黃河水庫河道泥沙跨年接續調節技術實踐

孫贊盈，劉彥暉，尚紅霞，張原鋒，魏 銘，肖千璐

（1.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003；3.河海大學，江蘇 南京 210098）

1 問題的提出

1.1 近20 a 水沙變化特點

隨著黃河潼關以上干流水庫的建成和投入運用，以及其他人類活動的影響，潼關斷面的來水來沙條件發生了巨大變化，突出表現在：1）大水大沙現象已不存在。例如，1960—1985 年，潼關斷面25%的來沙由流量大于4 000 m3／s 的水流挾帶；1986—1999 年，流量500～1 000 m3／s 的水流挾帶的沙量占18%，而流量大于4 000 m3／s 的水流挾帶的沙量只占9%；2000—2021 年，流量500～1 000 m3／s 的水流挾帶的沙量占26%，而流量大于4 000 m3／s 的水流挾帶的沙量減少到5%。2）來沙量大幅度減少。1960—1985 年，潼關斷面的年均來沙量為12.42 億t，1986—1999 年為7.77億t［1－2］，2000—2021 年減少到2.49 億t（相當于1986—1999 年的1／3、1960—1985 年的1／5）。潼關斷面歷年沙量變化如圖1 所示。

1.2 小浪底水庫單庫水沙調控的技術問題

大量研究成果表明，黃河下游河道的深槽淤積主要是小水挾沙淤積造成的［3－6］，大流量時期河槽淤積輕微甚至發生沖刷，黃河下游窄深河槽在大流量（流量大于2 000 m3／s）時期具有“多來多排”的輸沙特點［7－8］，水庫調控應將泥沙調節到大流量時期輸送［9］。小浪底水庫出庫含沙量的高低首先取決于來水流量的大小，其次是壩前水位的高低和降幅。2000 年以來，小浪底水庫的實際調度運用情況顯示，當庫水位降低至庫區三角洲頂點高程以下時，發生溯源沖刷，出庫含沙量才開始顯著增大，庫水位降低得越低、越快，庫區溯源沖刷越強烈，出庫含沙量越高。然而目前小浪底水庫單庫運用，在庫水位降低至三角洲頂點出露以后，后續的沖刷動力及入庫流量過程幾乎完全取決于天然來水流量的大?。?0－14］，因此小浪底水庫出庫最大含沙量很難與出庫最大流量相匹配，甚至有可能出現對下游河道最為不利的小水排沙現象。

綜上所述，雖然近年黃河來沙減少到年均2.49 億t，但這仍然是一個巨量的數字，黃河依然是含沙量最高的河流，如何將這些泥沙從水庫排除，并通過下游河道輸送入海，依然是黃河下游河道泥沙治理需要解決的首要問題。如果在豐水年或較大流量時，使水庫排沙淤積在花園口以上平灘流量較大的寬河道，后續長時期的清水過程再將這些淤積物沖刷帶走并輸送入海，不失為兼顧水庫排沙和下游河道減淤的現實舉措，這就是水庫河道泥沙跨年接續調節技術。水庫河道泥沙跨年接續調節需要具備兩個條件：第一，庫區三角洲距壩較近，水庫能夠集中排沙出庫；第二，下游河道近壩段平灘流量較大，具有一定的容沙能力，不至于因水庫排沙而造成下游河道淤積，發生諸如“96·8”洪水的小水大災局面。目前，上述兩個條件已經具備。

2 黃河水庫河道泥沙跨年接續調節技術

2018—2020 年是連續3 a 的豐水時段，小浪底水庫3 a 共排沙13.37 億t，是小浪底水庫運用以來排沙最多的3 a。本文基于這3 a 的水庫河道沖淤變化、同流量水位變化和黃河下游卡口河段平灘流量變化，來說明水庫河道泥沙跨年接續調節技術的可行性。

2.1 水庫利用大水排沙增容

潼關站2018—2020 年汛期水量分別為265.6 億、228.4 億、284.9 億m3，為2000—2017 年汛期年均水量104.6 億m3的2.2～2.7 倍，這3 a 是1986 年以來汛期水量最大的3 a。2018—2020 年汛期沙量分別為3.42億、1.34 億、2.17 億t，平均2.31 億t，比2000—2017 年汛期年均1.94 億t 偏多19%。

2018—2020 年汛期，潼關站共來沙6.93 億t，小浪底水庫排沙13.37 億t，三門峽和小浪底水庫持續沖刷，不但將6.93 億t 來沙排出庫，庫區還沖刷了6.44億t，相當于之前10 a 的淤積量，從而使累計淤積量恢復至2007 年水平，水庫庫容得以有效恢復。

2.2 利用近壩段寬河道滯沙

2.2.1 黃河下游夾河灘以上河段容沙量大

自1999 年10 月小浪底水庫投入運用到2018 年汛前，黃河下游汊3 以上河段主槽共沖刷21.541 億m3，其中利津以上沖刷20.920 億m3。沖刷主要集中在夾河灘以上河段，該河段長度占全下游的26%，沖刷量為12.516 億m3，占全下游的58%；夾河灘以下河段長度占全下游的74%，沖刷量為9.025 億m3，只占全下游的42%，沖刷量上多下少，沿程分布不均。從1999 年汛后以來各河段平均主槽沖淤面積來看，花園口以上河段沖刷4 548 m2，花園口—夾河灘河段沖刷6 823 m2，而艾山以下各河段不到1 000 m2，見表1［15］。

由表1 可知，各河段的沖刷強度上大下小，差別很大，夾河灘以上寬河道具有很大的容沙能力。截至2018年汛前，花園口以上河段的平灘流量在7 200 m3／s以上，而孫口附近卡口河段的平灘流量則只有4 200 m3／s。若考慮淤積使夾河灘以上河段的平灘流量減小至4 000 m3／s，估算的容沙量為花園口以上2.73 億m3、花園口至夾河灘河段2.89 億m3，合計5.62 億m3。

2.2.2 利用寬河道暫存泥沙

從表2 列出的2018—2020 年小浪底水庫出庫水沙條件來看，2 000～3 000 m3／s 流量的挾沙量為5.69億t，占比43%，小流量挾沙偏多。

2018—2020 年水庫排沙主要集中在5 場集中排沙洪水，見表3。5 場集中排沙洪水小浪底水庫共排沙11.694 億t，從場次洪水的河段沖淤量看，有5.681 億t的泥沙淤積在花園口以上河段（占水庫排沙量的49%），其次為花園口—高村河段的0.958 億t（占水庫排沙量的8%），高村以下河段的淤積量很少，說明在集中排沙期下游河道的淤積主要發生在花園口或夾河灘以上的寬河段，在高村以下河段淤積量很小。

從汛期的沿程累計沖淤量（見圖2，斷面法計算結果）來看，2018 年汛期淤積集中在西霞院至郭莊（花園口以下40 km 處）河段；2019 年汛期高村以上河段連續淤積，但淤積主要集中在西霞院至于店（花園口以下59.3 km 處）河段，2019 年汛期淤積長度較2018 年增加；2020 年汛期淤積集中在西霞院至秦廠（花園口上游20 km 處）河段。

圖2 2018—2020 年汛期沿程累計沖淤量

從沿程累計沖淤量過程線可以看出，除了連續淤積的河段，其下游的河段是沖刷的，這說明，至少在排沙年份的汛期，淤積河段下游的河段能夠實現凈沖刷，即使淤積河段長度最大的2019 年汛期，高村以下河段也是凈沖刷的。

為分析槽寬對沖淤的影響，將夾河灘以上河段分為伊洛河口以上河段、伊洛河口—花園口河段和花園口—夾河灘河段，點繪2019 年排沙期各河段沖淤面積和槽寬的關系發現，同一河段淤積面積隨槽寬的增大而增大；同樣的槽寬，越上游的河段淤積強度（單位河長的淤積量）越大。

寬淺斷面往往是兩股或多股汊河，小浪底水庫排沙期的日均流量為1 600～4 200 m3／s，多股汊河使有限的流量產生分流，每股汊河的流量更小、流速更小，排沙水流在這樣的斷面上容易發生淤積。伊洛河口斷面2019 年7 月8 日測時水位為105.535 m，該水位下的過水斷面面積為4 356 m2，考慮洪水演進和沿程坦化，推算當時的流量為4 113 m3／s，則斷面平均流速為0.94 m／s，主槽流速明顯小于1.42 m／s［16］。流速小是排沙洪水發生河道淤積的原因。

2.3 后期逐漸沖刷恢復及其影響

小浪底大壩至夾河灘河道長201 km，其中花園口以上河段長118 km。小浪底水庫下泄的小流量清水也會對該河段產生沖刷，且主要在上游段，剛好是淤積量大的河段，從而使之前的淤積泥沙很容易被沖刷帶走。圖3 為2018—2020 年3 a 汛期和全年的沿程累計沖淤量，這3 a 汛期，柳園口以上河段淤積2.0 億m3，若考慮非汛期的清水沖刷0.6 億m3，則柳園口以上河段仍然凈淤積1.4 億m3，柳園口以下河段沖刷1.47億m3。

排沙期對卡口河段造成了淤積，但淤積不多，很容易沖刷恢復。2018 年排沙期，高村—艾山河段淤積0.072億t，在小浪底水庫排沙過后的清水過程發生沖刷，至2018 年9 月27 日沖刷完淤積量0.072 億t，歷時59 d，相應小黑武（小浪底、黑石關和武陟三站之和，下同）水量99 億m3，見圖4（a）；2019 年排沙期，第1 場洪水沖刷0.107 億t，第2 場和第3 場共淤積0.034 億t，排沙期間河道凈沖刷0.073 億t；2020 年排沙期，高村—艾山河段淤積0.095 億t，在排沙過后的清水過程發生沖刷，至2020 年10 月4 日沖刷完淤積量0.095 億t，歷時49 d，相應小黑武水量117 億m3，見圖4（b）。

圖4 高村—艾山河段沖刷恢復過程

黃河下游非汛期和小水期有“上沖下淤”的現象，但小浪底水庫運用以來，“上沖下淤”的程度大大減輕。沙量法和斷面法的分析成果顯示，小浪底水庫運用以來，山東河道的臨界沖刷流量為1 500 m3／s［17－18］，而不是三門峽水庫下泄清水期的2 600 m3／s，并且小水期同樣的來水流量，在山東河道的淤積強度也明顯小于三門峽水庫攔沙期的。目前，800～1 500 m3／s 的流量容易引起山東河道淤積，這和三門峽水庫攔沙期的800～2 600 m3／s 差別很大。分析認為，之所以800～1 500 m3／s的流量容易導致該河段淤積，原因是此流量級挾帶的來自該河段上游的泥沙較多，而該河段此流量級水流的挾沙能力不足以挾帶泥沙。三門峽水庫攔沙期，黃河下游寬河道擺動、寬淺散亂，情況非常嚴重，而目前受高村以上寬河道整治工程的影響，與三門峽水庫攔沙期相比，寬河道的塌灘大幅度減少，從而使小水期水流挾帶至艾山斷面的泥沙大幅度減少。對比三門峽和小浪底水庫攔沙期0～800 m3／s 和800～1 500 m3／s 兩個流量級的含沙量，0～800 m3／s 流量級的含沙量，三門峽水庫攔沙期平均為5.44 kg／m3，而小浪底水庫攔沙期在2002 年為6.42 kg／m3，至2008 年降低為2.36 kg／m3，此后長期維持在2 kg／m3左右，只有三門峽水庫攔沙期5.44 kg／m3的37%；800～1 500 m3／s 流量級的含沙量，小浪底水庫2008 年之后的攔沙期，為4.2 kg／m3左右，只有三門峽水庫攔沙期12.3 kg／m3的34%。顯然，更小的含沙量意味著河道淤積強度更低。此外，河道橫斷面形態的差別也是原因之一，1960—1964 年，在經歷了包括1958 年的大水沖刷展寬后，河槽相對寬淺，而小浪底水庫運用開始的1999 年，經過前期的長期枯水，河槽相對窄深，這更利于減淤和輸沙，小流量時期淤積減少。

圖5 為黃河下游險工水尺、水位站及水文站2020年最后一次出現3 000 m3／s 對應水位和2018 年首次出現3 000 m3／s 對應水位的差值。從沿程3 000 m3／s同流量水位變化可以看出，同流量水位連續抬高的河段為趙溝至棗樹溝長約50 km 的河段。棗樹溝至夾河灘長約120 km 的河段水位有升有降，總的來說同流量水位變化不明顯。夾河灘以下長約660 km 的河段，除個別站外，絕大多數河段的同流量水位是顯著下降的。

圖5 沿程3 000 m3／s 同流量水位變化

2018 年汛前，孫口上下的彭樓—陶城鋪河段為全下游主槽平灘流量較小的卡口河段，平灘流量的最小值為4 200 m3／s，斷面有徐沙洼、陳樓、龍灣（二）、大田樓和路那里［15］。2018—2020 年，黃河下游卡口河段仍為沖刷，卡口河段絕大多數斷面的平灘流量有不同程度的增大。據分析，2021 年汛前，黃河下游卡口河段最小平灘流量的位置在陳樓—北店子河段，平灘流量最小的斷面為陳樓、梁集、路那里和王坡斷面，平灘流量的最小值為4 600 m3／s［19］。也就是說，3 a 排沙期黃河下游最小平灘流量仍增大400 m3／s，黃河下游河道的整體排洪能力非但沒有減小，反而顯著提高了。水庫排沙沒有引起高村以下（包括卡口河段）排洪能力降低。

3 討論

1）并非小浪底水庫排沙的所有年份黃河下游高村以下河道都會發生沖刷和同流量水位下降，同樣的水庫排沙量，如果遭遇枯水年，高村以下河道（包括卡口河段）不一定發生沖刷。此外，根據歷次排沙期黃河下游河道淤積量沿程分布的分析結果，水庫排沙造成的淤積，往往從縱比降突然變緩的下古街斷面開始，沿程逐漸減弱。也就是說，排沙期花園口以上河段的淤積強度從下古街開始逐漸減弱，花園口以上河段雖然平灘流量較大，但沿程淤積分布并不均勻，而是集中在下古街（花園口上游97.4 km）往下不長的河段。短期的大量水庫排沙很可能淤積在局部河段，引起水位陡漲。例如，2019 年集中排沙期，開儀險工水尺的3 000 m3／s 同流量水位一度抬高了1.82 m［16］，需要引起注意。

2）排沙期，為避免卡口河段發生漫灘，小浪底水庫應按不大于4 000 m3／s 的流量下泄，流量不能再大。對排沙期間黃河下游河道在縱向和橫向的沖淤研究顯示，由于寬河道斷面寬淺及部分河段多股汊河的存在，流速不夠大，因此邊灘和深槽均發生淤積。目前，小浪底水庫庫區淤積物的三角洲頂點高程距壩僅6.54 km，很快就要抵達壩前，同樣的排沙流量，小浪底水庫排出的沙量將更多，若排沙則花園口以上寬河道的淤積量更大。從長遠看，要從根本上解決黃河下游河道的淤積問題，還需要：1）繼續沖刷提高黃河下游卡口河段的排洪能力；2）抓緊修建古賢水庫，為三門峽和小浪底水庫沖刷提供后續動力，排泄更多泥沙；3）將黃河下游寬河道縮窄，以期形成窄深河槽，并利用窄深河槽多來多排的輸沙特點，在洪水期直接輸沙入海。

4 結束語

本文分析了2018—2020 年3 a 排沙期庫區和下游河道沖淤變化，結果顯示，在排沙的3 a 內：1）三門峽和小浪底水庫不但將來沙排出，還使庫區發生6.44億t 沖刷，相當于之前10 a 的淤積量；2）從5 次集中排沙期下游河道各河段的沖淤量來看，有近50%的來沙淤積在花園口以上河段，高村以下河段淤積量很少；3）排沙期卡口河段所在高村—艾山河段的淤積泥沙會在排沙期或排沙結束后2 個月內沖刷恢復（相應小黑武的水量為99 億～117 億m3）；4）從3 a 的沖淤狀況來看，黃河下游高村以下河道仍凈沖刷，卡口河段的最小平灘流量增大了400 m3／s，河道的排洪能力還有明顯提升。這表明，在目前小浪底水庫單庫運用的情況下，水庫河道泥沙跨年接續調節是現實可行的，應該在以后遇到類似的來水來沙條件時繼續實施。

從長遠看，要徹底解決黃河下游的泥沙淤積問題，需要古賢水庫產生“人造洪水”提供后續動力，增大小浪底水庫的沖刷效果，利用黃河下游河道窄深河槽的輸沙特點輸沙入海。