多泥沙河流水庫汛期水沙調控度研究

張金良 胡春宏 劉繼祥 羅秋實 魯俊

摘 要：汛期是多沙河流水庫調控水沙的關鍵時期，以往研究和實踐中，多以定性或寬泛指標描述水沙調控。因此，建立度量指標體系，研究多沙河流水庫汛期水沙調控度對科學認知水庫調控能力、指導水庫設計運用具有重要意義。根據黃河水沙調度實踐，分別定義多沙河流水庫汛期徑流調控度和泥沙調控度指標，并給出相應的計算公式;采用1986年以后汛期來水來沙條件，分析黃河中游干支流水庫汛期水沙調控度大小，發現現狀已建水庫調控度較小、調控能力不足，規劃和在建水庫調控度較大;進一步采用數學模型對比分析不同水庫運用方式對汛期水沙調控度的影響，結果表明：“蓄清調渾”運用方式相比“蓄清排渾”運用方式，不僅可以有效減小不同時期庫區泥沙淤積量，而且能夠實現部分攔沙庫容再生利用，從而增大水庫汛期水沙調控度。

關鍵詞：汛期水沙調控度;蓄清調渾;多沙河流水庫;黃河

中圖分類號：TV145;TV697.1;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.001

引用格式：張金良，胡春宏，劉繼祥，等.多泥沙河流水庫汛期水沙調控度研究[J].人民黃河，2021，43（11）：1-5.

Study on Regulation Degree of Water and Sediment of Reservoirs from Sediment-Laden Rivers in Flood Season

ZHANG Jinliang ?HU Chunhong ?LIU Jixiang ?LUO Qiushi ?LU Jun

（1.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 45000 ?China; 2.Key Laboratory of Water Management and

Water Security for Yellow River Basin， Ministry of Water Resources （Preparation）， Zhengzhou 45000 ?China;

3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research， Beijing 100038， China）

Abstract： Flood season is a critical period for reservoirson sediment-laden rivers to regulate water and sediment. In previous studies and practice， qualitative indicators are widely used to describe regulation degree of water and sediment. Thus， establishing an accurate or relatively accurate measurement index system and studying regulation degree of water and sediment of reservoirs on sediment-laden rivers in flood season is of great significance for understanding regulation capability of reservoirs and guiding design and operation of reservoirs. According to the practice of water-sediment regulation in the Yellow River， the runoff regulation degree and sediment regulation degree were defined respectively， also the corresponding calculation expressions were given; the incoming conditions of water and sediment were used to analyze the regulation degree of water and sediment of reservoirs on the middle reaches of the Yellow River. It was found that the existing projects had a smaller regulation degree and insufficient regulation ability， while the regulating projects to be built or under construction had a larger regulation degree; the mathematical model was further used to compare and analyze the influence of different reservoir operation modes on the change of regulation degree of water and sediment in flood season. The results show that comparing with “storing clean water and discharging the muddy”， “storing clean water and regulating the muddy” can not only effectively reduce the amount of sedimentation in the reservoir in different periods， but also realize the regeneration of part of the reservoir capacity， thereby improving the regulation degree of water and sediment of reservoir in flood season.

Key words： regulation degree of water and sediment in flood season; storing clean water and regulating muddy flow; reservoirs from sediment-laden rivers; Yellow River

1 引 言

多沙河流來水來沙主要集中于汛期[1]，汛期是水沙調控的關鍵時期[2]，一般會利用水庫汛限水位以下庫容通過合理的水位和下泄流量控制對入庫水沙進行調節。汛期調控能力大小不僅與入庫水沙條件和調節庫容大小相關，同時受水庫運用方式的影響。如何度量多沙河流水庫對水沙的調控能力，合理界定度量水庫汛期水沙調控能力的科學指標，對指導黃河水沙調控體系的構建和科學運用具有十分重要的意義。

自20世紀50年代至今，我國多沙河流水庫設計運用技術不斷發展進步，先后經歷了“蓄水攔沙”“蓄清排渾”兩個階段，近期又發展到“蓄清調渾”新階段[3]。不同階段水庫水沙調控的理念和作用大小不同。以往研究中，對多沙河流水庫的水沙調控研究多集中在水庫調度方式[4]、調度指標[5]、調度模型[6]和調度效果[7]等方面，例如：錢寧等[8]指出在多沙河流的治理上，應充分發揮人的主觀能動性，利用上游水庫合理調節水沙過程，通過人造洪峰、加大洪峰泄量等措施沖刷下游河道;練繼建等[9]通過梯級水庫聯合調度模型對人工塑造異重流調度過程進行了模擬和優化;姚文藝等[10]根據河流動力學原理，分析了水庫運用對徑流泥沙過程的調節作用及其對下游河道邊界條件的影響;胡春宏[11]系統分析了“蓄清排渾”運用方式對水沙調控的作用，提出了黃河小浪底等多沙河流水庫運行方式的優化建議;張金良等[3]研究了多沙河流水庫“蓄清調渾”運用方式及其設計技術，指出了“調渾”在水庫調度運用中的重要性。在以往諸多研究中，缺少對多沙河流水庫汛期水沙調控能力的研究，目前尚無合理度量多沙河流水庫汛期水沙調控能力的科學指標，難以定量計算水庫在不同時期的水沙調控度以及衡量水庫不同運用方式下的水沙調控能力。

筆者根據多年研究和黃河水沙調度實踐，剖析多沙河流水庫汛期水沙調控度的具體含義，給出水庫汛期水沙調控度的計算公式;以黃河中游水庫為研究對象，度量了黃河中游已（在）建和規劃水庫汛期水沙調控能力，并采用數學模型計算，對比分析了典型水庫在“蓄清排渾”和“蓄清調渾”兩種運用方式下的水沙調控度，以期為多沙河流水庫設計運用和黃河水沙調控體系構建提供參考。

2 研究對象及方法

2.1 研究對象概況

黃河是我國第二大河，發源于青藏高原巴顏喀拉山脈北麓約古宗列盆地，流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東9個省（區），在山東省東營市墾利區注入渤海。干流河道全長5 464 km，流域面積79.5萬km2。黃河流經多個不同的自然地理單元，地形、地貌和氣候等區域差別很大。徑流主要來自于上游河口鎮以上，占全河的62%;泥沙主要來自于中游河口鎮至潼關區間，約占全河的90%。中游潼關水文站1919—2018年多年平均徑流量為362.8億m3、輸沙量為11.30億t（見表1），平均含沙量為31.15 kg/m 輸沙量主要集中于汛期（占全年輸沙量的80%以上）。

黃河水少、沙多，水沙關系不協調，下游河道淤積成為“地上懸河”[12]，寧蒙河段淤積形成“新懸河”[13]。多年的治黃實踐經驗證明，通過水庫調控水沙對于協調水沙關系具有非常重要的作用[14-15]。新中國成立以來，水庫工程建設得到不斷加強。三門峽水庫是黃河中游干流上修建的第一座以防洪為主，兼顧防凌、灌溉、發電、供水等綜合利用的大型水利樞紐工程，是黃河流域控制性骨干水庫之一。之后，先后建設了劉家峽、龍羊峽、小浪底等多個大型骨干水利樞紐以及大量發電梯級水庫。目前，黃河干流龍羊峽以下已經建成梯級水庫30座，其中黃河干流中游有6座已建水庫，自上而下分別為萬家寨、龍口、天橋、三門峽、小浪底、西霞院水庫（見圖1）。除此之外，黃河支流也建設了大量水庫。

多沙河流水庫設計運用技術不斷發展，目前已經由“蓄清排渾”發展到“蓄清調渾”新階段。“蓄清排渾”時期，水庫非汛期蓄水興利，汛期降低水位排沙，雖然能夠在一定程度上實現水庫有效庫容的保持，但在水庫進入正常運用期后汛期仍然存在泥沙調控庫容過小等問題，如目前的三門峽水庫。“蓄清調渾”是對“蓄清排渾”的進一步創新發展，是指根據水庫開發任務要求，充分考慮多沙河流來水來沙過程中場次洪水和年際間豐、平、枯變化，統籌調節泥沙對水庫淤積形態和有效庫容的影響，以協調水沙關系、長期保持有效庫容、充分發揮水庫綜合利用效益為目的，設置合適的攔沙和調水調沙庫容，通過“攔、調、排”全方位協同調控，實現有效庫容長期保持和部分攔沙庫容的再生利用、攔沙庫容與調水調沙庫容一體化使用，即實現部分“水庫容”和“沙庫容”在一定時段內互換，充分發揮水庫對泥沙的調節作用，一定時期或遇有利水沙條件可實現年度徑流調節，并通過水庫群調度和天然洪水泥沙過程銜接，更好地協調進入下游的水沙關系，以充分發揮水庫綜合利用效益[3]。現階段“蓄清調渾”運用及其設計技術已經在黃河上已建的小浪底水庫和在建的東莊、規劃的古賢等水庫中應用。

2.2 汛期水沙調控度定義與表達式

對于多沙河流水庫一般要設置一定的攔沙庫容和調水調沙庫容，水庫運用分攔沙階段和正常運用階段。攔沙階段，水庫有一定的淤積量，但設計攔沙庫容尚未淤滿，汛期可以利用汛限水位以下扣除淤積體后的庫容進行水沙調控。正常運用階段，即設計攔沙庫容淤滿，汛期只能利用設計汛限水位到死水位之間的庫容以及再生利用的攔沙庫容進行水沙調控（見圖2）。隨著入庫水沙條件變化和水庫淤積邊界條件變化，水庫汛期水沙調控能力大小也在不斷變化。

根據黃河水沙調度實踐，水沙調控度是對入庫水沙過程調控能力大小的度量，當單純度量以水為主的調控能力時稱之為徑流調控度，當單純度量以沙為主的調控能力時稱之為泥沙調控度。對多沙河流水庫汛期徑流調控度和泥沙調控度分別定義，徑流調控度是指汛限水位以下的平均蓄水量除以汛期多年平均入庫徑流量，泥沙調控度是指汛限水位以下的調控庫容與再生利用庫容之和除以汛期多年平均入庫泥沙量，計算公式分別為

Rfw=VfwWf（1）

Rfs=Vr+VhWfs（2）

式中：Rfw為水庫汛期徑流調控度;Rfs為水庫汛期泥沙調控度;Wf為汛期多年平均入庫徑流量;Wfs為汛期多年平均入庫泥沙量（體積）;Vfw為水庫汛期汛限水位以下的平均蓄水量;Vr為水庫汛限水位以下調控庫容;Vh為再生利用庫容，根據水庫設計水沙條件，按照設計功能和運用方式分析確定，“蓄清調渾”水庫再生利用庫容一般為攔沙庫容的20%左右。

由式（1）、式（2）可以看出，水庫攔沙期隨著庫區泥沙淤積，汛期水沙調控度不斷減小，直至庫容淤積達到設計攔沙庫容后趨于穩定。汛期水沙調控度越大，表示汛期水庫水沙調控的能力越大。

3 黃河中游水庫汛期水沙調控度

選定黃河中游萬家寨、龍口、天橋、東莊、三門峽、小浪底、西霞院等已（在）建水庫和古賢、磧口等規劃水庫，根據其進入正常運用期后的調節庫容大小，采用1986—2018年的壩址處汛期來水來沙量，分別計算各水庫汛期水沙調控度，結果見表2。

1986年以后的來水條件下，黃河中游現狀已建水庫徑流調控度較小，主要原因是已建水庫中除小浪底外汛期調節庫容較小，很難對汛期水沙過程進行大幅調節，這也是當前小浪底調水調沙后續動力不足的主要原因之一[7]。東莊水庫作為黃河支流涇河上在建的水庫，其汛期多年平均來水量相對較小，徑流調控度較大;干流上規劃的古賢和磧口水庫，其設計的汛期調節庫容較大，也具有較大的徑流調控度。

1986年以后的來沙條件下，黃河中游現狀已建的水庫中，萬家寨和小浪底水庫泥沙調控度相對較大，而其余已建水庫泥沙調控度相對較小。為了對黃河中游汛期泥沙有較好的調節，需要多個水庫聯合調度。萬家寨水庫雖然泥沙調控度較大，但其壩址處的來沙量相對較小，因此調沙作用十分有限。現狀工程條件下，黃河調水調沙主要依靠小浪底水庫。規劃的古賢和磧口水庫有較大的汛期調節庫容和泥沙調控度。在建的涇河東莊水庫規劃設計時采用了“蓄清調渾”技術，除了具有一定的汛期調節庫容外，還具有部分攔沙庫容再生利用能力[3]，能夠用于泥沙調節，因此也具有較大的泥沙調控度。

綜上分析，黃河中游現狀已建水庫水沙調控度相對較小，調控能力不足，當前黃河調水調沙主要依靠小浪底水庫，但小浪底水庫調水調沙后續動力不足，且進入正常運用期后水沙調控能力較為有限。規劃和在建的水庫均具備較大的水沙調控能力，投入使用后可顯著提升黃河中游水庫群的水沙調控能力。古賢水庫地處晉陜峽谷下段，控制黃河60%的泥沙和80%的粗泥沙，1986年以后來水來沙條件下，該水庫的汛期徑流調控度為0.46、泥沙調控度為19.91，分別為小浪底水庫的5.1倍和6.8倍，說明古賢水庫無論其地理位置還是泥沙調控能力都具有無可比擬的優越性、不可替代性，是黃河水沙調控體系的核心工程。

4 不同運用方式對水沙調控度的影響

水庫調節庫容和汛期來水來沙量是影響汛期水沙調控度大小的直接因素，不同的水庫運用方式也會影響水庫泥沙沖淤和調節庫容變化，進而影響水沙調控能力。結合河流數值模擬系統（RSS）一維水沙數學模型[14]，分析水庫“蓄清排渾”和“蓄清調渾”兩種運用方式下水沙調控度年際變化情況，進一步研究水庫運用方式對水沙調控度的影響。分別以東莊水庫和小浪底水庫為例進行分析，其中：東莊水庫計算期從水庫建成并投入運用開始;小浪底水庫目前處于攔沙后期第一階段，計算期從2017年開始。根據計算結果，繪制水庫淤積量和汛期水沙調控度歷年變化過程線，見圖3～圖6。

從圖3～圖6可以看出，東莊水庫和小浪底水庫汛期徑流調控度和泥沙調控度變化趨勢基本一致，都是前期逐漸減小，后期逐漸趨于穩定。產生這種現象的原因是多沙河流水庫在運用中分為攔沙期和正常運用期，攔沙期水庫持續攔減入庫泥沙，庫區泥沙淤積量逐漸增大，調節庫容和水沙調控度逐漸減小;進入正常運用期水庫基本保持沖淤平衡，調節庫容和水沙調控度變化不大。“蓄清排渾”和“蓄清調渾”兩種運用方式下庫區泥沙淤積量和汛期水沙調控度計算結果差異主要體現在兩個方面：一是攔沙期“蓄清調渾”運用方式下庫區泥沙淤積量更小，且汛期水沙調控度更大，如計算期第11年小浪底水庫“蓄清排渾”運用方式下泥沙淤積量為74.13億m 徑流調控度和泥沙調控度分別為0.1和1.7，而“蓄清調渾”運用方式下泥沙淤積量為60.50億m 徑流調控度和泥沙調控度分別為0.2和3.6，調控度大小提高1倍左右，產生差異的原因是“蓄清排渾”運用方式僅考慮汛期水庫降低運用水位排沙，而“蓄清調渾”運用方式則充分考慮來水來沙過程中場次洪水的水沙搭配關系，通過攔、調、排協同調控，能夠在長時間尺度內合理調節排沙，減小水庫淤積量;二是正常運用期東莊水庫在“蓄清調渾”運用方式下年際間庫區泥沙淤積量變化和汛期水沙調控度更大，原因是“蓄清調渾”運用方式利用雙泥沙侵蝕基準面技術[3]，考慮了非常規排沙調度，遇有利的豐水年份，可以有效恢復部分攔沙庫容再生利用，從而增大汛期水沙調控度，如計算期第66年東莊水庫在“蓄清排渾”運用方式下泥沙淤積量為22.44億m 徑流調控度和泥沙調控度分別為0.2和0.4，“蓄清調渾”運用方式下泥沙淤積量為20.69億m 徑流調控度和泥沙調控度分別為0.4和1.0;第67年“蓄清排渾”運用方式下泥沙淤積量增大到23.23億m 徑流調控度和泥沙調控度分別減小為0.1和0.2，而“蓄清調渾” 運用方式下泥沙淤積量減小到19.75億m 徑流調控度和泥沙調控度分別增大到0.5和1.3。上述水庫汛期水沙調控度對比分析說明：“蓄清調渾”運用方式比“蓄清排渾”運用方式的汛期水沙調控度更大，能有效提高多沙河流水庫水沙調控效果。

5 結 論

（1）為表征多沙河流水庫汛期水沙調控能力，建立了汛期水沙調控度定義，并給出了計算公式。以黃河中游水庫為研究對象，基于汛期水沙調控度研究了水庫汛期水沙調控能力，指出黃河中游現狀水庫汛期水沙調控能力不足，在建和規劃的水庫具備較大的水沙調控能力。

（2）根據多沙河流水庫汛期水沙調控度定義，結合水沙數學模型，計算分析了東莊水庫、小浪底水庫在“蓄清排渾”和“蓄清調渾”兩種運用方式下的水沙調控度歷年變化情況，結果表明：“蓄清調渾”相較“蓄清排渾” 設計技術和運用方式，水庫汛期的徑流調節能力更大，并可有效減小不同時期庫區泥沙淤積量，增大水庫汛期水沙調控度。

（3）古賢水庫地處晉陜峽谷下段，控制黃河60%的泥沙和80%的粗泥沙，1986年以后來水來沙條件下，其汛期徑流調控度為0.46、泥沙調控度為19.91，分別為小浪底水庫的5.1倍和6.8倍，說明古賢水庫無論地理位置還是泥沙調控能力都具有無可比擬的優越性、不可替代性，是黃河水沙調控體系的核心工程。

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【責任編輯 張華興】