黄河小浪底水库防洪减淤作用与效益跟踪分析

安新代

关键词：防洪；减淤；效益分析；小浪底水库；黄河下游

黄河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１３０ｋｍ，下距花园口水文站１２８ｋｍ，控制流域面积６９．４万ｋｍ２，在黄河治理开发中具有极其重要的战略地位。水库设计总库容１２６．５亿ｍ３，长期有效库容５１亿ｍ３。工程设计阶段提出了“以防洪（包括防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电”的开发任务［１］，防洪作为首要任务，要求小浪底水库与已建三门峡、陆浑、故县等水库联合运用，使黄河下游防洪标准提高到千年一遇，并做到对特大洪水有对策，对常遇洪水能减轻防汛负担；减淤方面水库设计拦沙库容７５．５亿ｍ３，在长期保持有效库容前提下，力争长期减少下游河道淤积。

进入２１世纪以来黄河来沙量明显减少，小浪底水库淤积速度减缓，同时随着河床边界、经济社会等条件变化，水库运用方式不断优化调整。诸多学者围绕小浪底水库拦沙初期运用方式［２－４］、拦沙后期运用方式［５－８］开展了大量研究工作，为水库调度运用提供了技术支撑。小浪底水库投入运行以来取得了显著的防洪、防凌、减淤、供水灌溉、发电、生态保护等效益。截至２０２２年１０月，小浪底水库累计淤积泥沙３４．６７亿ｍ３，占设计拦沙库容的４６％，处于拦沙后期第一阶段。系统梳理水库防洪减淤作用及效益，对水库未来调度运用至关重要。本文基于小浪底水库的调度实践，分析小浪底水库防洪作用，研究库区及下游河道冲淤变化情况，并与设计指标对比，计算水库防洪减淤效益，以期为小浪底水库防洪减淤调度运用提供指导。

１小浪底水库防洪作用

１．１水库防洪运用情况

小浪底水库投入运用以来，在２００３年、２００５年、２００７年、２０１０—２０１３年、２０１８—２０２１年共发生了１５场花园口站洪峰流量超过４０００ｍ３／ｓ的洪水（还原洪水），其中伏汛洪水８场、秋汛洪水７场，见表１。小浪底水库按不超过下游平滩流量下泄，洪水期水库达到的最高运用水位为２７３．５ｍ（２０２１年１０月９日），花园口站平均削峰率３６％，最大削峰流量７５６０ｍ３／ｓ，其中小浪底水库平均削峰率３２％，有效避免了下游滩区的淹没损失，减轻了下游防洪压力。

１．２水库防洪作用

１）利用当前水库防洪库容较大的优势，适当控泄中小洪水、减免下游滩区淹没损失。黄河下游滩区原居住有１９０万群众，河南、山东滩区居民迁建规划实施后仍有１２６．３万人（２０２３年统计数据）、２２．６７万ｈｍ２耕地长期遭受漫滩洪水威胁。根据《小浪底水利枢纽拦沙后期（第一阶段）运用调度规程》，小浪底水库拦沙期具有较大库容的条件下，有必要也有可能对黄河下游流量在８０００ｍ３／ｓ以下、含沙量较低的漫滩洪水进行适当控制。截至２０２２年１０月，小浪底水库前汛期（７月１日—８月３１日）、后汛期（９月１日—１０月３１日）防洪库容分别为７８．３亿、６０．０亿ｍ３，远大于设计防洪库容４０．５亿ｍ３，如果按照设计方式运用，防洪调度尚有余地。作为已建工程中唯一能够为下游滩区防洪提供库容的骨干水库，小浪底水库利用当前防洪库容较大的优势，适当控泄中小洪水，减免了下游滩区淹没损失。例如：２０２０年８月黄河中游连续发生３场编号洪水，潼关站实测最大洪峰流量６３００ｍ３／ｓ，花园口还原后洪峰流量６６００ｍ３／ｓ，经中游水库群联合拦洪运用后，花园口站的最大洪峰流量削减至４５５０ｍ３／ｓ，削减洪峰２０５０ｍ３／ｓ，河道洪水位降低１．０９ｍ，初步估算减少下游淹没面积８６６ｋｍ２，减少下游淹没耕地５．０８万ｈｍ２，减少淹没影响人口１１．８５万；２０２１年秋汛期间，小浪底水库与支流水库联合调度运用，将花园口站两次流量超１００００ｍ３／ｓ的天然洪峰流量削减至４９００ｍ３／ｓ左右，避免了下游滩区１４０万人转移和２６．６０万ｈｍ２耕地受淹。

２）合理调控高含沙洪水，有效减少水库、河道泥沙淤积。２０１０年７月下旬，泾渭河、伊洛河普降中到大雨，局部暴雨，渭河华县站２６日洪峰流量为２０４０ｍ３／ｓ，最大含沙量为４５９ｋｇ／ｍ３，潼关站最大含沙量为１９９ｋｇ／ｍ３。小浪底水库根据实时水情联合中游水库群，通过凑泄、冲泄组合运用，水库实际排沙量０．２６亿ｔ、排沙比３４．４％，与原设定的完全敞泄方案相比多拦沙约１０００万ｔ，下游多冲刷泥沙４６３万ｔ。黄河下游各站流量均控制在３０００ｍ３／ｓ左右（原设定的完全敞泄方案花园口站最大流量达４０４０ｍ３／ｓ），有效避免了遇洪峰增值可能造成的下游防洪形势紧张局面。

３）在确保防洪安全的前提下实现洪水资源利用。面对黄河水资源减少和日益突出的供需矛盾，小浪底水库实时调度逐渐体现洪水资源化的思想，尤其是对后汛期洪水的资源化利用。２００３年、２００５年、２０１１年、２０１２年、２０２１年秋汛洪水期间，在确保防洪安全和水库河道减淤的前提下，小浪底水库有计划拦洪蓄洪，洪水结束时水位依次蓄至２６３．０９ｍ（２００３年１０月２８日）、２５６．１８ｍ（２００５年１０月１３日）、２６３．３８ｍ（２０１１年１０月６日）、２６３．３４ｍ（２０１２年１０月６日）、２７３．５０ｍ（２０２１年１０月９日），拦蓄洪量分别为２９．９亿、１８．３亿、５６．６亿、５９．１亿、７１．７亿ｍ３，此后根据中长期降雨预报，继续蓄水运用，最大限度地储备了洪水资源，实现了洪水资源利用。

２小浪底水库减淤作用

２．１水库调水调沙运用情况

小浪底水库通过拦沙和调水调沙，改善了进入下游河道的水沙关系，减少了下游河道泥沙淤积。水库运用以来，２００２—２００４年开展了３次调水调沙试验，探索形成了基于小浪底水库单库运行、干流水库群水沙联合调度、基于空间尺度水沙对接３种基本模式［９］。２００５年黄河调水调沙转入生产运行，２００５—２０１５年开展调水調沙生产实践１６次。２０１８年７月按照主动防御的思想，采用防洪预泄方式，小浪底水库自７月３日实施了２０多ｄ的防洪预泄，探索形成了“一高一低”调度模式［９］，并在２０１８—２０２０年汛期开展了３ａ的实践。２０２１—２０２２年开展了３次调水调沙。

２．２水库对水沙过程的调控作用

２．２．１实测水沙特性

小浪底水库投入运用后，２０００—２０２１年（水文年）入库三门峡站、出库小浪底站、进入黄河下游的小黑武站（小浪底、黑石关、武陟站之和）及入海控制站利津站水沙量见表２。三门峡站实测多年平均水量、沙量分别为２５４．５２亿ｍ３、２．８８１亿ｔ，年均含沙量为１１．３２ｋｇ／ｍ３；小浪底站实测多年平均水量、沙量分别为２７２．７５亿ｍ３、１．０９９亿ｔ，年均含沙量为４．０３ｋｇ／ｍ３；小黑武站实测多年平均水量、沙量分别为２９８．０１亿ｍ３、１．１１２亿ｔ，年均含沙量为３．７３ｋｇ／ｍ３；经下游引水引沙及河道冲淤调整后，利津站实测多年平均水量、沙量分别为１９４．８８亿ｍ３、１．４３４亿ｔ，年均含沙量为７．３５ｋｇ／ｍ３。

２．２．２水库对水沙的调控作用

１）对水量及流量过程的调控。小浪底水库运用后改变了年度内各月进入下游水量分配比例，由于汛前开展了黄河调水调沙，因此非汛期（１１—６月）出库水量增加，由入库的１２８．３９亿ｍ３（占全年５０．４％）增加到１７１．５１亿ｍ３（占全年６２．９％），其中６月份多年平均水量由入库的１６．５５亿ｍ３增加到４２．７８亿ｍ３。汛期（７—１０月）出库水量减少，由入库的１２６．１３亿ｍ３（占全年４９．６％）减少为１０１．２４亿ｍ３（占全年３７．１％）。

根据小浪底水利枢纽拦沙后期（第一阶段）运用调度规程，小浪底水库调度考虑水沙条件、水库淤积和黄河下游主槽的过流能力，充分利用下游河道输沙能力，调控花园口站流量小于８００ｍ３／ｓ或大于２６００ｍ３／ｓ。通过调控使进入下游河道的大流量过程显著增加，全年出库流量在２５００ｍ３／ｓ以上的多年平均天数达１８．４ｄ，较入库增加４９．６％，相应的水量由３６．０３亿ｍ３增加到５３．９６亿ｍ３（见表３），尤其是出库流量大于３０００ｍ３／ｓ的天数和水量显著增加，其中年均天数相较入库增加８３．３％，年均水量较入库增加７３．７％，增加的大流量过程集中在６—１０月。

２）对进入下游沙量的调控。小浪底水库投入运用以来多年平均排沙比为３８％。排沙主要集中在２０１８—２０２０年连续丰水年期，２０１８年、２０１９年、２０２０年排沙比分别达９４．６％、１９９．１％、９５．４％。经小浪底水库调节后，进入下游河道的水流含沙量大幅降低，汛期由入库的多年平均含沙量２１．６２ｋｇ／ｍ３减少到出库的１０．６２ｋｇ／ｍ３，非汛期由入库的多年平均含沙量１．２０ｋｇ／ｍ３减少到出库的０．１４ｋｇ／ｍ３，非汛期泥沙几乎全淤积在库区。

２．３水库泥沙冲淤变化情况

２．３．１实测冲淤量

１）淤积量变化情况。截至２０２２年１０月，断面法计算的小浪底水库库区累计淤积量３４．６７亿ｍ３，其中干流淤积２６．６９亿ｍ３（占７７．０％）、支流淤积７．９８亿ｍ３（占２３．０％）。小浪底库区累计淤积量变化见图１。

２）淤积形态变化情况。水库淤积形态变化与入库水沙条件、坝前运用水位等密切相关。当前小浪底库区纵向淤积呈三角洲形态，见图２。随着水库运行年限增加，三角洲顶点整体向坝前推进，２０２２年１０月淤积三角洲顶点距坝１１．４２ｋｍ，顶点高程为２１９．２５ｍ。

３）泥沙颗粒级配变化情况。小浪底水库运用以来进出库泥沙中值粒径变化情况见图３。２０１７年以前，水库出库泥沙整体变细，水库“拦粗排细”调节作用明显。２０１８—２０２０年，水库出库泥沙中值粒径在０．０２ｍｍ以上，较入库泥沙明显增大，主要原因是遇连续丰水年，水库降低水位排沙，前期淤积在库区尤其是库尾的较粗颗粒泥沙被冲刷出库。图４为２０１８—２０２０年汛前库区泥沙中值粒径变化情况，可以看出库尾相对较细颗粒泥沙被冲刷出库后，库尾河段淤沙中值粒径明显变大。

２．３．２与设计指标对比

１）干流淤积对比。与设计指标相比，由于小浪底水库实测来水来沙量减少，因此水库淤积速度减缓，如设计的水库运用第６年库区泥沙淤积量即达３５．６０亿ｍ３，实际水库运用第２３年即２０２２年库区淤积量达３４．６７亿ｍ３。同等淤积量相应的坝前实际淤沙高程低于设计值２．４９～３４．１３ｍ，见表４。受来水来沙条件、水库实际运用方式等影响，拦沙期库区泥沙冲淤动态调整，水库实际淤积末端距坝里程与设计值有差异，但尾部段淤积比降相差不大，均在设计的６．０‱范围内。

２）支流淤积对比。小浪底水库库区支流原始库容为５２．６３亿ｍ３，占总库容的４１％。水库运用以来，受干支流来水来沙、干流淤积、支流口门位置、水库运用方式等影响，库区畛水、大峪河、石井河等支流形成了拦门沙坎。以距坝约１７．６７ｋｍ的支流畛水为例，水库运用过程中曾出现了高度８ｍ左右的拦门沙坎，见图５。当前畛水实测淤积纵剖面均在设计淤积河槽以下，要防止后期水库运用不当可能导致的拦门沙坎内支流库容无法利用，影响水库效益发挥。

２．４下游河道冲淤变化情况

２．４．１实测冲淤变化情况

１９９９年１０月至２０２２年１０月黄河下游河道累计冲刷泥沙３１．６３亿ｔ，其中利津以上河段冲刷３０．６３亿ｔ，见表５。从沿程分布来看，高村以上河段冲刷较多，花园口以上、花园口—高村冲刷量分别占总冲刷量的２５．５％、４１．８％。从时间上来看，冲刷主要发生在汛期，汛期下游河道共冲刷２０．６７亿ｔ，占总冲刷量的６５．３％；非汛期冲刷量占总冲刷量的３４．７％，高村—艾山、艾山—利津、利津以下河段非汛期分别淤积０．３０亿、１．６９亿、０．７５亿ｔ。下游河道最小平滩流量已由２００２年汛前的１８００ｍ３／ｓ（下游河道历史最小值）恢复至２０２２年汛后的４６００ｍ３／ｓ，主槽行洪输沙能力得到明显提高。

２．４．２与设计指标对比

１）拦沙减淤比。利用水库群－河道水沙联合动态调控模型［８］，计算有、无小浪底水库时黄河下游河道的冲淤情况，分析水库对黄河下游河道减淤作用，模型起算地形为２０００年汛后下游实测地形。无小浪底水库，把１９９９年１１月—２０２２年１０月三门峡站、伊洛河黑石关站、沁河武陟站实测水沙过程作为进入下游的水沙过程，多年平均水量、沙量分别为２７８．５５亿ｍ３、２．８９亿ｔ，计算得到下游河道累计淤积４．３０亿ｔ。有小浪底水庫，把１９９９年１１月—２０２２年１０月小浪底站、黑石关站、武陟站实测水沙过程作为进入下游的水沙过程，多年平均水量、沙量分别为２９４．２２亿ｍ３、１．１５亿ｔ，计算得到下游河道累计冲刷３１．５４亿ｔ。截至２０２２年１０月，小浪底水库减淤量为３５．８４亿ｔ。

计算水库运用以来对下游河道的拦沙减淤比（水库拦沙量与下游河道减淤量比值），２００７年以前拦沙减淤比为１．５７，随着下游河道冲刷效率降低，拦沙减淤比逐渐减小为当前的１．２６。设计的水库拦沙期１４ａ内库区淤积泥沙量为７９．６７亿ｍ３，下游河道累计减淤６６．０４亿ｔ，拦沙期内的拦沙减淤比为１．５７。水库实际拦沙减淤比小于设计值，说明减淤作用较优。

２）分河段淤积占比。根据设计，小浪底水库拦沙期１４ａ内下游河道沿程发生冲刷，花园口以上、花园口—高村、高村—艾山和艾山—利津河段冲刷量占利津以上总冲刷量的比例分别为３２．０％、４３．０％、２０．１％和４．９％。水库运用以来，各河段实际冲刷占比分别为２６．３％、４３．２％、１５．７％和１４．８％。对比来看，各河段占比与设计预估差别不大，仅艾山—利津河段冲刷占比相对较大，说明水库实际调度更有利于艾山以下河段的减淤。

３小浪底水库防洪减淤效益

小浪底水库投入运用以来，通过与中游三门峡、陆浑、故县、河口村水库联合运用，共拦洪削峰１５场次，花园口站平均削峰率３６％，最大削峰流量７５６０ｍ３／ｓ，其中小浪底水库平均削峰率３２％，有效避免了下游滩区淹没损失。防洪作用最大的为２０２１年秋汛洪水，经中游水库群联合运用后，仅９月２３日—１０月５日单场洪水即减少淹没耕地面积１９．６６万ｈｍ２，减少受影响人口１０６．６４万。凌汛期小浪底水库适时调控，下泄水体升温，同时配合浮桥等跨河工程管理措施，基本解除了黃河下游的凌汛威胁。在调节水沙方面，２００２—２０１５年开展了１９次调水调沙，２０１８—２０２０年连续３年实施“一高一低”调度，２０２１—２０２２年开展了３次调水调沙，由数学模型计算得到，截至２０２２年１０月累计减少下游河道泥沙淤积量３５．８４亿ｔ，年均减淤１．５６亿ｔ。当前下游河道最小平滩流量恢复至４６００ｍ３／ｓ，较２０００年汛前增加了２４００ｍ３／ｓ（较２００２年汛前最小值１８００ｍ３／ｓ增加了２８００ｍ３／ｓ）。

按照２０２０年价格水平，以２０００年为基准年，评估计算小浪底水利枢纽工程防洪、防凌、减淤３项社会效益现值。其中：防洪效益考虑生产堤冲决模式和漫决模式，计算了花园口常遇洪水下游滩区淹没情况；防凌效益根据滩区凌汛淹没损失进行估算；减淤效益按下游河道直接替代方案（挖沙清淤）、间接替代方案（加高加固堤防）两种替代工程费用法计算。经计算，防洪效益现值为６４７．４７亿元（其中防洪效益最大的２０２１年９月２３日—１０月５日秋汛洪水防洪效益为３９０．７４亿元），防凌效益现值为２５．０１亿元，减淤效益现值为３９．３４亿元，防洪、防凌、减淤效益现值共计７１１．８２亿元，效益年值依次为６３．４７亿、２．４５亿、３．８６亿元，共计６９．７８亿元。与小浪底水利枢纽工程设计阶段效益分析成果相比，防洪效益年值较设计指标多５６．５５亿元、防凌效益年值较设计指标多２．１１亿元、减淤效益年值较设计指标多０．６１亿元，合计多５９．２７亿元。

与小浪底水利枢纽工程投资相比，防洪、防凌、减淤累计效益现值较工程全部投资（含发电分摊投资）多２１８．７３亿元。小浪底水库建成运用以来，其产生的防洪减淤效益是工程整体投资的１．４４倍，充分表明了黄河水沙调节骨干工程建设的经济合理性，为推动古贤等重大水利工程建设提供了成功范例。

４结论

１）小浪底水库运用以来，通过与中游水库群联合运用，按不超过下游平滩流量下泄，花园口站平均削峰率３６％，最大削峰流量７５６０ｍ３／ｓ，其中小浪底水库平均削峰率３２％，有效避免了下游滩区的淹没损失，减轻了黄河下游防洪压力。水库通过合理调控高含沙洪水，改善了水沙关系，有效减少了水库、河道泥沙淤积，并在确保防洪安全的前提下实现了洪水资源利用，最大拦蓄洪量达７１．７亿ｍ３。

２）小浪底水库运用使得进入下游河道的大流量过程显著增加，水流含沙量降低。截至２０２２年１０月，水库累计淤积泥沙３４．６７亿ｍ３，与设计指标相比水库淤积速度明显减缓，其主要原因是入库水沙量减少和水库调度运用技术的不断优化。水库运用以来下游河道累计冲刷泥沙３１．６３亿ｔ，水库对下游河道的拦沙减淤比（１．２６）小于设计值（１．５７），减淤效果较优，尤其在艾山以下河段发挥了较好的减淤效果，艾山—利津河段实际冲刷占比较设计值大。

３）小浪底水库是黄河下游防洪减淤的长期性关键工程，水库运用以来发挥了巨大的防洪减淤作用，按照２０２０年价格水平，水库实际防洪、防凌、减淤效益年值比设计值多５９．２７亿元，累计效益现值较工程全部投资（含发电分摊投资）多２１８．７３亿元，表明黄河水沙调节骨干工程建设是经济合理的。应加快推动黄河古贤等重大水利枢纽工程建设，与小浪底水库联合运用，充分发挥黄河骨干水库群联合防洪、减淤、兴利等效益。