黃河流域全河水沙調控的可行性與模式探索

王遠見 江恩慧 張翎

摘 要：過去幾十年黃河水沙調控的理論與實踐探索取得了一定進展，但現狀工程條件下龍羊峽、劉家峽、萬家寨、三門峽、小浪底水庫群聯合運用進行全河水沙調控的可行性與調控模式鮮有系統探討。在全面分析多年平均條件下，上游龍羊峽、劉家峽水庫可調水量和區間來水量、引水量的基礎上，論證了現狀工程條件下開展全河水沙調控的可行性，提出了全河水沙調控常規與非常規調度兩種模式，并對比分析了各自效果。結果表明：全河水沙調控常規與非常規兩種調度模式下小浪底排沙量分別為1.451億t和1.913億t，下游河道淤積量分別為0.113億t和0.221億t;無論采取何種水沙調控模式，小浪底水庫均能在騰庫迎洪的同時實現有效的庫區沖刷，同時對下游河道淤積影響較小。在加強水庫精細化調度和嚴格的區間引水管理前提下，現狀工程條件下的全河水沙調控模式是完全可行的。

關鍵詞：全河水沙調控;可調水量;調控模式;水庫群;黃河

中圖分類號：TV152;TV882.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.009

Abstract：In the past decades， some progress has been made in the theory and practice of water and sediment regulation of the Yellow River. However， under the current engineering conditions， the feasibility and model of the whole river water and sediment regulation combined with the cascade reservoirs of Long （Longyangxia）， Liu （Liujiaxia）， Wan （Wanjiazhai）， San （Sanmenxia） and Xiao （Xiaolangdi） are rarely discussed. Based on a comprehensive analysis of the adjustable water volume of the Long-Liu cascade reservoirs， interval inflow and diversion water volume of the whole river under the multi-year average condition， this paper demonstrated the feasibility of the whole river water and sediment regulation under the current engineering conditions. Two modes were put forward including the conventional mode and the unconventional mode， and the effects of two modes were compared and analyzed. The results show that the sediment discharge of Xiaolangdi Reservoir under the two modes is 145.1 million tons and 191.3 million tons respectively and the sediment deposition of the downstream channel is 11.3 million tons and 22.1 million tons respectively. No matter which mode of water and sediment regulation is adopted， Xiaolangdi Reservoir can achieve effective erosion in reservoir during the period of discharging before flood， and at the same time， it has little influence to the siltation of river channel. Therefore， under the premise of strengthening the fine operation of the reservoir and strict interval diversion management， the whole river water and sediment regulation mode under the current engineering conditions is completely feasible.

Key words： whole river water and sediment regulation; adjustable water volume; regulation mode; cascade reservoirs; Yellow River

1 研究背景

1.1 黃河水沙調控的理論與實踐探索

黃河水沙調控的概念最早可追溯至1955年編制的《黃河綜合利用規劃技術經濟報告》[1]，其明確指出：“在黃河的干流和支流上修建一系列的攔河壩和水庫。依靠這些攔河壩和水庫，我們可以攔蓄洪水和泥沙，防治水害;可以調節水量，發展灌溉和航運。”據此所做的黃河綜合利用遠景發展規劃提出，在黃河干流上實行梯級開發，修建46座攔河工程。錢寧等[2]在20世紀70年代明確提出，應利用黃河流域的骨干水庫，開展調水調沙，減少下泄沙量，減少河道淤積，改善泥沙淤積部位。此后，多位學者圍繞黃河水沙調控的目標[3]、工程布局[4-5]、理論與技術[6-11]開展研究，并在水沙調控過程的物理模擬[12-13]、數值模擬技術[14-17]等方面取得了長足進展。

黃河水沙調控的實踐探索源于三門峽水庫。1960年三門峽水庫正式建成投運，初期蓄水攔沙運用后，水庫產生嚴重淤積，淤積末端上延[5，18-19]。為減緩水庫淤積，提高水庫泄流排沙能力，三門峽水庫歷經兩次改建、三次改變運用方式，最終實現了長期的沖淤平衡和有效庫容維持，從實踐上證實了多沙河流大型水庫長期使用的可能性[20]。1969年劉家峽水庫投入運用，1986年龍羊峽水庫投入運用，龍羊峽水庫、劉家峽水庫（簡稱龍劉水庫）聯合調度深刻改變了進入黃河中下游的水沙過程[21]，同時為全河水沙調控的實現奠定了上游段的工程基礎;1998年萬家寨水庫投入運用，1999年小浪底水庫建成投入運用，中游萬家寨、三門峽、小浪底梯級水庫聯合調度的工程基礎初步形成。2002—2015年，19次開展調水調沙，利用干支流水庫群對進入下游河道的水沙關系進行調節和控制，以減緩水庫淤積，充分發揮下游河道的輸沙能力，遏制河槽萎縮、恢復并維持中水河槽[22]。隨著調水調沙實踐經驗的積累，黃河水利委員會（簡稱“黃委”）創立了小浪底水庫單庫調節為主、空間尺度水沙對接和干流水庫群水沙聯合調控3種基本模式[23]，實現了黃河下游主槽的全線沖刷，下游主槽的最小過流能力由2002年汛前的1 800 m3/s恢復到了2010年的4 000 m3/s;通過塑造人工異重流，或利用壩前形成的渾水水庫，增大水庫排沙比，減少水庫淤積，調整了庫區淤積形態，同時使河口三角洲的生態系統得以恢復和改善[24]。特別是2018年、2019年，利用上中游有利的來水情勢，干流水庫群科學調度，小浪底水庫實現了長歷時、低水位、大流量排沙調度，前汛期分別排沙4.6億t和5.4億t，調節庫容得到有效恢復，綜合效益顯著。

1.2 全河水沙調控概念緣起與發展

全河水沙調控概念的提出相對較晚。1997年，針對治黃工作中出現的新情況、新問題，黃委歷經10余a修編的《黃河治理開發規劃綱要》[25]通過了國家計劃委員會和水利部的聯合審查。該綱要首次從流域規劃的角度明確提出：“高壩大庫與徑流電站或灌溉壅水樞紐相間布置，形成以龍羊峽、劉家峽、大柳樹、磧口、古賢、三門峽和小浪底等7大控制性骨干工程為主體的比較完善的綜合利用工程體系，較好地控制洪水泥沙，調節徑流，適應黃河水沙特性和治理開發要求。”

在此基礎上，黃委修編的《黃河近期重點治理開發規劃》[26]于2002年開始實施。該規劃提出了解決黃河洪水和泥沙問題的基本思路：“上攔下排、兩岸分滯”控制洪水;“攔、排、放、調、挖”，處理和利用泥沙。并以此思路提出建設以龍羊峽、劉家峽、黑山峽（原大柳樹）、磧口、古賢、三門峽和小浪底7大骨干水利樞紐工程為主體的黃河水沙調控體系。

2008年，時任黃委主任李國英帶隊考察寧蒙河道，在銀川召開座談會，首次明確提出“全河調水調沙”這一概念，但受當時理論、技術等條件限制，這個想法未被廣泛接受和付諸實踐。

2013年，黃委修編完成了《黃河流域綜合規劃》（2012—2030年）[27]。該規劃指出：到2020年，黃河水沙調控和防洪減淤體系初步建成;到2030年，黃河水沙調控和防洪減淤體系基本建成，洪水和泥沙得到有效控制。由干流7大水庫、海勃灣和萬家寨水庫，以及支流的控制性水庫共同構成水沙調控工程體系，由水沙監測、預報和水庫群調度決策支持系統等構成水沙調控非工程體系。

盡管黃河水沙調控的理論與實踐取得了長足進展和成就，但應看到，目前黃河干支流水沙調控工程體系并未完全建立，從上游龍劉水庫到中游三小水庫（三門峽水庫、小浪底水庫）之間仍有超過2 000 km的河道，兩大水庫群中間的水力聯系較弱，沿程調節能力最大的水庫萬家寨水利樞紐當前（截至2020年汛前）剩余庫容僅5.45億m3，因此尚無法實現規劃意義上的全河水沙調控。在全河水沙調控工程體系尚未完全建立的條件下，能否通過精細化水沙調控和嚴格水資源管理，利用龍劉水庫的汛前下泄水量和沿程萬家寨水庫的適度調節，實現弱水力聯系條件下的全河水沙調控，是本文探討的關鍵技術問題。

2 全河水沙調控的可行性分析

根據黃委公布的2012—2019年汛前黃河水量調度方案[28]，考慮上游龍劉水庫可調水量、龍劉水庫至三小水庫區間來水量和引水量等，綜合分析汛前三小水庫水沙調控能夠利用的上中游水量，由此探究當前工程條件下全河水沙調控的可行性。

2.1 龍劉水庫可調水量

龍劉水庫每年汛前（7月1日前）需將水位降至汛限水位，這部分下泄水量即可作為全河水沙調控的可調水量。其中龍羊峽水庫正常蓄水位2 600.0 m，相應庫容242.9億m3，現狀汛限水位2 592.0 m，相應庫容210.6億m3;劉家峽水庫正常蓄水位1 735 m，相應庫容39.93億m3，汛限水位1 727 m，相應庫容29.75億m3，因此理論上龍劉水庫的可調水量為42.48億m3。

實際上龍劉水庫的蓄泄過程和上游水情密切相關。龍劉水庫2012—2019年6月下泄水量變化情況見圖1。根據近年運用情況，龍劉水庫6月多年平均下泄水量為30.0億m3，取此值作為可調水量。

2.2 區間來水量與引水量

此處的“區間”指的是劉家峽出庫到三門峽入庫的黃河干流河道。根據2012—2019年區間來水量與引水情況，得到6月寧蒙河段和北干流河段多年平均區間來水量分別為3.47億m3和6.12億m3，總來水量為9.59億m3;6月寧蒙河段、北干流河段多年平均區間引水量分別為19.31億m3和2.36億m3，總引水量為21.67億m3。龍劉水庫汛前6月多年平均下泄水量為30億m3、考慮區間來水量與引水量，潼關站6月可利用的來水量為17.92億m3。

3 全河水沙調控模式探索

筆者提出兩種全河水沙調控模式：一是常規調度模式，指龍羊峽水庫、劉家峽水庫、萬家寨水庫、三門峽水庫、小浪底水庫群（簡稱龍劉萬三小水庫群）均按現有調度規則開展調度;二是非常規調度模式，即三門峽水庫在汛期可短暫突破305 m的汛限水位限制，最高水位可蓄至318 m。兩種調度模式均按2020年汛前邊界條件開展計算分析。

綜上所述，如能適當突破三門峽水庫的汛期調度規則限制，或在龍劉水庫和小浪底水庫之間提供新的能夠有效調節流量過程的大型水庫，則能夠更好地利用龍劉水庫下泄流量過程，塑造長歷時、大流量的洪水過程，沖刷小浪底庫區和下游河道，減輕水庫淤積，輸送更多的泥沙入海。

即使在現狀工程條件和調度規則下，本文提出的全河水沙調控常規調度模式，也能夠顯著沖刷小浪底庫區和輸送1.3億t泥沙入海，具備切實的可行性。

4 結 論

從20世紀50年代《黃河綜合利用規劃技術經濟報告》出臺至今，建設完整的全河水沙調控工程與非工程體系的構想由來已久，體系建設的實踐過程歷經波折。本文嘗試探討了在現有工程布局、弱水力聯系條件下全河水沙調控的可行性與調控模式，得到的主要結論如下：

（1）多年平均來水條件下，汛前龍劉水庫可下泄水量為30億m3，考慮區間來水量及引水量，三門峽入庫潼關站6月可利用來水量為17.92億m3。

（2）常規調度模式下三門峽水庫可塑造15 d中小流量過程（最大流量2 200 m3/s），小浪底水庫實現排沙1.451億t，下游河道淤積0.113億t;非常規調度模式下三門峽水庫可塑造12 d大流量過程（最大流量4 000 m3/s），小浪底水庫實現排沙1.913億t，下游河道淤積0.221億t。

（3）無論何種全河水沙調控模式，小浪底水庫均能在騰庫迎洪的同時實現有效的庫區沖刷，同時對河道淤積影響較小。因此，在加強水庫精細化調度和嚴格的區間引水管理前提下，現狀工程條件下的全河水沙調控模式是完全可行的。

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【責任編輯 呂艷梅】