前汛期中小洪水小浪底水库调水调沙方式

王婷 李小平 曲少军 窦身堂 王远见

摘要：小浪底水库运用进入拦沙后期以来水沙偏枯，洪水期多采用蓄水拦沙方式运用，2007-2016年水库整体排沙较少，排沙比为26.7%，细沙排沙比约38.7%。前汛期是水库的主要排沙时段，排沙比为29.4%。分析认为，前汛期潼关站出现流量大于等于1 500m³/s持续2d且含沙量大于50 kg/m³的洪水过程时，小浪底入库沙量较多，2007-2016年满足条件的洪水仅出现5场，入库沙量占前汛期的72.5%;数学模型计算结果表明，上述洪水期间通过优化水库调度，可有效减缓水库淤积，同时下游河道淤积主要集中在小浪底一夹河滩河段，实测资料及前期研究表明淤积在小浪底一夹河滩河段的泥沙对河道影响不大，且在下次汛前调水调沙或者小浪底水库清水下泄过程中能够冲刷并向下游输送。

关键词：调水调沙;中小洪水;小浪底水库

中图分类号：TV697.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.05 .011

从2007年开始，小浪底水库运用进入拦沙后期（第一阶段），汛期洪水期由拦沙初期的以拦沙运用为主逐渐开始向排沙调度转变[1-2]。由于小浪底水库运用以来水沙偏枯，因此已有的关于水库洪水期运用方式的研究成果不能完全适用[3-4]，目前洪水期多采用蓄水拦沙运用，除了粗沙，大部分细沙、中沙也被拦蓄在水库内。2007-2016年小浪底水库整体排沙较少，年均排沙比为26.7%，细沙排沙比为38.7%。受水库调度影响，汛期排沙集中在前汛期（本文指7月11日-8月20日，下同）。本文通过分析2007-2016年前汛期小浪底水库来水来沙及排沙特点，提出近期排沙运用方式的优化方案，并采用数学模型计算优化方案中库区排沙及下游河道冲淤的效果，以期为今后洪水期水库调度提供技术支撑。

1 2007-2016年水库运用情况

2007-2016年，以满足黄河下游防洪、减淤、防凌、防断流以及供水等为主要目标，小浪底水库年度运用可分3個阶段[5]（见图1）。第一阶段一般为上年11月1日至次年汛前调水调沙前，该期间又分防凌蓄水期和春灌补水期，水库主要任务是向下游补水，保证下游用水，库水位整体变化不大;第二阶段为汛前调水调沙期，从6月下旬至7月上旬，其中小浪底水库清水下泄阶段库水位大幅下降，水库排沙阶段库水位相对较低：第三阶段为防洪运用以及水库蓄水期，一般从7月中旬至10月，前汛期水位相对较低，2007年、2010年以及2012年前汛期进行过降低水位排沙，8月21日起水库蓄水位向后汛期汛限水位过渡，库水位持续抬升。

2 2007-2016年库区淤积及排沙特点

2007-2016年小浪底水库累计进、出库沙量分别为21.992亿、5.877亿t，库区累计淤积泥沙16.115亿t，其中细沙、中沙、粗沙分别为7. 070亿、3.850亿、5.195亿t（见图2），细沙、中沙、粗沙分别占淤积物总量的43.9%、23.9%、32.2%。水库年均排沙比为26.7%（见图3）。这说明进入水库的泥沙绝大部分没有排泄出库，而是淤积在水库中。其中：细沙、中沙、粗沙排沙比分别为38.7%、17.3%、10.4%。库区泥沙淤积较多，尤其是细颗粒泥沙淤积较多，入库细沙的61. 3%在水库落淤。大量细沙淤积在水库中，减小了拦沙库容，降低了水库拦沙效益，水库排沙较少也缩短了水库使用寿命。

2007-2016年小浪底水库进出库泥沙集中在汛前调水调沙期（以下简称汛前调）和汛期（本文指扣除汛前调）。汛前调和汛期入库沙量分别为4. 140亿、17.705亿t，分别占入库总沙量的18.8%、80.5%，汛期入库沙量明显大于汛前调（见图4）。汛前调和汛期出库沙量分别为3.091亿、2.786亿t，分别占年出库沙量的52.6%、47.4%，汛前调排沙量略大于汛期。汛前调和汛期水库排沙比分别为74.7%、15.7%（见图5）。虽然汛前调排沙比较大，但是由于汛前调入库沙量仅占年入库沙量的18.8%，而汛期入库沙量较大、排沙比仅15.7%，因此水库年排沙比较小，为26.7%。所以，除进行汛前调外，增加汛期排沙机会是减少水库淤积的有效途径。

受水库运用水位影响，小浪底水库汛期排沙主要集中在前汛期。2007-2016年前汛期进、出库沙量分别为9.162亿、2.689亿t，分别占汛期进出库沙量的51.8%、96.5%。虽然前汛期是水库的主要排沙时段，但该时段排沙比不大，为29.4%。因此，汛期排沙比也较低，仅15.7%。要想提高汛期排沙效果，需要提高前汛期排沙比。

3 2007-2016年前汛期水库来水来沙分析

3.1 潼关站水沙分析

2007-2016年前汛期潼关站日均流量大于等于2 600 m³/s的洪水出现机会较少，仅2012年、2013年出现过，分别为4、9 d;潼关站流量大于2 600 m³/s时，含沙量一般不超过50 kg/m³。潼关流量大于等于1 500 m³/s且含沙量大于等于50 kg/m³的洪水共出现10 d，分别为2007年1 d、2010年4d、2012年ld、2013年3d、2016年ld，除2013年7月25日潼关流量达到3 960 m³/s外，其他9d潼关站流量均介于1 500 m³/s与2 600 m³/s之间。

3.2 三门峡站水沙分析

2007-2016年前汛期三门峡站日均流量大于等于2 600 m³/s的洪水与潼关站出现日期相同：三门峡站流量大于2 600 m3/s且含沙量超过50 kg/m³的洪水出现5d，最大含沙量为103 kg/m³。根据三门峡水库运用要求，当潼关站流量大于1 500 m³/s时三门峡水库敞泄运用，与潼关站相比，三门峡站含沙量一般有所增大：洪水期间含沙量相对较大的天数，三门峡站也有所增加。2007-2016年前汛期三门峡站流量大于等于1 500 II13/S且含沙量大于等于50 kg/m³的洪水共出现25 d，分别为2007年3d、2010年8d、2012年4d、2013年7d、2015年ld、2016年2d。

3.3 潼关、三门峡站水沙综合分析

2007-2016年潼关站、三门峡站年均前汛期水量分别为33.11亿、32.84亿m³，年均沙量分别为0.655亿、0.916亿t，两站水量基本一致，三门峡站沙量明显增大。

2007-2016年潼关、三门峡站前汛期累计沙量分别为6.554亿、9.162亿t。泥沙主要集中在洪水期，潼关站日均流量大于等于1 500 m³/s时沙量为4.417亿t，占前汛期总沙量的67.4%：由于三门峡水库敞泄排沙，因此三门峡站沙量明显增大，为7.205亿t，占前汛期总沙量的78.6%。统计发现，潼关站出现流量1 500 m³/s持续2d以上且含沙量大于50 kg/m³洪水的大部分年份，潼关站沙量均超过0.3亿t，而三门峡站沙量均在0.8亿t以上。2007-2016年潼关站共出现5场流量大于1 500 m³/s持续2d且含沙量大于50 kg/m³的洪水，5场洪水期间三门峡站沙量合计为6.639亿t，占前汛期的72.5%。因此，潼关站出现流量大于1 500 m³/s持续2d且含沙量超过50 kg/m³的洪水过程时，应开展以小浪底水库减淤为目的的汛期调水调沙。

4 近期前汛期中小洪水水库调控方式

为适应新形势下的水沙条件，遵循“合理拦沙，尽可能延长小浪底水库拦沙运用年限的同时，通过对出库水沙过程的调节，尽可能减少下游河道主河槽的淤积，增强并维持河道主槽过流能力”的原则，提出前汛期小浪底水库中小洪水（潼关站流量大于等于1 500m³/s持续2d且含沙量大于50 kg/m³）运用方式。

当預报潼关站流量大于等于1 500 m³/s持续2d且含沙量大于50 kg/m³时，小浪底水库开始进行调水调沙，塑造有利于下游输沙塑槽的洪水过程。小浪底水库按控制花园口站流量4 000 m³/s提前2d开始预泄。若2d内预泄到控制水位，则根据来水情况控制出库流量：①来水流量小于等于4 000 m3/s，按出库流量等于入库流量下泄：②来水流量大于等于4 000 m³/s.按控制花园口站流量4 000 m³/s运用。

若预泄2d后未到控制水位，则根据来水情况控制出库流量：①来水流量小于等于4 000 m³/s，仍凑泄花园口站流量等于4 000 m3/s.直至达到控制水位后按出库流量等于入库流量下泄：②来水流量大于等于4 000 m³/s，控制花园口站流量4 000 m³/s运用。

根据后续来水情况，尽量将三门峡水库敞泄时间放在小浪底水位降至低水位后，三门峡水库敞泄排沙时小浪底水库维持低水位排沙。当潼关站流量小于1 000 m³/s且三门峡出库含沙量小于50 kg/m³时，或者小浪底水库保持低水位持续4d且三门峡出库含沙量小于50 kg/m³时，水库开始蓄水，小浪底水库按满足灌溉、发电用水并考虑下游河道生态用水要求控制出库流量。

按上述方式调水调沙，小浪底出库水沙过程在初始阶段为大流量清水过程，对维持下游河槽过流能力有利，后期为小水高含沙过程，会在下游河道形成淤积，但主要淤积在花园口以上河段，可待下次调水调沙时恢复。

5 典型洪水模拟结果分析

5.1 计算条件

（1）水沙条件。为对比水库排沙效果及下游河道冲淤情况，从2007-2016年潼关站流量大于等于1 500 m³/s持续2d且含沙量大于50 kg/m³的6场洪水过程中，选取入库水沙量相对较大的2013年7月11-22日洪水过程作为计算水沙条件（洪水过程见图6）。

（2）边界条件。选用2016年汛后地形作为本次计算的边界条件。

（3）坝前控制水位。坝前初始水位设定为230 m，坝前控制水位分别为230、225、220、215、210 m。

5.2 小浪底库区计算结果

洪水期水库排沙效果与控制水位密切相关，随着水位降低，出库沙量不断增大。尤其是坝前控制水位为210-225 m时，在出库水量增加不大的情况下，出库沙量迅速增大，从0.294亿t增加至1.856亿t（见图7），排沙比由23.2%提高至146. 5%（见图8）。可见，洪水期降低水位运用，能够有效减缓水库淤积，提高水库排沙效果。各分组沙出库沙量、排沙比均随运用水位降低呈不断增大趋势，其中细沙增幅最大，中沙次之，粗沙最小。这说明随着水库排沙效果的提高，水库拦粗排细效益得到体现。因此，建议当出现类似洪水时，小浪底水库应尽可能降低水位排沙。

5.3 黄河下游河道冲淤计算结果

采用黄河下游一维非恒定水沙数学模型计算得到各方案下游河道冲淤情况（见图9），可知：坝前控制水位为210 m时全下游呈淤积状态，淤积量为1 014万t.其中淤积以小浪底一夹河滩河段为主，淤积量为1 476万t.夹河滩至艾山河段发生冲刷，冲刷量为610万t，艾山以下发生少量淤积。坝前控制水位为220 m时全下游处于微冲状态，冲刷量为324万t.其中淤积主要集中在小浪底一花园口河段，淤积量为251万t.花园口以下河段除艾山一泺口河段发生少量淤积外，其他均出现冲刷。坝前控制水位为230 m时全下游各河段均呈冲刷状态，全下游冲刷量为1 586万t。

5.4 计算结果综合分析

对于选定的洪水过程，小浪底水库低水位（ 220m、210 m）排沙有效地减缓了水库淤积，下游河道淤积主要集中在小浪底一夹河滩河段。实测资料表明，小浪底水库运用以来以拦沙运用为主，下游河道发生持续冲刷。目前，黄河下游最小平滩流量已从2002年汛前的不足1 800 m³/s增大到4 250 m³/s。特别是高村以上河段，平滩流量已经达到6 000 m³/s。因此，短时间内下游河道尤其是夹河滩以上河段具有一定的滞沙能力，能够承受一定程度的淤积[5]。

小浪底水库清水下泄过程中，随着冲刷的发展，下游河床显著粗化，清水冲刷效率明显降低。2004年汛前调水调沙清水下泄时下游河道的冲刷效率为14 kg/m³左右，也就是说，小浪底水库下泄1 m³清水可从下游河道中冲刷14 kg的泥沙输送人海，2015年冲刷效率则降至6.0kg/m³左右。因此，要想提高清水冲刷效率，需要补充河道可冲刷泥沙。换句话说，就是洪水期淤积在河道中的泥沙，在下次汛前调水调沙或者小浪底水库清水下泄过程中是能够冲刷并向下游输送的。

此外，文献[6-7]提出小浪底水库拦沙后期采用“适时延长或拓展相机降水冲刷”的水库运用方式可减少库区淤积，增大或保持防洪库容和近坝段库容，同时对下游河道冲淤影响不大，可待下次调水调沙恢复，而本文提出的中小洪水小浪底水库低水位排沙运用方式与之具有相似之处。

6 结论

（1） 2007-2016年小浪底水库排沙比为26. 7%，细沙排沙比为38.7%，说明进入水库的泥沙大部分淤积在水库中。大量细沙淤积在水库中，减小了拦沙库容，降低了水库的拦沙效益。

（2） 2007-2016年汛前调和汛期入库沙量分别占年入库沙量的18.8%、80.5%，汛前调和汛期出库沙量分别占年出库沙量的52.6%、47.4%，汛前调和汛期水库排沙比分别为74.7%、15.7%。汛期入库沙量较多而排沙少，水库年排沙比较低，因此增加汛期排沙机会是减少小浪底水库淤积的有效途径。

（3） 2007-2016年前汛期小浪底进出库沙量分别占汛期进出库沙量的51.8%、96.5%，是汛期排沙的主要时段。前汛期潼关站共出现5场流量大于1 00m³/s持续2d且含沙量大于50 kg/m³的洪水，5场洪水期间三门峡站沙量占前汛期的72.5%，是优化水库调度的有利时机。

（4）数模计算结果表明，潼关站共出现流量大于1 500 m³/s持续2d且含沙量大于50 kg/m³的洪水期间，优化水库调度能够有效减缓水库淤积，同时下游河道淤积主要集中在小浪底一夹河滩河段。实测资料及前期研究表明，淤积在小浪底一夹河滩河段的泥沙对河道影响不大，在下次汛前调水调沙或者小浪底水库清水下泄过程中能够得到冲刷并向下游输送。

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【责任编辑翟戌亮】