考虑黄河水沙丰枯变化的小浪底水库调水调沙优化研究.pdf

收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；河南省青年人才托举工程项目（）；黄委优秀人才科技项目（）作者简介：高兴（），男，河南新乡人，工程师，主要从事泥沙研究工作 通信作者：朱呈浩（），男，河南长葛人，工程师，主要从事泥沙研究工作：【水文泥沙】考虑黄河水沙丰枯变化的小浪底水库调水调沙优化研究高 兴，朱呈浩，陈翠霞，鲁 俊，赵 翔，（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州；水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州）摘 要：新时期黄河水沙情势巨变，水库及河道边界条件也发生重大调整，小浪底水库调水调沙需要进一步创新和优化，以便持续发挥其效益。在黄河中游潼关站实测百年水沙系列分析的基础上，提出来水量较多年平均值偏多、偏少 作为丰水年、枯水年的判别标准。对小浪底水库排沙和下游河道输沙规律的分析表明：丰水年具有冲刷能力强和输沙潜力大的优势，水库可多排沙；枯水年具有冲刷能力弱和输沙潜力小的劣势，水库可少排沙。进一步提出考虑黄河来水来沙丰、平、枯变化的小浪底水库调水调沙优化运用方式，采用 年以来实测水沙系列，分析优化运用方式在当前水沙情势下的适用性。结果表明：优化运用方式可在不淤积下游河道的基础上延长水库拦沙年限 ，减少水库淤积量 亿，提高水库多年平均日蓄水量 亿。关键词：调水调沙；水沙丰枯变化；黄河下游河道；小浪底水库中图分类号：；文献标志码：引用格式：高兴，朱呈浩，陈翠霞，等考虑黄河水沙丰枯变化的小浪底水库调水调沙优化研究人民黄河，（）：，（，；，（），）：，：；引言黄河水少沙多、水沙关系不协调的自然特性，使得下游河道不断淤积抬高，成为举世闻名的地上“悬河”，严重威胁黄淮海平原社会稳定和生态安全。长期治黄实践表明，建设大型骨干水利枢纽工程拦沙和调水调沙，是保障黄河长治久安的重要举措。年以来，以小浪底水库调度为主，黄河水利委员会连续 余 组织开展黄河调水调沙，对于减轻下游河道淤积、保障河床长期不抬高发挥了重要作用。但进入 世纪以来，黄河水沙情势巨变，水库及河道边界条件经多年调水调沙也发生重大调整。第 卷第 期 人 民 黄 河 ，年 月 ，在变化条件下，小浪底水库调水调沙出现了三大突出问题，制约了调水调沙作用的进一步发挥。这三大问题一是现状中游水库群调节库容小，为调水调沙补充的后续动力不足；二是汛前调水调沙的前期清水下泄，水流冲刷效率大幅降低；三是调水调沙结束后若来水偏枯，水库回蓄困难，水资源利用效益难以保障。鉴于上述问题的出现，当前对小浪底水库调水调沙进行创新和优化十分必要。陈建国等根据三门峡水库运用经验，提出小浪底水库在拦沙后期应该采用“调沙减淤”的运用理念，即充分利用大流量输沙能力强的特点，根据上游来水相机调水调沙加大下泄流量和排沙力度，把大量泥沙输送入海，同时减少水库和下游河道淤积。张金良等提出多沙河流水库采用“蓄清调浑”的运用方式，充分考虑来水来沙过程中场次洪水和年际间丰、平、枯变化，通过“拦、调、排”全方位协同调控，可以更好地发挥水库综合利用效益。“调沙减淤”和“蓄清调浑”的思想，都为新时期小浪底水库调水调沙优化提供了指导依据。陈翠霞等根据当前下游河道已经形成适宜的中水河槽规模，河道冲刷效率下降的背景，提出小浪底水库可适当多排沙，尽量延长水库拦沙寿命的运用方式。上述研究成果也为小浪底水库调水调沙优化提供了实践指导。但值得注意的是，泥沙工作者往往更注重水库排沙减淤的作用，而忽视了水资源利用的需求。事实上，水库降水排沙和蓄水兴利一直是一个相互博弈的矛盾。特别是对于黄河这种泥沙量大、水资源匮乏的河流，该矛盾更需要得到有效的协调。除此之外，还需要指出的是，黄河是一条来水来沙年际变化很大的河流，而以往研究较少考虑年际间水沙丰枯变化的特点，调水调沙运用方式是以年为尺度制定的。以一个黄河来水来沙年际间丰、平、枯变化的尺度，优化小浪底水库调水调沙运用方式，将年内的调水调沙创新为年际的调水调沙，不仅更加符合黄河的自然特性，而且可更加灵活地应对年际间不同的来水来沙条件。本研究在分析黄河水沙丰枯变化特点、小浪底水库排沙规律以及下游河道输沙规律的基础上，提出考虑黄河来水来沙丰、平、枯变化的小浪底水库调水调沙优化运用方式，选取 年以来实测水沙系列，采用数学模型计算优化运用方式和现状运用方式在水库排沙减淤和水资源利用方面的差异，以期为新时期黄河调水调沙创新发展和调度实践提供科学支撑。研究区域、数据及方法 研究区域以黄河中下游潼关以下河段作为研究区域（见图），重点研究小浪底水库和黄河下游河道。小浪底水库位于黄河中游最后一个峡谷段的出口，上距三门峡水库坝址 ，下距花园口水文站 ，控制流域面积 万，是黄河干流的关键控制性骨干工程。截至 年 月小浪底水库淤积泥沙 亿，占设计拦沙库容的，处于拦沙后期第一阶段。黄河干流在郑州桃花峪进入下游，经黄淮海平原，于山东省东营市垦利区注入渤海。下游干流河道全长 ，流域面积 万。黄河水少沙多、水沙关系不协调，导致进入黄河下游的大量泥沙淤积在下游河道内。小浪底水库运用前，下游河床每年抬高 ，现行河床一般高出背河地面 ，最高 以上，形成举世闻名的地上“悬河”，除东平湖至济南河段右岸外，洪水全靠两岸堤防约束。小浪底水库运用以来，经水库拦沙和调水调沙，下游河道最小平滩流量恢复至 。图 研究区域 研究数据采用黄河中下游各水文站水沙资料作为本次研究数据，包括流量、含沙量、输沙率、水位、径流量、输沙量等。除此之外，黄河水利委员会水文局每年对小浪底库区、黄河下游河道进行大断面测量，整编了库区冲淤与库容变化、河道冲淤等资料，为本次研究提供了基础数据。研究方法采用黄河勘测规划设计研究院有限公司研发的 河流数值模拟系统一维模型进行水库及下游河道冲淤计算，该模型根据 年以来小浪底水库冲淤资料和 年以来黄河下游冲淤资料进行了率定和验证，计算值与实测值误差在 以内，符合模型计算精度要求。目前该模型已经广泛应用于黄河流域各类规划、工程论证以及水库运用方式研究中，。人 民 黄 河 年第 期 调水调沙优化的可行性 黄河水沙丰枯变化特点黄河来水来沙具有显著的丰枯变化特点。对黄河中游潼关站 年实测百年水沙系列进行分析，年径流量最大值为 亿（年），是最小值 亿（年）的 倍；年输沙量最大值为 亿（年），是最小值 亿（年）的 倍。即使是 年以来的实测水沙系列，也具有明显的丰枯变化特点，年径流量最大值为 亿（年），是最小值 亿 的 倍；年输沙量最大值为 亿（年），是最小值 亿 的 倍。潼关站逐年水沙量变化情况见图。图 潼关站 年水沙量变化情况根据潼关站实测水沙数据过程线，可以发现 年以前黄河来水来沙具有较高的一致性，即来水偏丰的年份来沙也偏丰，来水偏枯的年份来沙也偏枯；年以后，受水保措施影响，黄河来沙较少，总体波动也较小。除此之外，中长期水文预报为来水量预测提供了基础，而来沙量预测仍有较大的不确定性。因此，考虑到前期来水来沙的一致性和近期来沙的相对稳定性，以及水库实际调度的可参考性，本研究以来水量作为黄河来水来沙丰、平、枯判别的标准。进一步分析发现，潼关站 年多年来水量均值 亿，较均值偏多 的年份有 ，占全部年份的 左右，较均值偏少的年份也有，同样占全部年份的 左右，相当于水工设计频率分析中 为丰水年、为枯水年的概念。基于此，本研究提出年来水量比多年平均值偏多 作为丰水年、偏少作为枯水年的判别标准。小浪底水库排沙规律分析近年来，在黄河水沙情势多变的背景下，小浪底水库排沙调度方式较为多样，为本次分析水库排沙规律提供了基础。年为连续丰水年，小浪底水库采用“一高一低”的调度模式，充分利用大流量过程冲刷库区，取得了较好的排沙效果；年，结合汛前腾库迎汛和汛期泾渭河高含沙洪水，分别开展了两次汛前调水调沙和一次汛期调水调沙，具体情况见表。表 年小浪底水库调水调沙相关特征值年份调水调沙时段最低排沙水位 入库水量 亿 出库水量 亿 入库沙量 亿 出库沙量 亿 排沙比 根据近 小浪底水库调水调沙开展情况，可以发现在 年丰水年，由于没有后期回蓄不足的顾虑，因此在小浪底水库采取了积极的排沙调度，不仅排沙水位低，而且排沙历时长，再加上调水调沙期间入库水量多、流量大、冲刷效率高，取得了良好的排沙效果，次调水调沙分别排出了 亿、亿、亿 的泥沙；而在 年和 年的汛前调水调沙中，虽然在水库调度上追求了尽可能多排沙的目标，但受限于来水偏枯，仅能依靠中游水库群蓄水补充后续动力，水库排沙效果相对较差，两次调水调沙仅排出了 亿 和 亿 的泥沙；在 年汛期调水调沙中，来水偏枯导致水库排沙动力不足的问题更加明显，此次调水调沙有后期蓄水不足的顾虑，排沙水位没有降至太低，再加上汛期中游水库群无法补充后续动力，因此水库排沙比仅为。近期小浪底水库排沙规律的分析成果证明了小浪底水库调水调沙在水库排沙方面优化的可行性，即在考虑黄河水沙丰枯变化的前提下，丰水年不仅能充分利用水流冲刷能力强的优势，尽可能将更多的泥沙冲刷出库，而且后期还有足够的余地回蓄水量；枯水年则尽量考虑到水流冲刷能力弱的劣势少排沙，尽可能保障后期用水安全。下游河道输沙规律分析实测资料表明，黄河下游河道具有“多来多排多淤”和“少来少排少淤”的特点，利津站输沙入海量与进入下游河道的水量和沙量（小浪底、黑石关、武陟 站之和）具有明显的相关关系。统计 年进入下游河道的水量和沙量以及输沙入海量，进行线性回归分析，得到关系式如下：人 民 黄 河 年第 期 （）式中：为利津站输沙入海量，为进入下游河道的水量，为进入下游河道的沙量。上述关系式的拟合优度 ，标准误差 亿，表明由该关系式计算得到的输沙入海量与实测值吻合度较高，结果见图。图 利津站输沙入海量实测值与计算值对比根据该关系式，可以得出进入下游河道的水量和沙量越大，输沙入海量就越大的规律，反之则相反。在一个确定的来水量下，由该关系式可以反算出刚好使得下游河道冲淤平衡的输沙阈值（考虑引水引沙的情况下来沙量等于输沙入海量加引沙量）。若参照 年以来径流系列，假定未来一定时期内进入黄河下游的年均水量为 亿，则可推算出维持下游河道冲淤平衡的输沙阈值为 亿。但此时就出现了一个问题，即采用平均概念计算出来的输沙阈值是不合理的，它无法反映黄河水沙年际变化大的特点。举例说明，年、年、年进入下游的水量分别为 亿、亿、亿，平均水量为 亿，但仅 年一年，由上述关系式计算得到的输沙阈值为 亿，比按照年均水量计算得到的 总输沙量亿 还多。根据上述例子，可以说明在理想情况下，的丰水年可以排走 的来沙量，而该问题产生的主要原因是，由平均水量计算出的输沙阈值弱化了丰水年的输沙潜力，导致计算结果偏低。下游河道输沙规律的分析成果证明了小浪底水库调水调沙在下游河道输沙方面优化的可行性，即在考虑黄河水沙丰枯变化的前提下，丰水年可以充分利用水流输沙潜力大的优势，尽可能将更多的泥沙输送入海；枯水年则尽量考虑到水流输沙潜力小的劣势，避免水库排出的泥沙因输沙动力不足淤积在下游河道。调水调沙优化运用方式根据前文关于黄河水沙丰枯变化特点、小浪底水库排沙规律、下游河道输沙规律的研究成果，可以形成以下认识：黄河来水来沙具有丰、平、枯变化的特点，丰水年可充分利用水量多、流量大的优势，尽可能追求水库多排沙、下游河道多输沙的目标；枯水年则应尽量考虑到水量少、流量小的劣势，谨慎开展水库排沙调度，避免出现排出的泥沙淤积在下游河道以及水库后期蓄水不足的问题。基于上述认识，提出考虑黄河水沙丰枯变化的小浪底水库调水调沙优化运用方式，以期在一个来水来沙丰、平、枯变化的长周期内实现水库排沙减淤、水资源利用综合效益的最大化。优化后的调水调沙运用方式说明见表（表中平水年运用方式即为现状运用方式），在综合考虑小浪底水利枢纽拦沙后期（第一阶段）运用调度规程和年度调水调沙预案的基础上形成。本次优化主要体现在以下两个方面：一是在丰水年加强了排沙调度，高含沙调节水库预留水量由 亿 减小为 亿，降水冲刷由拦沙后期第二阶段拓展至第一阶段，水库预留水量由 亿 改为不预留；二是在枯水年加强了兴利调度，以尽可能保障水资源利用效益，取消了水库泄放大流量过程的排沙调度方式，仅在高含沙调节期间保持进出库平衡运用。表 小浪底水库调水调沙优化运用方式说明类型时段启动条件丰水年（加强排沙）平水年（维持现状）枯水年（加强兴利）调度指令丰水年（加强排沙）平水年（维持现状）枯水年（加强兴利）汛前蓄满造峰 兴利调度未开展调水调沙汛期蓄满造峰凑泄造峰高含沙调节降水冲刷（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）注：表示与现状运用方式一致；表示取消该调度方式；、分别为水库汛前可调水量（汛限水位 以上）、汛期可调水量（起调水位 以上）、预留水量（起调水位 以上），亿；、分别为入库、出库、潼关、三门峡、花园口流量，；为入库含沙量，；为历时，；、分别表示拦沙后期第一阶段和第二阶段。计算方案与结果分析 计算方案近期黄河实测水沙量发生了较大变化。考虑到黄河水沙变化的复杂性，以及本次调水调沙优化运用方式在当前水沙情势下的适用性，本研究不再对未来黄河水沙变化趋势进行预测，仅以小浪底水库运用以来的 年实测水沙系列循环 次组成 的计算水沙系列，水沙特征值见表。该系列潼关站年均水量为 亿、年均沙量为 亿、平均含沙量为 。潼关站水沙过程经三门峡水库冲淤计算后，作为小浪底水库入库水沙条件，再经小浪底人 民 黄 河 年第 期水库冲淤计算后，附加黑石关、武陟站水沙过程，作为进入黄河下游的水沙条件。小浪底水库及下游河道计算边界条件选用 年汛前地形。表 计算水沙系列特征值水文站水量 亿 汛期全年沙量 亿 汛期全年含沙量（）汛期全年潼关黑石关武陟合计 计算结果根据现状和优化后的小浪底水库调水调沙运用方式，采用构建的一维水沙数学模型，分别对系列年小浪底水库累计淤积量、下游河道累计冲淤量以及最小平滩流量变化过程进行计算，结果如图 图 所示。统计系列年和典型年小浪底水库日均蓄水量数据，结果见表。图 小浪底水库累计淤积量变化过程图 下游河道累计冲淤量变化过程图 下游河道最小平滩流量变化过程表 系列年及典型年小浪底水库日均蓄水量类别日均蓄水量 亿 现状方案优化方案差值 亿 提高率 系列年枯水年典型年（年）对于小浪底水库淤积过程，现状运用方式下小浪底水库进入正常运用期的年限为，优化运用方式下为 ，优化运用方式可以提高水库拦沙年限 ；现状运用方式下系列年末小浪底水库累计淤积 亿，优化运用方式下为 亿，优化运用方式可以减少水库淤积量 亿，相当于年均减少水库淤积量 亿。对于下游河道冲淤过程，现状运用方式下系列年末下游河道累计冲刷 亿，优化运用方式下为 亿，优化方案可以提高下游河道冲刷量 亿；现状运用方式下系列年末下游河道最小平滩流量为 ，优化运用方式下为 ，两者相差不大。对于小浪底水库蓄水量变化过程，现状运用方式下全系列年内小浪底水库多年平均日蓄水量 亿，优化运用方式下为 亿，优化运用方式可以提高蓄水量 亿；现状运用方式下全部枯水年内小浪底水库多年平均日蓄水量 亿，优化运用方式下为 亿，优化运用方式可以提高蓄水量 亿。进一步以 年典型枯水年为例，全年潼关 来 水 量 亿，相 较 于 系 列 年 均 值 亿 偏少，现状运用方式下小浪底水库全年日 均 蓄 水 量 亿，优 化 运 用 方 式 下 为 亿，优化运用方式可以提高蓄水量 亿。结果分析根据上述系列年计算结果可以发现，相较于现状运用方式，优化运用方式下小浪底水库淤积量更少、蓄水量更多，同时下游河道冲淤量和最小平滩流量变化不大，即优化运用方式可以在不淤积下游河道的基础上提高小浪底水库的排沙减淤和水资源利用效益。产生该结果的原因是在丰水年通过加强排沙调度，充分利用大流量过程冲刷效率高、输沙能力强的优势，尽可能发挥了现状水库的排沙潜力和现行中水河槽的输沙潜力，例如 连续 丰水年，水库排沙量较现状运用方式分别增多 亿、亿、亿；同时在枯水年，通过加强兴利调度，尽量规避了小流量过程冲刷效率低、输沙能力弱的劣势，尽可能提高了水资源利用效益，例如 连续 枯水年，水库全年日均蓄水量较现状运用方式分别提高 亿、人 民 黄 河 年第 期 亿、亿。需要进一步说明的是，虽然枯水年水库蓄水位维持较高，增加了当年水库淤积量，但这样做既避免了水库排沙后因水流输沙能力不足而导致下游河道淤积的问题，又为丰水年水库排沙积累了沙源，因此长期来看是有利的。结论）黄河来水来沙具有显著的丰枯变化特点，年来水量比多年平均值偏多、偏少 可以分别作为丰水年和枯水年的判别标准。）小浪底水库调水调沙在水库排沙和下游河道输沙方面具有优化的可行性，丰水年不仅能充分利用水流冲刷能力强和输沙潜力大的优势，尽可能将更多的泥沙冲刷出库和输送入海，而且后期还有足够的余地回蓄水量；枯水年则尽量考虑到水流冲刷能力弱和输沙潜力小的劣势少排沙，避免水库排出的泥沙淤积在下游河道，同时尽可能保障后期用水安全。）考虑黄河水沙丰枯变化的小浪底水库调水调沙运用方式可以提高水库排沙减淤和水资源利用效益，年以来实测水沙情势下，水库可在不淤积下游河道的基础上延长拦沙年限 ，减少淤积量 亿，提高多年平均日蓄水量 亿。参考文献：胡春宏黄河水沙变化与治理方略研究水力发电学报，（）：张红武黄河流域保护和发展存在的问题与对策人民黄河，（）：，夏军，刘柏君，程丹东黄河水安全与流域高质量发展思路探讨人民黄河，（）：李国英黄河调水调沙人民黄河，（）：，李国英基于水库群联合调度和人工扰动的黄河调水调沙水利学报，（）：江恩慧，王远见，李军华，等黄河水库群泥沙动态调控关键技术研究与展望人民黄河，（）：高兴，朱呈浩，刘俊秀，等新时期黄河调水调沙思考与建议人民黄河，（）：姚文艺，高亚军，安催花，等百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析水利水电科技进展，（）：刘晓燕关于黄河水沙形势及对策的思考人民黄河，（）：夏军强，李洁，张诗媛小浪底水库运用后黄河下游河床调整规律人民黄河，（）：陈翠霞，安催花，罗秋实，等黄河水沙调控现状与效果泥沙研究，（）：张金良，鲁俊，韦诗涛，等小浪底水库调水调沙后续动力不足原因和对策人民黄河，（）：陈建国，周文浩，韩闪闪黄河小浪底水库拦沙后期运用方式的思考与建议水利学报，（）：张金良，胡春宏，刘继祥多沙河流水库“蓄清调浑”运用方式及其设计技术水利学报，（）：陈翠霞，卢嘉琪，吴默溪，等基于下游河道中水河槽维持的小浪底水库运用方式研究人民黄河，（）：，：王欣，唐凤珍，李想，等基于博弈论的汛期小浪底西霞院下游河道水沙资源优化分配研究人民黄河，（）：，张金良，罗秋实，陈翠霞，等黄河中下游水库群河道水沙联合动态调控水科学进展，（）：安催花，鲁俊，吴默溪，等黄河下游河道平衡输沙的沙量阈值研究水利学报，（）：【责任编辑 张 帅】（上接第 页）徐鹏杰，杨宏力，韦倩我国共同富裕的影响因素研究：基于现代产业体系与消费的视角经济体制改革，（）：赵涛，张智，梁上坤数字经济、创业活跃度与高质量发展：来自中国城市的经验证据管理世界，（）：任保平，巩羽浩黄河流域城镇化与高质量发展的耦合研究经济问题，（）：陈诗一，陈登科雾霾污染、政府治理与经济高质量发展经济研究，（）：黄群慧，余泳泽，张松林互联网发展与制造业生产率提升：内在机制与中国经验中国工业经济，（）：，（）：王春杨，兰宗敏，张超，等高铁建设、人力资本迁移与区域创新中国工业经济，（）：，（）：，（）：【责任编辑 张智民】人 民 黄 河 年第 期