黄河下游高效输沙洪水调控指标研究

申冠卿，张原锋，张 敏

（黄河水利科学研究院，河南郑州450003）

黄河水少沙多、水沙搭配不适是河床淤积抬升的根本原因,河床淤积、河道排洪能力降低导致黄河下游堤防决口、河流改道和洪水泛滥。新中国成立以来,为解决黄河下游泥沙淤积与洪水灾害问题,持续开展流域综合治理并取得了很大成绩,但黄河水沙关系非常复杂、来水来沙有很大的不确定性,黄河来沙量不会持续显著减少,即使来沙量有所减少,河道淤积也不可避免,水资源的空间优化分配受到河道输沙需水量的制约。研究表明［1-5］：含沙量越低,泥沙淤积比就越小、单位输沙水量就越大；反之,含沙量越高,泥沙淤积比就越大、单位输沙水量就越小。随着工农业生产的发展,黄河水资源供需矛盾越来越突出,在黄河水资源日趋紧缺的背景下,通过水库调度,塑造高效输沙洪水,用尽可能少的水量输送更多的泥沙,对下游河道减淤、维持良好的生态环境、确保黄河长治久安具有重要的意义。为此,本研究提出黄河下游河道高效输沙洪水的水沙优化指标,以期为黄河干支流水库群调水调沙提供技术支撑。

1 黄河下游高效输沙洪水的涵义

依据1965—1999年黄河下游场次洪水资料,去除大漫滩洪水和沿程水量极不平衡的洪水,筛选出135场洪水,点绘黄河下游场次洪水泥沙淤积比、单位输沙水量与洪水期平均含沙量的关系（见图1),可以看出,含沙量越大,泥沙淤积比就越大而单位输沙水量则越小。根据洪水期泥沙淤积比、单位输沙水量随含沙量的变化情况,将图1大致分为3个区域：Ⅰ区,含沙量相对较小,洪水期平均含沙量小于40 kg/m3,这类洪水的泥沙淤积比虽较小,但单位输沙水量较大,不利于节水；Ⅲ区,含沙量相对较高,这类洪水一般为高含沙洪水,平均含沙量一般大于110 kg/m3,单位输沙水量很小,平均为12 m3/t,这类洪水虽然单位输沙水量很小,但河道淤积最为严重,不利于河道排沙；Ⅱ区,单位输沙水量和河道淤积程度介于Ⅰ区与Ⅲ区之间,兼顾了河道少淤、单位输沙水量相对较小,因此初步把该区定为高效输沙区,平均含沙量为40～110 kg/m3。

图1 黄河下游洪水期泥沙淤积比、单位输沙水量与含沙量的关系

由图1可以看出,在高效输沙区的洪水,即使含沙量一定,泥沙淤积比和单位输沙水量变幅也较大。进一步分析发现,当含沙量一定时,河道输沙效率与流量大小有关,一般表现为流量越大泥沙淤积比就越小,且单位输沙水量也相对较小,也就是说当来沙量和河道淤积程度一定时,大流量输沙效率高,可以节省输沙水量,故高效输沙洪水流量大小可由河道平滩流量而定。

基于上述分析,在此对高效输沙洪水定义如下：在一定的河道边界和来水来沙条件下,以尽可能少的水量最大限度地输送更多的泥沙、维持下游河道淤积量最小为目标,水沙配置相对合理的非漫滩洪水。

2 黄河下游高效输沙洪水的选取

从黄河水少沙多的实际出发,来确定高效输沙洪水的判别标准,其包括两方面涵义：一是要求河道淤积程度不能太严重,二是单位输沙水量不能太大。也就是说输送等量的泥沙要求在河道淤积较少的同时,所用水量也相对较少,即高效输沙洪水指标的确定主要从洪水期流量大小和含沙量高低两方面考虑。流量大小的确定与某一时期河道的边界有关或者说与河道的排洪能力有关,而含沙量的确定（泥沙配置)则应从水沙的输移规律出发,在此暂不考虑泥沙粗细,来沙组成为多数洪水的平均情况,一般悬沙中值粒径d50约为0.025 mm。

刘晓燕等［6］认为,可以将平滩流量（大于等于4 000 m3/s)作为黄河下游主槽过流能力的恢复目标。基于上述对高效输沙洪水含沙量的分析,并考虑到流量大小对输沙效率的影响、健康黄河的内涵及其指标,从图1Ⅱ区筛选出9场平均流量为3 500 m3/s左右的洪水作为高效输沙洪水（见表1),这9场洪水三门峡、黑石关、武陟水文站（简称三站)平均流量为3 474 m3/s,平均含沙量为67.6 kg/m3,下游河道平均淤积比为13.0%,各站平均单位输沙水量为17 m3/t左右。

表1 黄河下游典型高效输沙洪水特征值统计

3 高效输沙洪水调控指标

高效输沙洪水调控指标主要包括流量和含沙量,含沙量和流量之间的合理搭配由洪水泥沙输移规律确定。

3.1 洪水泥沙输移规律

根据对水沙运行规律的认识,流量越大输送等量泥沙的效率越高、相对越节水,那么流量究竟多大为宜,主要取决于河道过洪情况,也就是平滩流量的大小；而含沙量大小的配置取决于来水来沙条件和河道允许淤积比,一般允许淤积比与来水来沙条件有关,当水少沙多时淤积比取值相对较大,当水多沙少时淤积比取值相对较小。依据1965—1999年的场次洪水资料,点绘了黄河下游泥沙淤积比与水沙搭配系数的关系,见图2。通过曲线拟合,得到洪水期下游泥沙淤积比与水沙因子间的响应关系,即在流量、淤积比确定后,可以依据式（1)进行含沙量配置计算。

图2 黄河下游洪水期泥沙淤积比与水沙搭配系数的关系

式中：S为洪水期平均含沙量,kg/m3；Q为洪水期平均流量,m3/s；S／Q0.8为水沙搭配系数；η为洪水期泥沙淤积比（正值表示河道淤积,负值表示河道冲刷)。

当河道淤积比为0时,由式（1)可知S＝0.066Q0.8。

3.2 单位输沙水量计算及高效输沙洪水含沙量调控范围

河道平衡输沙是一种理想的输沙模式,水沙配置成泥沙淤积比为0的临界点,这在水库调度实践中难以操控。为便于水库调控水沙,研究的思路是寻求一个合适的水沙搭配（含沙量)区间,以洪水期河道不淤积为约束求得的单位输沙水量接近河道平衡临界输沙水量,这个水沙搭配区间称为高效输沙区间。按照这一思路,对来水来沙和河道冲淤分几种情况进行讨论。当流量和含沙量一定时,洪水期下游河道冲淤有3种情况：一是洪水含沙量很低,河道发生冲刷；二是洪水本身是平衡输沙；三是洪水含沙量较高,泥沙处于超饱和状态,河道发生淤积。

前两种情况河道发生冲刷或冲淤平衡,利津站（黄河输沙入海的控制站)单位输沙水量计算如下。假定流量为Qp,相应于Qp的临界含沙量为Sc、来沙量为Ws。含沙量大小并不确定,当含沙量小于Sc时,假定含沙量以10 kg/m3为一量级（Si)分级计算下游河道的泥沙淤积比ηi、利津站单位输沙水量W′i等。河道冲淤量公式为

输沙量公式为

河道来水量公式为

利津站单位输沙水量公式为

平衡输沙时,η＝0,由式（1)得临界含沙量、单位输沙水量公式分别为

第三种情况为含沙量相对较高、河道发生淤积,为保持洪水期河道不淤积,假定利用同等流量大小的清水去冲刷河道的淤积物,这样要用去一部分输沙水量,这里将这部分输沙水量与泥沙超饱和状态计算的输沙水量进行叠加,作为维持河道不淤积的输沙水量。当来沙处于超饱和状态时,河道发生淤积,若来沙量为Ws,则河道淤积量为Wsηi,相应的利津站输沙量为（1-ηi)Ws。因此时的目标是满足河道不淤积,故还需要计算在该流量级下冲刷河道内数量为Wsηi的沉积泥沙所需水量。冲刷河道淤积物的计算,主要借助三门峡水库拦沙期和小浪底水库拦沙初期的部分洪水（共31场)资料,绘制低含沙水流或清水条件下河道单位水量冲淤量与流量间的关系,见图3。某一量级洪水的单位水量冲刷量可以由图3查得。

图3 低含沙量洪水单位水量冲淤量与流量的关系

由图3可以看出,流量不同,河道单位水量冲淤量也不同,单位水量冲刷量随流量增大逐渐增大,流量大于3 500 m3/s时基本趋于稳定,也就是说单位水量冲刷量随流量增大的变化幅度相对减小。设流量为Qp时相应的单位水量冲刷量为ΔWsi,则冲刷量为Wsηi的需水量为

在下游河道不淤积条件下,利津站总输沙量为Ws的输沙水量为

将式（4)、式（8)代入式（9)得

利津站单位输沙水量为

为了清晰地表达单位输沙水量随含沙量的变化,假定流量Qp为4 000 m3/s,由式（6)得临界平衡含沙量Sc约为50 kg/m3,则平衡输沙状态下输送1 t泥沙所需水量约为19.9 m3；由图3查出清水流量为4 000 m3/s时下游冲刷1 t淤积泥沙需水量约为46.8 m3,这里需要说明的是,从河床上冲刷起的淤积泥沙其组成相对较粗,故需水量远比平衡输沙时需水量大。将水沙因子代入式（5)、式（7)和式（11)可分别求得不同含沙量条件下利津站单位输沙水量,点绘利津站单位输沙水量与含沙量的关系,见图4。

图4 流量为4 000 m3/s时利津站单位输沙水量与含沙量的关系

由图4可以看出,流量为4 000 m3/s时,不平衡输沙（河道自然冲淤状态)情况下,河道淤积比随含沙量增大而增大,单位输沙水量随含沙量增大而减小,即冲刷状态下输沙水量较大、淤积状态下输沙水量较小。当含沙量大于冲淤临界含沙量50 kg/m3时,含沙水流处于超饱和状态,河道会相应淤积,为保持洪水期河道冲淤平衡,考虑用流量为4 000 m3/s的清水冲刷河道淤积泥沙,从图4平衡输沙曲线上可以查得对应于含沙量为50～75 m3/s的单位输沙水量为19.80～20.31 m3/t,可以看出在50～75 m3/s的含沙量区间内单位输沙水量变化非常小,故把这个含沙量区间称为高效输沙区。

临界输沙是一种理想状态的输水输沙模式,实际工作中难以操控,目前水库调节流量容易实现,但对含沙量的严格调控难度较大。令人欣喜的是临界输沙条件下利津站单位输沙水量较小,在淤积比为0～15%范围内大于临界含沙量的水沙配置虽河道发生淤积,但若以洪水期河道不淤积为约束条件,用等流量清水冲刷洪水期淤积泥沙,则相应的计算输沙水量与临界平衡输沙水量接近。

4 高效输沙洪水的配置与塑造

4.1 高效输沙洪水水沙配置

综上所述,若以河道不淤积为目标,则在高效输沙区含沙量50～75 kg/m3范围内单位输沙水量与临界平衡输沙水量接近,由于黄河水少沙多,一定时期内泥沙淤积仍难以避免,河道淤积抬升仍有发生的可能,因此高效输沙洪水应该是允许淤积比在一定范围内（0～15%)的一些洪水,并不只限于临界输沙洪水。

表1中列出的典型高效输沙洪水平均流量为3 474 m3/s,平均含沙量为67.6 kg/m3,下游河道淤积比为13.0%。依据流量和泥沙淤积比,按式（1)可以求得该流量下洪水平均含沙量约为63 kg/m3,该值与多场洪水分析的平均值基本一致,故可以按式（1)进行高效输沙洪水的水沙配置。

临界平衡输沙洪水应该属于理想的高效输沙洪水,而广义的高效输沙洪水应该包含3个基本要素：流量、含沙量和泥沙淤积比。一般认为流量越大越有利于输沙,但流量过大水流漫滩对输沙也不利,故流量以接近平滩流量为宜；从利津站流量为4 000 m3/s的单位输沙水量与含沙量关系的分析可知,泥沙淤积比控制在0～15%内既有利于河道输沙又能达到节水的目的,当流量为4 000 m3/s、淤积比为0～15%时,利用式（1)求得高效输沙洪水含沙量范围为50～75 kg/m3。当平滩流量为3 500 m3/s或者4 500 m3/s时,同样可以用上述方法求得高效输沙洪水相应的水沙配置方案。

4.2 高效输沙洪水的塑造

小浪底水库投入运用后进行了多次调水调沙,人造洪水提高了黄河下游河道的输沙能力,沿程冲淤部位得到调整,黄河卡口段过洪能力得到改善。从小浪底水库调水调沙水沙搭配看,调水调沙期小浪底水库出库洪水多为清水或低含沙洪水,目前小浪底水库调控流量大小已能够实现,但对含沙量精确调控依然难度很大。由于黄河水沙条件变化非常复杂,加之水沙的精确预报难度很大,因此目前要实现真正意义上的调沙还有一定的难度,随着黄河中游大型水库的不断完善如尽快建设古贤水库,多库联合进行泥沙调度将成为可能,黄河真正调沙的实现也为期不远。

高效输沙洪水的塑造应在保障下游河道淤积尽可能少的条件下,视来水条件和河道边界情况,根据已有的洪水期泥沙运行规律指导水库调节,以实现较为合理的水沙搭配。具体的调控指标可以通过公式进行计算,一般情况下河道的挟沙能力随流量增大而提高,塑造高效输沙洪水要充分考虑下游漫滩流量的大小,尽量集中大流量输沙,科学调节水沙搭配过程。

值得说明的是,黄土高原冲蚀下来的泥沙不外乎有3种出路,即大部分输送入海、少部分沉积在河道内和通过引水引出河道。高效输沙洪水一般是非漫滩洪水,但并不是说漫滩洪水对河道的塑槽作用不好,而是高效输沙洪水出发点是把尽量多的泥沙输送入海,而漫滩洪水则可以改变河道内沉积泥沙的横向分布,在水流漫滩的同时对塑槽有积极作用,所以适当的漫滩洪水对改善下游河道的河势、提高河道的过洪能力也是必要的。

5 结 论

黄河下游洪水单位输沙水量随含沙量增大而减小,泥沙淤积比则随含沙量增大而增大,兼顾河道减淤和输沙节水,塑造高效输沙洪水是基于黄河水少沙多现实条件减缓河道淤积的有效途径。通过对典型场次洪水的分析研究,拟合了洪水期黄河下游河道泥沙淤积比与水沙因子间的响应关系,求得冲淤平衡临界状态下流量为4 000 m/s时相应的含沙量约为50 kg/m,该临界输沙为一种理想状态的输水输沙模式,实际工作中难以操控。通过分析研究黄河下游河道洪水泥沙输移规律,以维持黄河下游河道基本不淤积为约束条件,分析单位输沙水量随含沙量的变化情况,提出了高效输沙洪水的水沙调控指标,即洪水流量为4 000 m3/s时,高效输沙洪水相应含沙量配置区间为50～75 kg/m3。