，下距黄河河口也有400 km。受小浪底水库下泄的有利水沙条件和河口变化引起的溯源冲刷的影响都比较小，这是扩大这一河段输沙能力的难点所在。

5.小浪底水库的高含沙调控

自1970年以来，一些治黄工作者根据高含沙水流的特点，提出小浪底水库进行高含沙水沙调控和下游河道高含沙输沙的设想，并进行了大量的研究，取得了不少有价值的成果，但从小浪底水库水沙调控决策的角度，水库和下游河道都还有一些难题需要突破。

（1）水库水沙调控

水库高含沙调控主要难点在于水库“造浓”和下泄泥沙级配的控制。所谓“造浓”，是指水库通过合理运用和适当措施，产生具有一定含沙量和一定级配组成的高浓度水流下泄。三门峡水库在20世纪60—80年代曾通过一些高含沙洪水，下泄的洪峰流量 2000～5000 m3/s，沙峰含沙量 300～500 kg/m3。粒径小于0.025 mm的细泥沙占48%，粒径在0.025～0.05 mm的中泥沙占25%，粒径大于0.05 mm的粗泥沙占27%。即使这样的高含沙洪水，在下游还是出现了严重的淤积问题。1969—1973年三门峡水库第二次改建期间，8次高含沙洪水，加上潼关以下库区冲刷的泥沙7.25亿t一起下泄，下游河道共淤积25.73亿t泥沙，成为黄河下游河道淤积最严重的时期之一。所以水库的高含沙调控比一般的水沙调控要复杂得多。小浪底水库是一个狭长的峡谷型大型水库，在这样的水库中“造浓”，国内均无先例。

（2）下游河道高含沙水流的长距离输沙

黄河下游河道通过的高含沙水流与一般挟沙水流一样都是紊流两相流，水流挟带的泥沙在沿程落淤的同时，颗粒组成有分选，导致挟带的泥沙沿程细化，这有利于山东河段的输沙。在小浪底水库实施高含沙调控之后，这些特点仍然存在，但如果把宽河段过分束窄，高含沙水流的分选作用必将削弱，大量中粗泥沙进入山东河段以后，会形成何种局面？高含沙洪水在下游河道中的输移与河道整治及对山东河段河道的影响，需要统一研究。

6.“调沙减淤”水沙调控模式的建立和调控体系的运用

小浪底水库调水调沙的本质是充分利用下游河道的输沙能力，以排泄更多的来自水库下泄的泥沙入海，既减少下游河道的淤积又减少水库淤积并延长水库寿命。汛期洪水多，所以水库的水沙调控主要是加强汛期的水沙调控。为此，除了掌握水库及河道水沙运动一般规律外，还需要水库上下游地区的气象、水文和大型工程的运行等资讯的支持，以建立包括气象、水文、干支流来水来沙、大型工程泄流排沙以及小浪底水库上游和下游河道冲淤在内的数模体系，为优化小浪底水库水沙调控模式提供有力的工具。

五、结 语

①小浪底水库运用以来，下游河道全线冲刷，过水断面扩大，形态趋于窄深，同流量下的水位降低，平滩流量增加，小浪底水库已使黄河下游河道摆脱了连年萎缩的局面，开始全面复苏。利用水库汛前为度汛需要腾空水库的水量，以人造洪峰的形式调水调沙，对下游河道复苏起到了重要作用。

②目前下游河道冲刷出现了新的情况，一是由于河床泥沙粗化，同样水量下的冲刷量逐渐减少，河道冲刷效果逐渐降低；二是水库拦沙引起的相应库容损失没有在下游河道冲刷中得到应有的回报，浪费了部分库容。

③小浪底水库是黄河干流在三门峡水库以下能得到较大库容的唯一控制性工程。中上游大中型水利水电工程对水沙变化的任何改变，都必须通过小浪底水库的调控才能对下游河道产生积极有利的作用，小浪底水库的地位不可替代。应当在下游河道减淤的基础上，尽可能减少水库淤积，延长其寿命。小浪底水库当前正进入拦沙后期，水库水沙调控的理念应适时由单纯的 “拦沙减淤”转变为 “调沙减淤”，建立新的水沙调控模式，使水库淤积与下游河道减淤和谐发展。

④小浪底水库以 “调沙减淤”为目的的水沙调控运用是一个新的问题，还存在一系列疑难问题亟待研究，以便为确立小浪底水库以“调沙减淤”为目的的水沙调控模式和水库运行方式提供科学基础。

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