小浪底水庫2018年主汛期防洪預泄排沙效果分析

李曉宇，李 焯，郭 銀

（1.黃河水利委員會河南水文水資源局，河南鄭州450004；2.黃河水利委員會水文局，河南 鄭州450004）

1 背 景

小浪底水庫位于黃河中游最后一段峽谷出口處，控制流域面積69.4萬km2，占黃河流域面積（75.2萬km2，不含內流區）的92.3%，設計庫容126.5億m3，是黃河干流重要的控制性工程之一。1999年10月蓄水運用以來，通過蓄清排渾、調水調沙，有效延緩了黃河下游“地上懸河”和“二級懸河”發育，提高了河道主槽過洪能力，改善了下游防洪形勢[1]。然而，水庫運行20 a來，已累計淤積泥沙約31億m3，如何通過合理的水沙調節，以更少的水量將更多的泥沙排出水庫，延長水庫運行壽命，是治黃的重要課題之一。

在小浪底水庫以往的運行管理和研究中，確定了一系列減少泥沙淤積的運行方式，主要包括攔粗排細、調水調沙、異重流排沙、相機降低水位排沙等，取得了較好的減淤排沙效果。攔粗排細是在小浪底水庫運行初期的蓄水攔沙階段，將粗顆粒泥沙淤積在攔沙庫容內，而細顆粒泥沙暫時淤積，在適當水流條件下排出庫外；調水調沙是通過水庫調度，合理配置水沙過程，將水庫泥沙和河床淤沙輸送入海，實現水庫減淤和增大下游河道行洪能力的效果；異重流排沙指待異重流運行至壩前時打開底孔排沙，保留上部清水；相機降低水位排沙指利用入庫洪水過程，通過降低水庫水位達到沖刷水庫淤積并排沙出庫的效果[2]。

2018年主汛期的7月3—11日，黃河防總借助小浪底水庫低水位運行的有利時機，加大三門峽水庫下泄流量沖刷小浪底水庫淤積泥沙，并適時加大小浪底水庫下泄流量排沙出庫，是應用“相機降低水位排沙”方式減少水庫淤積的典型實踐，取得了良好的排沙效果。

2 主汛期防洪預泄過程

根據氣象預報，2018年汛期黃河上中游降水量較多年平均增大50%以上，特別是主汛期7—8月發生暴雨洪水的概率顯著增大。基于對天氣形勢的預判，黃河防總統籌上中游水庫進行聯合防洪調度。小浪底水庫的防洪預泄大致可分“前期清水預泄”和“主汛期防洪預泄”兩個階段：第一階段自汛前開始，水庫下泄清水，騰空防洪庫容，5月10日庫水位降至防洪限制水位254 m，6月29日降至死水位230 m；第二階段自7月初開始，在上中游洪水形成但尚未演進至水庫之前，由三門峽水庫加大下泄流量，在小浪底水庫低水位條件下沖刷庫區內淤積泥沙，同時，小浪底水庫加大下泄流量排沙出庫。“主汛期防洪預泄”一方面進一步騰空了三門峽、小浪底兩庫的防洪庫容，為迎接上中游洪水進行了準備，另一方面在三門峽、小浪底兩庫均起到了良好的排沙效果，特別是小浪底水庫的排沙效果十分顯著。本文重點研究2018年“主汛期防洪預泄”的過程和效益。

（1）小浪底出庫水沙過程。小浪底水庫自7月3日起加大泄量，3日10時流量超過3 000 m3/s，16時超過3 500 m3/s并持續至4日20時；期間4日16—17時流量短時超過4 000 m3/s，16時48分洪峰流量為4 490 m3/s；4日20時之后大幅回落，到5日2時減小至2 000 m3/s左右。

5日11時起再次加大下泄流量，5日18時—8日6時流量在3 000 m3/s左右波動；期間7日8—12時流量短時超過4 000 m3/s，10時洪峰流量為4 150 m3/s；8日6時之后持續回落，到9日8時減小至2 000 m3/s以下。

9日11時起下泄流量再次增大至2 700 m3/s左右，并持續到11日16時本次預泄過程結束。

出庫含沙量過程滯后于流量，自7月4日8時開始排沙出庫，含沙量持續增大，4日 16時超過5 kg/m3，5日16時超過 50 kg/m3，7日 0時超過 100 kg/m3，7日22時達到沙峰154 kg/m3；9日12時之后含沙量逐漸減小，到11日預泄過程結束時含沙量減小至30 kg/m3左右。小浪底出庫水沙過程見圖1。經統計，本次過程歷時208 h，出庫洪量為20.03億m3，輸沙量1.274 億 t。

圖1 小浪底水庫防洪預泄出庫水沙過程

（2）對應的三門峽出庫水沙過程。三門峽、小浪底兩庫區間產水產沙量較小，因此用三門峽出庫水沙過程作為小浪底入庫過程。三門峽水庫7月3日20時開始加大泄量，5日1時36分出現洪峰，流量為4 060 m3/s；5日14時出現沙峰，含沙量為255 kg/m3。到10日三門峽泄流過程基本結束（見圖2）。經統計，該洪水過程的洪量為12.63億m3，輸沙量為0.824億t。

圖2 與小浪底水庫防洪預泄期對應的三門峽出庫水沙過程

（3）對應的下游花園口水文站水沙過程。小浪底水庫防洪預泄形成了花園口水文站的洪水過程，由于小浪底—花園口區間（簡稱小花間）的伊洛河和沁河流量均較小，因此上下游水沙過程呈現較好的響應關系。花園口站7月4日6時流量起漲，5日8時達到第一個峰頂3 940 m3/s；短暫回落后又再次起漲，7日22時達到第二個峰頂4 360 m3/s；之后逐步回落，到12日15時洪水過程基本結束。含沙量過程滯后于流量，6日11時含沙量超過5 kg/m3，9日8時達到最大含沙量38 kg/m3，12日過程結束時又回落至20 kg/m3以下（見圖3）。經統計，花園口站洪水過程的洪量為22.92億m3，輸沙量為0.418億t。

圖3 與小浪底水庫防洪預泄過程對應的花園口站水沙過程

3 排沙效果分析

小浪底水庫自2002年至今開展了18次調水調沙，將此次防洪預泄過程的排沙效果與歷次調水調沙進行對比。歷史上18次調水調沙平均出庫水量為38.10億m3，平均出庫沙量為0.347億t，平均含沙量為9.1 kg/m3；最大場次出庫沙量為0.751億t，最大平均含沙量為29.0 kg/m3（見表1）。

表1 小浪底水庫歷次調水調沙水沙特征值

本次防洪預泄小浪底出庫水量為20.03億m3，沙量為1.274億t，平均含沙量為63.6 kg/m3，即每1 m3水可挾帶63.6 kg泥沙出庫。本次的出庫沙量和平均出庫含沙量均明顯大于歷次調水調沙，排沙效果良好。即使考慮前期清水預泄水量34.79億m3（防洪限制水位254 m至死水位230 m），則總出庫水量為54.82億m3，平均出庫含沙量也達到了23.2 kg/m3，與歷次調水調沙的最佳排沙效果相當。

初步分析排沙效果差異的原因，發現庫水位對排沙具有重要的影響。由歷次調水調沙期間的平均庫水位與平均出庫含沙量的相關關系（見圖4）可見，兩者具有較好的響應關系，確定系數R2達到0.827 5，說明在合理的調度運用前提之下，降低水庫水位能夠顯著提高排沙效果。同時，從圖4可以看出，當排沙期平均庫水位高于235 m時，平均出庫含沙量很小；當平均庫水位在225～235 m時，平均出庫含沙量變化不大，為5～12 kg/m3；當平均庫水位降至225 m以下時，出庫含沙量明顯增大，普遍大于 15 kg/m3，多數超過20 kg/m3，排沙效果明顯提高。李昆鵬等[4]在小浪底庫區異重流排沙對接水位研究中，認為2013年異重流排沙在庫水位220.99 m以下時排沙效果良好，當庫水位提升4.85 m（即225.84 m）后對排沙產生不利影響。該成果可佐證本文得出的結論。

分析還發現，歷史18次調水調沙在小花間干流的平均淤積量為0.001億t，沖淤基本平衡；而本次防洪預泄過程中花園口的輸沙量僅為0.418億t，說明出庫泥沙在小花干流淤積0.856億t。初步分析可能與泥沙顆粒較粗、后續洪水動能不足有關，需要加強相關研究剖析其成因，并在后續的水庫調度運用中合理利用上中游洪水沖刷下游河道，排沙入海。

圖4 調水調沙期間小浪底平均庫水位與平均出庫含沙量的關系

4 結 語

（1）2018年主汛期小浪底水庫防洪預泄過程歷時208 h，最大流量4 490 m3/s，最大含沙量154 kg/m3，出庫水量20.03億m3，出庫沙量1.274億t，平均含沙量63.6 kg/m3。出庫沙量和平均含沙量均明顯高于歷次調水調沙，取得了良好的排沙效果。

（2）分析歷次調水調沙資料，認為在小浪底水庫合理調度運用的前提下，降低水庫水位能顯著提高排沙效果。當排沙期間的平均庫水位降至225 m以下時，排沙效果明顯提高。

（3）本次防洪預泄在小花間干流河道淤積泥沙0.856億t，建議在今后工作中加強相關研究，合理調度上中游洪水沖刷下游河道。