2021年3月7日
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黄河流域全河水沙调控的可行性与模式探索

  黄河水沙调控的概念最早可追溯至1955年编制的《黄河综合利用规划技术经济报告》,其明确指出:“在黄河的干流和支流上修建一系列的拦河坝和水库。依靠这些拦河坝和水库,我们可以拦蓄洪水和泥沙,防治水害;可以调节水量,发展灌溉和航运。”

  黄河水沙调控的实践探索源于三门峡水库。1960年三门峡水库正式建成投运,初期蓄水拦沙运用后,水库产生严重淤积,淤积末端上延。为减缓水库淤积,提高水库泄流排沙能力,三门峡水库历经两次改建、三次改变运用方式,最终实现了长期的冲淤平衡和有效库容维持,从实践上证实了多沙河流大型水库长期使用的可能性。1969年刘家峡水库投入运用,1986年龙羊峡水库投入运用,龙羊峡水库、刘家峡水库(简称龙刘水库)联合调度深刻改变了进入黄河中下游的水沙过程,同时为全河水沙调控的实现奠定了上游段的工程基础;1998年万家寨水库投入运用,1999年小浪底水库建成投入运用,中游万家寨、三门峡、小浪底梯级水库联合调度的工程基础初步形成。

  2002年至2015年,黄河水利委员会(简称“黄委”)开展19次调水调沙,利用干支流水库群对进入下游河道的水沙关系进行调节和控制,以减缓水库淤积,充分发挥下游河道的输沙能力,遏制河槽萎缩、恢复并维持中水河槽。随着调水调沙实践经验的积累,黄委创立了小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接和干流水库群水沙联合调控3种基本模式,实现了黄河下游主槽的全线冲刷,下游主槽的最小过流能力由2002年汛前的1800立方米每秒恢复到了2010年的4000立方米每秒;通过塑造人工异重流,或利用坝前形成的浑水水库,增大水库排沙比,减少水库淤积,调整了库区淤积形态,同时使河口三角洲的生态系统得以恢复和改善。特别是2018年、2019年,利用上中游有利的来水情势,干流水库群科学调度,小浪底水库实现了长历时、低水位、大流量排沙调度,前汛期分别排沙4.6亿吨和5.4亿吨,调节库容得到有效恢复,综合效益显著。

全河水沙调控概念缘起与发展

  全河水沙调控概念的提出相对较晚。1997年,针对治黄工作中出现的新情况、新问题,黄委历经10余年修编的《黄河治理开发规划纲要》通过了国家计划委员会和水利部的联合审查。该纲要首次从流域规划的角度明确提出:“高坝大库与径流电站或灌溉壅水枢纽相间布置,形成以龙羊峡、刘家峡、大柳树、碛口、古贤、三门峡和小浪底等7大控制性骨干工程为主体的比较完善的综合利用工程体系,较好地控制洪水泥沙,调节径流,适应黄河水沙特性和治理开发要求。”

  在此基础上,黄委修编的《黄河近期重点治理开发规划》于2002年开始实施。该规划提出了解决黄河洪水和泥沙问题的基本思路:“上拦下排、两岸分滞”控制洪水;“拦、排、放、调、挖”,处理和利用泥沙。并以此思路提出建设以龙羊峡、刘家峡、黑山峡(原大柳树)、碛口、古贤、三门峡和小浪底7大骨干水利枢纽工程为主体的黄河水沙调控体系。

  2008年,时任黄委主任李国英带队考察宁蒙河道,在银川召开座谈会,首次明确提出“全河调水调沙”这一概念,但受当时理论、技术等条件限制,这个想法未被广泛接受和付诸实践。

  2013年,黄委修编完成了《黄河流域综合规划》(2012~2030年)。该规划指出:到2020年,黄河水沙调控和防洪减淤体系初步建成;到2030年,黄河水沙调控和防洪减淤体系基本建成,洪水和泥沙得到有效控制。由干流7大水库、海勃湾和万家寨水库,以及支流的控制性水库共同构成水沙调控工程体系,由水沙监测、预报和水库群调度决策支持系统等构成水沙调控非工程体系。

  尽管黄河水沙调控的理论与实践取得了长足进展和成就,但应看到,目前黄河干支流水沙调控工程体系并未完全建立,从上游龙刘水库到中游三小水库(三门峡水库、小浪底水库)之间仍有超过2000千米的河道,两大水库群中间的水力联系较弱,沿程调节能力最大的水库万家寨水利枢纽当前(截至2020年汛前)剩余库容仅5.45亿立方米,因此尚无法实现规划意义上的全河水沙调控。在全河水沙调控工程体系尚未完全建立的条件下,能否通过精细化水沙调控和严格水资源管理,利用龙刘水库的汛前下泄水量和沿程万家寨水库的适度调节,实现弱水力联系条件下的全河水沙调控,是本文探讨的关键技术问题。

全河水沙调控的可行性分析

  根据黄委公布的2012~2019年汛前黄河水量调度方案,考虑上游龙刘水库可调水量、龙刘水库至三小水库区间来水量和引水量等,综合分析汛前三小水库水沙调控能够利用的上中游水量,由此探究当前工程条件下全河水沙调控的可行性。

  龙刘水库可调水量

  龙刘水库每年汛前(7月1日前)需将水位降至汛限水位,这部分下泄水量即可作为全河水沙调控的可调水量。其中龙羊峡水库正常蓄水位2600米,相应库容242.9亿立方米,现状汛限水位2592米,相应库容210.6亿立方米;刘家峡水库正常蓄水位1735米,相应库容39.93亿立方米,汛限水位1727米,相应库容29.75亿立方米,因此理论上龙刘水库的可调水量为42.48亿立方米。

  实际上龙刘水库的蓄泄过程和上游水情密切相关。根据近年运用情况,龙刘水库6月多年平均下泄水量为30亿立方米,取此值作为可调水量。

  区间来水量与引水量

  此处的“区间”指的是刘家峡出库到三门峡入库的黄河干流河道。根据2012~2019年区间来水量与引水情况,得到6月宁蒙河段和北干流河段多年平均区间来水量分别为3.47亿立方米和6.12亿立方米,总来水量为9.59亿立方米;6月宁蒙河段、北干流河段多年平均区间引水量分别为19.31亿立方米和2.36亿立方米,总引水量为21.67亿立方米。龙刘水库汛前6月多年平均下泄水量为30亿立方米、考虑区间来水量与引水量,潼关水文站6月可利用的来水量为17.92亿立方米。

全河水沙调控模式探索

  笔者提出两种全河水沙调控模式:一是常规调度模式,指龙羊峡水库、刘家峡水库、万家寨水库、三门峡水库、小浪底水库群(简称龙刘万三小水库群)均按现有调度规则开展调度;二是非常规调度模式,即三门峡水库在汛期可短暂突破305米的汛限水位限制,最高水位可蓄至318米。两种调度模式均按2020年汛前边界条件开展计算分析。

  全河水沙调控边界条件

  全河水沙调控过程中,各水库下泄流量的上限通常由下游河道过流能力决定,而下泄流量的下限通常由下游河道生态基流、水库单台机组满发流量等综合决定。

  水库调度约束。水库调度约束包括防洪、发电、供水、生态、大坝安全约束等。一般情况下,大坝自身泄流能力决定了其下泄流量的上限,这个上限往往远高于下游河道过流能力,因此无需特别考虑。下游河道生态基流、单台机组满发流量等共同决定了下泄流量的下限。在正常泄流过程中,机组满发流量是需要考虑的一个重要流量值,超过此流量值即会产生发电弃水,从经济上考虑应尽可能规避。

  河道约束。河道约束主要包括河道最大过流能力约束和河道生态基流约束,二者分别对应水库下泄流量的上下限,一般情况下不宜突破。全河水沙调控主要考虑宁蒙河段、北干流河段和黄河下游河段三段河道约束。

  全河水沙调控常规调度模式

  从满足全河水沙调控目标与边界条件考虑,刘家峡水库下泄流量为2111立方米每秒,下泄时间为16天。考虑宁蒙河段区间引水量及区间来水情况,龙刘水库汛前将向万家寨水库提供16天、1500立方米每秒的流量过程。根据不同流量级洪水传播时间分析,从刘家峡出库小川水文站到万家寨入库头道拐水文站,1500立方米每秒流量级洪水传播时间约为9天。

  万家寨水库正常蓄水位为980米,汛限水位为966米,正常蓄水位和汛限水位之间库容为3.08亿立方米,可在龙刘水库联合调度的洪水过程基础上塑造9天、2000立方米每秒以上流量过程,汛前库水位从980米降至966米左右,继续按流量为2055立方米每秒下泄。为保证万家寨水库供水及发电功能正常,库水位降至957米(最低供水水位)后,水库按进出库平衡运用。水位957米保持7天后,利用入库1500立方米每秒流量,将库水位回蓄至963米(按不超过汛限水位966米控制)以上。万家寨水库下泄1500立方米每秒~2055立方米每秒流量,考虑河道引水、来水情况,万家寨水库调度后将向三门峡水库提供9天、2200立方米每秒左右和6天、1645立方米每秒的流量过程,16天洪水过程被调节压缩至15天。根据不同流量级洪水传播时间分析,从万家寨出库到三门峡入库,1500立方米每秒~2200立方米每秒流量级的洪水传播时间约为5天。

  三门峡水库汛限水位为305米,汛限水位以下库容为0.494亿立方米,不具备调蓄能力,水库按进出库平衡运用。小浪底水库汛限水位为235米,为更好发挥排沙效果,以220米水位对接三门峡下泄流量,出库流量按3000立方米每秒下泄,库水位降低至210米后,按进出库平衡运用。经小浪底水库调节后,进入下游的流量过程变为3天、3000立方米每秒,1天、2688立方米每秒,5天、2200立方米每秒左右和6天、1645立方米每秒,15天洪水过程的时长不变。

  全河水沙调控非常规调度模式

  三门峡水库调度分为两个阶段:第一阶段为蓄水阶段,汛前库水位降低至305米后,水库回蓄至约318米,下泄流量满足三门峡水库1台机组满发流量250立方米每秒即可,该过程持续3天;第二阶段为补水阶段,水库下泄流量4000立方米每秒,持续3天,水位降至305米后维持进出库平衡,可再维持1天下泄2650立方米每秒和2天下泄2200立方米每秒左右的流量过程。经三门峡水库调节后,15天洪水过程被调节压缩至12天。

  小浪底水库汛前将库水位降至220米后,对接三门峡下泄的小流量过程,下泄流量使库水位降至210米。此后小浪底水库保持进出库平衡,利用三门峡下泄的大流量过程对水库进行冲刷排沙。小浪底水库可下泄3天、4000立方米每秒,3天、2200立方米每秒左右和6天、1645立方米每秒的流量过程。经小浪底水库调节后,12天洪水过程时长不变。

  两种模式调控效果对比分析

  采用一维水库排沙与下游河道冲淤演变数学模型从三门峡水库、小浪底水库排沙和下游河道冲淤演变两方面开展调控效果的对比分析,评价两种全河水沙调控模式的排沙减淤效果。

  水库群排沙分析。两种方案对三门峡水库库容的恢复作用有限,其中常规调度模式引起的三门峡水库冲刷量略大,这主要是运用水位不同所致,常规调度模式下三门峡水库水位维持在305米,保持进出库平衡,当入库流量达到2200立方米每秒时,三门峡库区即产生冲刷;非常规调度模式下三门峡水库水位至318米左右后下泄流量为4000立方米每秒,前期蓄水阶段无法对水库产生显著冲刷。

  对小浪底水库而言,非常规调度模式的排沙效果显著优于常规调度模式的。其主要原因是,非常规调度模式下坝前水位降至对接水位210米后,小浪底库区被三门峡水库出库大流量持续冲刷。在坝前水位为210米这个阶段,非常规调度模式塑造了3天、4000立方米每秒,3天、2200立方米每秒左右的流量过程,而同期常规调度模式只有1天、2688立方米每秒,5天、2200立方米每秒左右的流量过程。

  下游河道冲淤演变分析。两种调度模式的下游河道(小浪底—利津)淤积量分别为0.113亿吨、0.221亿吨,淤积部位主要在高村以上河段,分别占全下游淤积量的116%、114%;高村以下河道淤积较少,艾山以下河道以冲刷为主。

  需要指出的是,尽管非常规调度模式使下游河道产生了更明显的淤积,但也输送更多的泥沙进入河口地区,而且提供了3天左右4000立方米每秒流量过程,对于维持下游中水河槽、改善畸形河势均十分有利,同时可以检验河道整治工程的适应性。

  综上所述,如能适当突破三门峡水库的汛期调度规则限制,或在龙刘水库和小浪底水库之间提供新的能够有效调节流量过程的大型水库,则能够更好地利用龙刘水库下泄流量过程,塑造长历时、大流量的洪水过程,冲刷小浪底库区和下游河道,减轻水库淤积,输送更多的泥沙入海。即使在现状工程条件和调度规则下,本文提出的全河水沙调控常规调度模式,也能够显著冲刷小浪底库区和输送1.3亿吨泥沙入海,具备切实的可行性。

  (作者单位:黄河水利科学研究院)

  编辑:李银鸽 范江涛

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