黃河黑山峽水庫庫容規模需求研究

安催花 魯俊 郭兵托 羅秋實 李超群 馬蒞茗

摘 要：庫容規模的確定是黃河黑山峽河段開發方案的關鍵之一。分析新形勢下黃河黑山峽河段開發需求，包括：協調水沙關系，減輕寧蒙河段淤積，恢復和維持適宜中水河槽規模；增強防凌能力，保障寧蒙河段防凌防洪安全；合理調配水資源，協調水量調度和發電運用之間的矛盾，充分發揮水資源綜合效益；為附近地區供水，改善民生，保障生態安全。計算分析不同開發需求的庫容規模，包括調水調沙庫容規模、防凌庫容規模和供水調節庫容規模，綜合研究不同庫容需求在時間、空間上的分布及相互關系，提出南水北調西線調水生效前黑山峽水庫庫容規模需求為40.8億m3，西線調水生效后黑山峽水庫庫容規模需求為57.6億m3。

關鍵詞：調水調沙庫容；防凌庫容；供水調節庫容；黑山峽；黃河

中圖分類號：TV62；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.009

引用格式：安催花，魯俊，郭兵托，等.黃河黑山峽水庫庫容規模需求研究[J].人民黃河，2022，44（1）：42-46.

ResearchontheScaleRequirementoftheDevelopmentandStorageCapacityin HeishanxiaSectionoftheYellowRiver

ANCuihua，LUJun，GUOBingtuo，LUOQiushi，LIChaoqun，MALiming（YellowRiverEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Zhengzhou450003，China）

Abstract：ThedeterminationofthestoragecapacityscaleisoneofthekeyissuesindeterminingthedevelopmentplanintheHeishanxia reachoftheYellowRiver.ThispaperanalyzedthedevelopmentrequirementintheHeishanxiasectionoftheYellowRiverunderthenewsitu ation，includingcoordinatingtherelationshipbetweenwaterandsediment，reducingsiltationintheNingxia InnerMongoliasection，restoring andmaintaininganappropriatemedianwaterchannelscale；enhancingthecapacityoficecontrolandensuringthesafetyoffloodcontroland icecontrolintheupperreachesoftheYellowRiver；reasonablyallocatingwaterresources，coordinatingthecontradictionbetweenwaterdis patchingandpowergenerationutilization，fullyutilizingthecomprehensivebenefitsofwaterresources；supplyingwatertonearbyareas，im provingpeople’slivelihoodandensuringecologicalsafety.Also，thestudycalculatedandanalyzedthestoragecapacityofdifferentdevelop mentrequirements，includingstoragecapacityofwaterandsedimentregulation，storagecapacityoficecontrolandwatersupplyadjustment storagecapacity.Withcomprehensivelystudyingindistributionandrelationshipofdifferentstoragerequirementsintimeandspace，itwasput forwardthatthecapacityrequirementoftheHeishanxiaReservoirwas4.08billionm3beforetheWestRouteofSouth NorthWaterTransfer Projecttakingeffectandthecapacityrequirementofthereservoirwas5.76billionm3aftercomingintoeffect.

Keywords：storagecapacityofwaterandsedimentregulation；storagecapacityoficecontrol；storagecapacityofwatersupplyregulation；Heishanxia；YellowRiver

1 研究背景

自河源至內蒙古托克托縣的河口鎮為黃河上游。黑山峽河段位于黃河上游甘肅省和寧夏回族自治區接壤處，起于甘肅省靖遠縣大廟村，在寧夏中衛市小灣村出峽谷后進入寧蒙河套平原，見圖1。峽谷出口處控制流域面積25.2萬km2，天然年徑流量317億m3，約占黃河天然年徑流量的62%。黑山峽河段具有較好的建庫條件，在黃河治理開發中占據重要地位。該河段開發究竟面臨何種需求，建設多大的水庫，歷來受人關注。2000年以來，有關部門和學者圍繞黑山峽河段開發進行了研究論證。從已發表文獻看，林昭[1]、楊松青等[2]、司志明[3]、曲耀光等[4]、郭瀟等[5]、何潛等[6]、楊振立等[7]、王旭強等[8]研究了黑山峽河段開發任務，分析了黑山峽河段開發在黃河水資源利用、防洪防凌、生態環境保護乃至區域經濟社會發展中的戰略地位；魯春霞等[9]分析了該河段開發的機會成本；鄭賀新[10]研究了黑山峽水庫泥沙淤積情況；唐旺等[11]預測了黑山峽水庫建成后下游河道水溫變化；袁斌[12]研究了該河段開發對寧蒙河段的防凌作用；段高云等[13]研究了黑山峽水庫對寧蒙河段的綜合作用。總的來看，雖然圍繞黑山峽河段開發已有大量研究成果，但還沒有文獻全面給出黑山峽河段開發在調水調沙、防凌、供水等不同方面的庫容規模需求，而這正是該河段開發方案決策的關鍵。

當前，黃河流域經濟社會和生態環境發生重大變化，正面臨新形勢。習近平總書記2019年9月18日在鄭州召開的黃河流域生態保護和高質量發展座談會上將黃河流域生態保護和高質量發展上升為重大國家戰略，要求解決好流域人民群眾特別是少數民族群眾關心的防洪安全、飲水安全、生態安全等問題，讓黃河成為造福人民的幸福河。本文結合新形勢分析黑山峽河段開發需求，分析計算黑山峽河段開發在不同方面的庫容需求，綜合研究提出黑山峽河段開發水庫庫容規模需求，以期為黑山峽河段開發提供參考。

2 黑山峽河段開發需求

黑山峽河段附近區域生態環境脆弱，水安全保障形勢嚴峻，工程短板問題突出。新形勢下，黑山峽河段開發應考慮以下需求。

（1）協調水沙關系，減輕寧蒙河段淤積，恢復和維持適宜中水河槽規模。維持一定中水河槽規模對提高河道輸沙、保障河道防凌防洪安全具有重要意義。20世紀80年代中期以后，上游龍羊峽、劉家峽水庫等聯合調節作用以及經濟社會用水影響等因素，大大改變了徑流年內分配，減少了進入寧蒙河段水量尤其是汛期水量和有利于輸沙的大流量過程，同時寧蒙區間支流高含沙洪水頻發，水沙關系惡化、不協調導致寧蒙河段尤其是內蒙古河段淤積萎縮加重[14-19]，中水河槽過流能力急劇下降，嚴重威脅河段防凌防洪安全，先后發生了6次凌汛決口和1次汛期決口，防凌防洪形勢嚴峻[20-24]。因此，在“增水、減沙、調水調沙”的總體治理思路[25]下，需要建設黑山峽水庫并進行反調節，增加汛期輸沙水量，攔沙減淤，塑造有利于寧蒙河段輸沙的水沙過程[24]，恢復和維持河道主槽的行洪能力，同時為中游骨干水庫調水調沙和有效庫容恢復提供水流動力條件，協調進入中下游的水沙關系，減輕中下游河道淤積。

（2）增強防凌能力，保障黃河上游（主要是寧蒙河段）防凌防洪安全。雖然龍劉水庫（指龍羊峽、劉家峽水庫，下同）聯合運用以來，通過優化水庫防凌調度，控制流凌封河期流量，穩定穩封期流量，減小開河期流量，在一定程度上保障了寧蒙河段封開河的穩定，但是龍劉水庫距離內蒙古河段遠，無法有效控制祖厲河、湟水等支流來水以及寧蒙灌區冬季引水退水，防凌調度不夠及時、靈活，不能有效控制槽蓄水增量，難以有效處置突發凌情，且水庫防凌調度與發電、供水矛盾突出，水庫防凌調度壓力大。新建的海勃灣水庫因庫容小而對龍劉水庫防凌的輔助作用十分有限。因此，需要通過建設具有較大區位優勢的黑山峽水庫提供較大的防凌庫容，協調黃河上游凌汛期防凌調度與發電、供水矛盾，根據寧蒙河段凌情的實時變化情況，較為靈活地控制水量下泄過程，減少發生冰塞、冰壩的概率，為保障防凌安全創造條件。

（3）合理調配水資源，充分發揮水資源綜合效益，滿足國家長遠發展戰略需要。黑山峽河段以上是黃河上游水電基地，有龍羊峽、劉家峽等20余座梯級電站，是西北電網供電安全的重要保障；其下游是廣闊的寧蒙平原，灌溉事業發達，煤炭資源豐富，是寧夏、內蒙古兩區的精華地帶，工農業用水量大，維持河流健康要求高。目前黃河上游尚沒有形成完善的水量調控體系，黃河水資源管理與上游水電基地發電調度矛盾突出。另外，黃河流域屬資源性缺水地區，水資源難以支撐流域經濟社會的可持續發展，未來要實施南水北調西線工程，增加黃河水資源可利用量，增加輸沙水量[25]。因此，需要建設黑山峽反調節水庫，協調當前水量調度和發電運用的矛盾，在充分發揮上游梯級電站發電效益的同時，對黃河水資源和南水北調西線工程入黃水量進行有效調節，實現全河水資源合理配置。

（4）為附近地區供水，改善民生，保障生態安全。黑山峽附近地區氣候干旱，水資源貧乏，生態環境十分脆弱，不僅是我國沙塵暴的主要發源地，而且嚴重的水土流失還增加了入黃粗泥沙[24]，同時人民生存環境惡劣，飲水十分困難，經濟發展落后。解決上述問題的主要途徑是通過黃河向附近地區供水，建設高效節水灌區[26]，發展地方工業，實施生態移民，使周邊廣大地區的生態環境得到保護。因此，黑山峽河段開發應滿足附近地區生態建設的供水要求，通過水庫調節徑流并盡可能抬高水位，為黑山峽高效節水灌區和人飲工程提供穩定、可靠、優質的水源條件。

綜上分析，黃河黑山峽河段開發應滿足協調水沙關系和防凌（洪）、供水、發電等綜合利用需求。

3 黑山峽水庫庫容規模

根據新形勢下黑山峽河段開發需求分析，建設水庫要滿足不同方面的需求，水庫庫容規模應進行綜合研究確定。

3.1 下游河道輸沙減淤需要的庫容規模

黃河上游來水主要產自蘭州以上，蘭州至河口鎮來水少，但來沙多，特別是祖厲河、清水河、十大孔兌等支流，高含沙洪水頻發，干支流水沙關系不協調。目前上游以龍羊峽、劉家峽水庫為主的水量調控體系[26]，難以協調干支流水沙關系。根據寧蒙河段水沙與河道沖淤分析，水沙關系是影響寧蒙河段沖淤的關鍵，要通過建設黑山峽水庫對龍羊峽、劉家峽水庫的下泄流量進行反調節，在主汛期（7月11日至9月30日）利用調水調沙庫容塑造有利于寧蒙河段輸沙和中水河槽維持的流量過程。7月中旬至8月下旬是寧蒙河段支流高含沙洪水頻發期，應盡量泄放大流量，稀釋支流高含沙洪水，防止淤堵干流河道。有利于寧蒙河段輸沙和中水河槽恢復維持的調控流量宜控制在2500～3000m3/s之間，一次洪水歷時應不少于15d，總歷時宜達到30d。南水北調西線工程生效前，考慮沿河用水影響，黑山峽水庫調控流量按2500m3/s計，連續泄放15d，需下泄水量32.4億m3。按1956—2009年設計水沙序列連續15d流量出現頻率75%計算，黑山峽水庫的入庫流量為879m3/s（見圖2），相應水量11.4億m3。扣除入庫水量，則需水庫補水21.0億m3，即下游河道輸沙減淤需要的低限調水調沙庫容為21.0億m3。南水北調西線工程生效后，可調水量增加，調控流量可增加到3000m3/s，仍按連續泄放15d計，需下泄水量38.9億m3，扣除入庫水量（西線調水后汛期增加流量平均約為300m3/s），則需水庫補水23.6億m3，即下游河道輸沙減淤需要的低限調水調沙庫容為23.6億m3。

黑山峽水庫調水調沙時期為主汛期的7月11日至9月30日，因此調水調沙庫容小于防洪庫容，對應水位設置在汛限水位和死水位之間。在調水調沙期，水庫首先利用汛前存蓄水量泄放不小于2500m3/s的大流量過程（若入庫流量大于2500m3/s則使出庫流量等于入庫流量，否則使出庫流量等于2500m3/s，直至水庫蓄水位降至死水位）；之后，按寧蒙河段工農業和生態用水需求控制下泄流量，水庫蓄水；當蓄水量滿足一次調控水量要求時，再次按不小于調控流量泄放大流量，如此反復運用，直至9月30日。

3.2 防凌需要的庫容規模

根據寧蒙河段防凌要求和劉家峽水庫防凌調度經驗分析，黑山峽水庫凌汛期（每年11月1日至次年3月31日）下泄流量應按“月控制、旬調整”、保持“前大后小，中間變化平緩，加強封、開河期流量適時控制”的原則，緩解目前寧蒙河段尤其是內蒙古河段封河期、開河期防凌緊張局面。在流凌封河期，黑山峽水庫調整流凌封河期下泄流量過程，適當加大流量，避免冬灌引水期小流量封河，控制冬灌引、退水造成的流量波動；在穩封期，黑山峽水庫要控制下泄流量穩定，避免下泄流量過大和流量忽大忽小，以減少槽蓄水增量和防止冰上過流；在開河期，黑山峽水庫要進一步控泄運用，減少開河期下泄流量，減小形成“武開河”的動力條件。黑山峽水庫凌汛期的控泄流量見表1。

按照該控泄流量條件，考慮龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫等梯級水庫聯合調節，利用1956—2009年長序列歷時法[27]計算序列內黑山峽水庫凌汛期所需的防凌庫容，并按大小進行排序（見圖3）。南水北調西線調水生效前，需要黑山峽水庫提供的防凌庫容為38.4億m3；西線調水生效后，需要黑山峽水庫提供的防凌庫容為57.6億m3。需要提供防凌庫容的時間為凌汛期的11月至次年3月。防凌庫容對應水位設置在死水位與正常蓄水位之間。

3.3 供水需要的調節庫容規模

根據黃河流域水資源合理配置的需求分析，黑山峽水庫下泄流量應保障附近地區生態用水、寧蒙河段工農業用水、河口鎮斷面最小流量等，供水流量要求見表2。

由于5—7月為寧蒙河段灌溉用水高峰期，生態建設用水也主要集中在這些月份，因此5—7月特別是5—6月黑山峽水庫的入庫流量不能滿足下泄流量要求，需要向黑山峽水庫補水。按照5—7月下泄流量條件，考慮龍羊峽、劉家峽、黑山峽水庫等梯級水庫聯合調節，利用1956—2009年長序列歷時法[27]計算黑山峽水庫5—7月所需的調節庫容，并按大小進行排序（見圖4）。南水北調西線工程生效前，需要黑山峽水庫提供的供水調節庫容為26.2億m3，南水北調西線調水生效后，需要黑山峽水庫提供的供水調節庫容為25.5億m3。需要提供的供水調節庫容利用時間主要在集中在5—7月，由于進入汛期（7月1日）后水庫水位要控制在汛限水位以下，因此5—7月的調節庫容對應水位大部分時間設置在汛限水位與正常蓄水位之間，小部分設置在汛限水位以下。

3.4 綜合庫容規模

各個庫容規模需求大小及利用時間匯總見表3。

從三個方面的庫容需求看，供水需求庫容利用時間是5—7月，調水調沙需求庫容利用時間是7月中旬—9月底，供水庫容和調水調沙庫容（供水和調水調沙兩者共同需要的庫容簡稱為反調節庫容）在時間上是先后連續，部分重疊。為了避免供水和調水調沙庫容重復計算，將反調節庫容需求分解為5月1日—7月10日供水調節庫容需求加調水調沙庫容需求。南水北調西線工程生效前，滿足5月1日—7月10日的供水調節庫容為19.8億m3，加上調水調沙庫容21.0億m3，則反調節庫容為40.8億m3；西線調水生效后，滿足5月1日—7月10日的供水調節庫容為25.1億m3，加上調水調沙庫容23.6億m3，則反調節庫容為48.7億m3。

防凌需求庫容利用時間是11月—次年3月，時間上獨立于供水和調水調沙庫容利用時間外。防凌庫容對應水位設置在死水位至正常蓄水位之間，防凌運用時主要是水庫蓄水；5—7月供水調節庫容對應水位主要設置在汛限水位以上，調水調沙庫容對應水位設置在汛限水位至死水位之間，5—7月供水和調水調沙運用主要是水庫放水。因此，供水和調水調沙庫容即反調節庫容與防凌庫容是可以重復利用的，黑山峽水庫綜合利用庫容需求則應為防凌庫容或反調節庫容的最大值。

南水北調西線調水生效前、后需要的防凌庫容分別為38.4億、57.6億m3，供水和調水調沙的綜合庫容需求分別為40.8億、48.7億m3。因此，南水北調西線調水生效前、后黑山峽水庫庫容需求分別為40.8億、57.6億m3。黑山峽水庫綜合利用庫容年內使用情況見圖5。

4 結 論

（1）新形勢下黃河黑山峽河段的開發需求如下：協調水沙關系，減輕寧蒙河段淤積，恢復和維持適宜中水河槽規模；增強防凌能力，保障黃河上游（主要是寧蒙河段）防凌防洪安全；合理調配水資源，協調水量調度和發電運用之間的矛盾，充分發揮水資源綜合效益，滿足國家長遠發展戰略需要；為附近地區供水，改善民生，保障生態安全。

（2）黃河黑山峽水庫需要設置調水調沙庫容、防凌庫容和供水調節庫容，供水調節、調水調沙和防凌調度運用時段分別為5—7月、7月中旬—9月底、11月—次年3月，供水調節庫容和調水調沙庫容利用時間部分重疊。供水和調水調沙兩者共同需要的庫容稱為反調節庫容，與防凌庫容可以重復利用，黑山峽水庫綜合利用需要提供的庫容為防凌庫容和反調節庫容的最大值。

（3）南水北調西線調水生效前，黑山峽水庫調水調沙庫容、防凌庫容、供水調節庫容需求分別為21.0億、38.4億、26.2億m3，綜合考慮調水調沙、防凌、供水調節多目標需求，庫容規模需求為40.8億m3。西線調水生效后，黑山峽水庫調水調沙庫容、防凌庫容、供水調節庫容需求分別為23.6億、57.6億、25.5億m3，綜合考慮調水調沙、防凌、供水調節多目標需求，庫容規模需求為57.6億m3。

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【責任編輯 許立新】