基于黄河中游水库群调控的下游河道输沙能力分析

陈翠霞，刘俊秀，付 健

(1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室(筹），河南 郑州 450003）

1 研究背景

黄河素以“水少沙多、水沙关系不协调”著称,下游河道在长期排洪输沙的过程中不断淤高,形成举世闻名的地上“悬河”,严重威胁黄淮海平原的安全。利用黄河中游水库群调控水沙,减轻下游河道淤积,提高下游河道输沙能力,是保障黄河长久安澜、推动流域高质量发展的重要措施。

黄河下游河道输沙主要取决于来水来沙条件、河床边界条件等,其中来水来沙是决定因素。针对黄河下游河道输沙的研究,费祥俊［1］、曹如轩［2］认为高含沙洪水具有很强的输沙潜力,张晓华［3］提出要充分发挥大流量高含沙量水流的输沙能力,郑艳爽等［4］认为大流量以及高流速决定了下游河道具有较大的输沙能力,李小平等［5］研究提出下游高效输沙洪水可以用平均流量3 200 m3/s、平均含沙量65 kg/m3来代表。Guo等［6］根据黄河下游1960—2012 年的水沙数据,运用统计方法分析提出流量为3 000～4 000 m3/s、含沙量为20～60 kg/m3的水沙过程是黄河下游长期均衡输沙的最佳组合。基于水库群调控作用,胡春宏［7］提出黄河年均来沙8 亿～12 亿t 时现状小浪底水库运用和古贤水库投入运行后中游水库群联合运用,利津站年均输沙能力分别为4.36 亿～6.24 亿t、3.49 亿～5.07 亿t。丰青等［8］以“77·7”高含沙洪水为研究对象提出小浪底水库调度对进入下游的水沙过程有较大影响。何国桢等［9］提出为提高黄河下游河道输沙的水流功率,小浪底水库排沙期利津站与花园口站平均流量之比应大于0.85。

当前黄河水沙条件、河床边界和经济社会发展约束等发生了诸多剧烈变化,下游河道减淤运用对水库群调度提出了新的要求,黄河水沙调控体系的不断完善也对黄河下游河道输沙能力带来影响,而当前在该方面研究较少。本文计算了不同来水来沙情景下,优化现状中游水库群调控方式和古贤、东庄水库投入运行后的黄河下游河道输沙变化,以期为黄河下游河道与滩区综合治理提供技术支撑。

2 研究对象、方法和数据

2.1 研究对象

本文研究对象为黄河中游水库群及下游河道,如图1 所示。黄河中游水库群主要包括已建三门峡水库、小浪底水库,在建的东庄水库和规划建设的古贤水库。三门峡水库的开发任务是防洪、防凌、灌溉、发电、供水［10］,现状防洪运用水位335.0 m,相应库容96.4亿m3(1960 年),近年来汛期按305.0 m 水位控制,非汛期最高不超过318.0 m。小浪底水库的开发任务以防洪(防凌)、减淤为主,兼顾供水、灌溉、发电［10］,总库容126.5 亿m3,其中拦沙库容75.5 亿m3,调水调沙库容10 亿m3,截至2022 年4 月水库累计淤积泥沙33.9亿m3。在建的泾河东庄水库坝址断面实测年均悬移质输沙量2.37 亿t,约占渭河来沙量的70%、黄河来沙量的1/6；开发任务以防洪减淤为主,兼顾供水、发电及改善生态等综合利用［11］,预估2027 年发挥作用；设计总库容32.76 亿m3,其中拦沙库容20.53 亿m3,调水调沙库容3.27 亿m3。规划建设的古贤水库开发任务以防洪减淤、调水调沙为主,兼顾供水、灌溉和发电等综合利用；设计总库容130.59 亿m3,其中设计拦沙库容93.42 亿m3,调水调沙库容20 亿m3；根据水利部审查通过的《黄河古贤水利枢纽工程可行性研究报告》,古贤水库2035 年建成投入运行。

图1 研究对象示意

黄河干流自小浪底大坝以下至渤海口,河长881 km。黄河水少沙多、水沙关系不协调,黄河下游河道泥沙淤积严重,是黄河治理的重中之重。小浪底水库运用后,下游河道实现了全线冲刷,截至2022 年4 月河道累计冲刷泥沙33 亿t,河床平均冲刷下切2.6 m。

2.2 研究方法

一维水动力学数学模型是模拟水库群和河道水沙演进及冲淤演变常用的方法。本研究中黄河中游水库群和下游河道泥沙冲淤计算采用文献［12］提出的数学模型,该模型集成了黄河中游已建、在建和规划建设的骨干水库,其中古贤水库模拟范围为碛口坝下至古贤坝址,三门峡水库模拟范围为干流龙门至三门峡坝前、渭河华县以下及其支流北洛河、汾河(按点源考虑),小浪底水库模拟范围为三门峡坝下至小浪底坝前,支流东庄水库模拟范围为水库库区,黄河下游河道模拟范围为铁谢至入海口(支流伊洛河、沁河按点源考虑)。模型已经经过三门峡水库、小浪底水库、小北干流、下游河道实测资料验证［12］,计算值误差在15%以内。

2.3 研究数据

黄河未来水沙量变化与自然气候因素和流域水利工程建设、水土保持生态建设、经济社会发展等人类活动密切相关［13］,当前对未来黄河输沙量的认识范围一般为3 亿～8 亿t,具体数字尚有分歧［14］。本文采用黄河中游4 站(干流龙门站、支流渭河华县站、支流汾河河津站、支流北洛河头站)合计多年平均来沙8 亿、6 亿、3 亿t 共3 种来沙情景方案,分析黄河下游河道输沙能力对水库群调控的响应。模型计算起始河道边界条件为2022 年4 月。

1957—2010 年基本系列4 站水沙量差积曲线,如图2 所示。54 a 基本系列中,4 站水量前13 a 处于连续偏丰时段,14～19 a 处于连续偏枯时段,20～35 a 处于连续平偏丰时段,36～54 a 处于连续偏枯时段；沙量前15 a 处于连续偏丰时段,16～41 a 处于连续平偏枯时段,42～54 a 处于连续偏枯时段。水沙量均有明显的丰枯变化。8 亿t 情景、6 亿t 情景设计水沙系列选取时从系列尽可能连续的角度出发,选取了1959—2008年设计水沙系列循环1 次(共100 a)；3 亿t 情景设计水沙系列采用2000—2013 年系列连续循环(4 站实测年均沙量为3.0 亿t)。不同来沙情景年均水沙量见表1。

表1 黄河中游不同来沙情景方案径流量、输沙量特征值

图2 1956—2010 基本系列4 站水沙量差积曲线

3 结果与分析

3.1 计算方案

根据水流挟沙能力公式［15］,水流挟沙力与流速的高次方成正比。根据水力学原理可知,水流流速随着流量的增大而增大,其规律可以由黄河下游发生洪水的典型年份花园口站、利津站的实测流量与流速的关系得到验证,如图3 所示。流量越大流速越大,相应的水流挟沙能力越强。因此,增加下游河道输沙能力,需要中游水库群联合调控泄放较大流量的水流过程。这一方面需要优化现状水库群运用方式,另一方面需要完善水沙调控体系,提高现状水库群调控后续动力［16］。此外,水库泄放高含沙水流过程将导致下游河道泥沙淤积［17］,因此水库调控方式优化时应考虑下游河道冲淤状态。基于此,兼顾水库及河道减淤、提高河道输沙能力,在现状水库群调控基础上,增加优化现状水库群调控(简称“现状优化调控”)、古贤和东庄水库投入运行后水库群联合调控(简称“古贤、东庄运行后优化调控”)两种方案进行论证。

图3 典型年份实测流量与流速的关系

(1)现状方案。现状中游水库群泄放较大流量的水流过程主要在汛前、汛期调水调沙期间,该任务主要由小浪底水库承担。干流三门峡水库已冲淤平衡,汛期不超过305 m 水位运用(2022 年汛前305 m 以下库容仅0.78 亿m3)。支流陆浑、故县、河口村水库配合进行实时空间尺度的水沙联合调度,实现水沙过程在花园口的对接,改善进入下游的水沙关系。水库群调控指标见表2。三门峡、黑石关、武陟流量之和大于4 000 m3/s时,小浪底水库进行防洪调度。三门峡、黑石关、武陟流量之和小于等于4 000 m3/s 时,小浪底水库根据蓄水和河道来水情况,进行蓄满造峰调度、凑泄造峰调度、高含沙调度和降水冲刷调度:①蓄满造峰调度。水库蓄水加河道来水量大于13 亿m3时,水库泄放花园口站流量在3 700 m3/s 以上至少5 d 的大流量过程。②凑泄造峰调度。当水库可调水量大于6 亿m3且潼关和三门峡平均流量大于2 600 m3/s 时,水库相机凑泄花园口流量在3 700 m3/s 以上至少5 d 的大流量过程。③高含沙调度。当水库可调水量小于6 亿m3且预报入库流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于200 kg/m3时,水库提前2 d 预泄或蓄水至3 亿m3后按进出库平衡运用。④降水冲刷调度。水库淤积量达到42 亿m3进入拦沙后期第二阶段,当潼关和三门峡平均流量大于2 600 m3/s时,水库提前2 d 泄放花园口流量为4 000 m3/s 的流量过程,直到入库流量小于2 600 m3/s。

表2 小浪底水库拦沙期汛期调控指标

(2)现状优化调控方案。最小平滩流量是评价河道行洪输沙能力的主要指标［12］,根据相关研究,黄河下游河道适宜的平滩流量规模为4 000 m3/s 左右［18］。当下游河道主槽最小平滩流量在4 500 m3/s 以上时,河道允许一定程度的泥沙淤积,此时可对小浪底水库调度进行优化,增加泄放大流量水流过程,增大水库排沙几率,提高下游河道输沙能力,同时还可实现水库减淤。与现状方案相比,水库调控优化主要体现在凑泄造峰调度、高含沙调度和降水冲刷调度:①凑泄造峰调度启动条件。由现状方案的水库可调水量大于等于6 亿m3调整为可调水量大于等于5 亿m3。②高含沙调度启动条件。由现状方案的预报入库流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于200 kg/m3,调整为预报入库流量大于等于2 600 m3/s、含沙量大于等于60 kg/m3,水库提前蓄水量由3 亿m3调整为2 亿m3。③降水冲刷调度启动条件。不再限制于拦沙后期第二阶段,即当前拦沙后期第一阶段遇合适条件也进行降水冲刷。当下游河道平滩流量规模在适宜的规模即4 000 m3/s左右时,小浪底水库调控优化主要体现在高含沙调度上。当下游河道主槽萎缩、最小平滩流量降至3 500 m3/s 以下时,水库拦截易造成下游河道淤积的入库高含沙洪水过程,以恢复下游河道中水河槽规模。优化调控指标见表2。

(3)古贤、东庄运行后优化调控方案。在现状优化调控方案基础上,考虑古贤、东庄水库投入运行后与现状水库群联合调控,增加进入下游河道的大流量过程。古贤水库与小浪底水库联合调水调沙运用,冲刷恢复小浪底水库部分槽库容,降低潼关高程,协调黄河下游水沙关系,较长时期维持黄河下游中水河槽规模,提高下游河道行洪输沙能力［19］。东庄水库调控泾河洪水泥沙,拦蓄高含沙小洪水,泄放高含沙大洪水,结合渭河来水塑造一定历时的较大流量洪水,减轻渭河下游河道淤积；相机配合干流骨干水库群调水调沙,补充小浪底水库调水调沙后续动力。

3.2 计算结果

利用一维水动力学数学模型开展计算,分析了现状优化调控方案和古贤、东庄运行后优化调控方案下游河道输沙能力变化情况。

(1)现状优化调控后下游河道输沙能力变化。黄河年均来沙8 亿t 情景,数学模型计算结果表明:现状方案,小浪底水库2035 年设计拦沙库容淤满,计算期50 a 内下游河道年均淤积1.63 亿t；小浪底水库拦沙期内,利津站年均输沙量为4.85 亿t；水库拦沙库容淤满进入正常运用期后,进入下游河道的沙量增加,利津站年均输沙量为5.50 亿t。现状优化调控方案,水库增加了高含沙洪水调度次数,增加了泄放流量大于2 600 m3/s的水流过程,小浪底水库2039 年设计拦沙库容淤满,较现状方案延长了4 a,计算期50 a 内下游河道年均淤积量减少为1.50 亿t；小浪底水库拦沙期内利津站年均输沙量为5.34 亿t,与现状方案相比提高了0.49亿t,仍有10%的提高潜力；小浪底水库正常运用期内,利津站年均输沙量与现状方案差别不大,见表3。

表3 现状水库群优化调控作用下的下游河道年均输沙量

黄河年均来沙6 亿t 情景,现状方案,小浪底水库2042 年设计拦沙库容淤满,计算期50 a 内下游河道年均淤积0.87 亿t；小浪底水库拦沙期内利津站年均输沙量为3.69 亿t,正常运用期进入下游河道的沙量增加,利津站年均输沙量为4.35 亿t。现状优化调控方案,小浪底水库2048 年设计拦沙库容淤满,较现状方案延长了6 a,计算期50 a 内下游河道年均淤积量减少为0.73 亿t；小浪底水库拦沙期内利津站年均输沙量为4.11 亿t,与现状方案相比提高了0.42 亿t,仍有11%的提高潜力；小浪底水库正常运用期内,利津站年均输沙量与现状方案差别不大。

黄河年均来沙3 亿t 情景,现状方案,小浪底水库2065 年设计拦沙库容淤满,计算期50 a 内下游河道处于冲刷状态；小浪底水库拦沙期内利津站年均输沙量为1.98 亿t,正常运用期进入下游河道的沙量增加,利津站年均输沙量为2.38 亿t。现状优化调控方案,小浪底水库2074 年设计拦沙库容淤满,较现状方案延长了9 a,小浪底水库拦沙期内利津站年均输沙量为2.22 亿t,与现状方案相比提高了0.24 亿t,仍有12%的提高潜力；小浪底水库正常运用期内,利津站年均输沙量与现状方案差别不大。

(2)古贤、东庄运行后优化调控对下游河道输沙能力的影响。古贤、东庄水库投入运行后,水库拦沙期内进入下游河道的沙量和输沙入海量减少。对比分析古贤、东庄水库均进入正常运用期后水库群调控对下游河道输沙能力的影响,结果见表4。古贤、东庄水库投入运行后,中游水库群联合调控改善了进入下游河道的水沙关系,黄河年均来沙8 亿、6 亿、3 亿t 情景下,进入下游河道的大流量水流过程相应水量均增加,利津站年均输沙量分别为6.13 亿、4.88 亿、2.75 亿t,与现状优化调控方案相比,提高了11%～12%。

表4 古贤、东庄水库投入运行后下游河道输沙量变化（中游水库群均进入正常运用期）

4 结论

(1)黄河下游河道输沙能力的大小主要取决于来水来沙条件。近年来黄河天然来水量及利于输沙的大流量过程减少,提高下游河道输沙效率需要水库泄放较大含沙量的水流过程。在维持稳定的下游河道中水河槽规模前提下,优化现状水库群调控方式,增加水库凑泄造峰次数和高含沙洪水调度频次,可实现水库和下游河道减淤,提高河道输沙能力。黄河年均来沙8 亿、6 亿、3 亿t 情景下,现状水库群调控方式优化后,小浪底水库拦沙年限可分别延长4、6、9 a,利津站年均输沙量可由现状的4.85 亿、3.69 亿、1.98 亿t 提高为5.34 亿、4.11 亿、2.22 亿t,输沙能力提高10%～12%。

(2)古贤、东庄水库投入运行后,中游水库群联合调控可改善进入下游河道的水沙关系,进入下游河道的沙量减少,有利于输沙的大流量水流过程增加,黄河年均来沙8 亿、6 亿、3 亿t 情景下,利津站输沙量分别为6.13 亿、4.88 亿、2.75 亿t,相比现状优化调控方案,进一步提高了11%～12%。应尽快建设古贤水利枢纽工程,完善水沙调控体系,提高河道输沙能力,长期维持下游河道中水河槽规模。