新情勢下黃河小浪底水庫調水調沙策略及效果評價

2024-12-31 00:00:00朱呈浩劉強中陳翠霞劉俊秀

人民黃河 2024年12期

摘要：在當前黃河來沙量減少、小浪底水庫累計淤積量增多以及下游河道沖刷效率下降的背景下，調水調沙初期制定的盡可能多塑造洪峰沖刷下游河道的策略需要調整，有必要對新情勢下黃河調水調沙策略進行創新。根據不同需求，擬定維持現狀、長期保持水庫攔沙庫容、最大化利用水資源、根據水沙豐枯變化靈活運用４種調水調沙策略，并制定相應的小浪底水庫運用方式。采用２０００年以來實測水沙系列循環３次作為計算條件，通過一維水沙動力學模型和基于人工神經網絡法的模糊優選評價模型從減淤、興利、生態３個方面計算并評價了不同策略下小浪底水庫綜合利用效益，結果表明：根據水沙豐枯變化靈活運用的策略最優，與維持現狀策略相比，水庫淤積量減少１１％，發電量增加２％，不滿足下游供水天數減少５％，出庫含沙量大于８０ｋｇ／ｍ３天數減少６５％，減淤、興利、生態效益均有所提升。

關鍵詞：小浪底水庫；黃河下游；新情勢；調水調沙策略；水庫運用方式

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＶ８８２．１文獻標志碼：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．００７

引用格式：朱呈浩，劉強中，陳翠霞，等．新情勢下黃河小浪底水庫調水調沙策略及效果評價［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：４４－４８．

０引言

調水調沙的思想是指利用水庫對天然水沙過程的調節作用，塑造出相對協調的水沙過程進入下游河道，從而達到充分發揮河道行洪輸沙能力、減少水庫及河道泥沙淤積、恢復并維持中水河槽的目的［１－３］。在上述思想的指導下，黃河調水調沙連續運行２０余ａ，在水庫排沙、河道減淤、生態改善等方面發揮了重要作用［４－５］。雖然調水調沙成效顯著，但是進入新時期以來，黃河來沙量銳減［６］，２０００—２０２１年潼關站年均來沙量（２．３６億ｔ）較１９６０—１９９９年（７．７９億ｔ）減少了７０％；同時隨著小浪底水庫不斷攔沙和調水調沙運用，水庫累計淤積量已達３３．９２億ｍ３；此外，在下游河道持續沖刷后，河床不斷粗化，河道沖刷效率明顯下降，大流量清水期間利津站含沙量恢復值僅為５ｋｇ／ｍ３左右。在黃河來沙量減少、小浪底水庫累計淤積量增多以及下游河道沖刷效率下降的背景下，調水調沙初期制定的盡可能多塑造洪峰沖刷下游河道的策略已略顯單薄。因此，如何在新情勢下創新發展調水調沙策略，更充分地發揮水沙調控綜合效益是當前值得深入探討和研究的問題。

對于上述問題，諸多學者開展了相關研究。陳建國等［７］認為小浪底水庫在攔沙后期應當從傳統的“攔沙減淤”觀念向“調沙減淤”轉變，使水庫淤積減少；江恩慧等［８］提出要構建中長期和場次洪水條件下多維功能協同共贏的黃河泥沙動態調控模式；胡春宏等［９］認為新形勢下完善黃河水沙調控體系是黃河治理的首要策略；高興等［１０］認為新時期要積極創新調水調沙運用模式。雖然以上研究成果能夠為調水調沙的未來發展提供一定指導依據，但是需要指出的是，上述研究所提出的指導建議多是宏觀層面的，并未給出明確的調水調沙策略和具體的水庫運用方式，對于工程調度實踐的指導作用有限。

為提出能夠適應新情勢的黃河調水調沙策略，并有效指導水庫工程的調度實踐，筆者以小浪底水庫為研究對象，結合當前水庫及河道邊界條件變化情況，從不同的目標出發提出不同的調水調沙策略，并制定相應的水庫運用方式。進一步根據當前水沙情勢變化，對未來水沙情景進行設計，采用一維水沙動力學模型計算水庫沖淤、發電、供水及下游河道沖淤量等，隨后采用評價模型比選出最優策略。

１水庫及河道邊界條件變化

本次研究區域為黃河中游小浪底水庫以及黃河下游河道，見圖１。小浪底水庫壩址位于黃河中游最后一個峽谷段的出口，上距三門峽水庫壩址１３０ｋｍ，下距花園口水文站１２８ｋｍ。黃河下游河道自鄭州桃花峪起，經黃淮海平原，于山東省墾利縣注入渤海，全長７８６ｋｍ。研究數據來源于黃河水利委員會水文局整編資料，具體包括流量、含沙量、水位等水文站觀測資料以及大斷面、顆粒級配等資料。

根據收集到的資料，截至２０２３年汛前，小浪底水庫累計淤積３４．５７億ｍ３，占設計攔沙庫容（７５．５億ｍ３）的４６％，水庫處于攔沙后期第一階段（水庫淤積量為２２億～４２億ｍ３），黃河下游河道累計沖刷２２．６６億ｍ３。小浪底水庫及黃河下游河道累計沖淤量變化過程如圖２所示。

隨著下游河道持續沖刷，下游河床中值粒徑明顯增大，由１９９９汛后的各河段普遍小于０．０５ｍｍ到２０２３年汛前的普遍大于０．１ｍｍ（見圖３）。受河床粗化影響，調水調沙前期大流量清水下泄時，下游河道含沙量沿程恢復值逐年降低（見圖４），其中利津站含沙量恢復值由２００４年的１６ｋｇ／ｍ３減小至２０２２年的５ｋｇ／ｍ３左右，沖刷效率下降近７０％。

２調水調沙策略及水庫運用方式擬定

２．１調水調沙策略

根據新情勢下黃河水沙調控需求，從不同的目標出發，擬定４種調水調沙策略。策略一為維持現狀，以繼續沖刷和維持黃河下游河道主槽以及相機排沙為主要目標，小浪底水庫在汛前或汛期水量條件滿足時即塑造大流量過程。策略二為長期保持水庫攔沙庫容，以盡可能延長水庫攔沙年限為主要目標，小浪底水庫在汛期維持低水位運用以多排沙，充分利用現行下游河道主槽行洪輸沙能力來輸沙入海。策略三為汛期維持汛限水位運用，以水資源利用效益最大化為主要目標，考慮到當前黃河來沙量較少，且下游河道主槽過流能力已達４０００ｍ３／ｓ，小浪底水庫在汛期盡可能維持高水位運用，減少排沙次數，也減少塑造大流量過程的次數。策略四為根據水沙豐枯變化靈活運用，以在長水文周期內實現綜合效益最大化為主要目標，考慮到黃河水沙年際變化較大，以長期水文預報成果為依據，在豐水年充分利用大流量過程讓小浪底水庫多排沙以及下游河道多輸沙，在枯水年小浪底水庫盡量抬高水位運用以保障水資源利用效益。

２．２水庫運用方式

在調水調沙策略的基礎上，制定相應的水庫運用方式。由于非汛期小浪底水庫以供水和發電為主，因此不同策略的運用方式在該時段內保持一致，差別主要體現在汛前的６月１５日—６月３０日和前汛期的７月１日—８月２０日。策略一，在汛前若水庫汛限水位以上蓄水量滿足一次調控花園口站流量大于２６００ｍ３／ｓ歷時５ｄ的過程，則啟動汛前造峰調度；在汛期若水庫死水位以上蓄水量加預報未來５ｄ來水量滿足一次調控花園口站大流量過程，則啟動汛期造峰調度；同樣在汛期若當日和次日入庫平均流量大于２６００ｍ３／ｓ，則啟動降水位排沙調度，在死水位以上預留０．２億ｍ３水量進出庫平衡運用。策略二，保留造峰、排沙調度，但是在當日和次日入庫平均流量大于２０００ｍ３／ｓ時就啟動降水位排沙調度，且在死水位以上不預留水量進出庫平衡運用。策略三，取消所有造峰、排沙調度，水庫僅在汛期維持汛限水位運用。策略四，在豐水年（汛期來水量較多年均值偏多３０％）保留造峰、排沙調度，同樣在當日和次日入庫平均流量大于２０００ｍ３／ｓ時啟動降水位排沙調度，在死水位以上不預留水量進出庫平衡運用；在平水年（汛期來水量為多年均值的７０％～１３０％）保留造峰、排沙調度，在當日和次日入庫平均流量大于２６００ｍ３／ｓ時啟動降水位排沙調度，在死水位以上預留０．２億ｍ３水量進出庫平衡運用；在枯水年（汛期來水量較多年均值偏少３０％）取消所有造峰、排沙調度，水庫在汛期盡量維持高水位運用。具體運用方式見表１。

３計算結果與評價

３．１計算條件

在計算不同調水調沙策略的效果之前，需要設定未來黃河水沙情景。考慮到黃河水沙變化是一個復雜的問題，當前對黃河來沙量并未形成共識，本研究為了使提出的策略能夠適應當前水沙情勢，不再對未來黃河水沙變化趨勢進行預測，僅采用２０００—２０２０年實測水沙系列循環３次組成６３ａ的計算水沙系列，特征值見表２。

采用黃河勘測規劃設計研究院有限公司自主研發的ＲＳＳ一維水沙動力學模型對小浪底水庫出庫流量、含沙量、水位、蓄水量、沖淤量、發電量以及下游河道沖淤量、最小平灘流量等變化過程進行模擬，該模型在黃河流域應用廣泛，計算準確性已經得到多次驗證，計算原理見文獻［１１－１２］。水庫及河道邊界條件采用２０２３年汛前實測地形。計算的流程：首先是潼關站水沙過程對三門峽水庫的沖淤，結果作為小浪底水庫入庫水沙條件；然后是小浪底水庫沖淤，附加黑石關、武陟站水沙過程，作為進入黃河下游的水沙條件；最后進行黃河下游河道的沖淤計算。

３．２計算結果

根據水沙模型計算結果，統計系列年小浪底水庫累計沖淤量、下游河道累計沖淤量和最小平灘流量變化過程以及小浪底水庫累計發電量、出庫含沙量大于８０ｋｇ／ｍ３天數和不滿足下游供水天數，結果見圖５和表３。

對于小浪底水庫累計沖淤量，數值越大表示庫區泥沙淤積越多，不同策略的計算值在４９．６８億～７８．９９億ｍ３之間，策略二最小，策略三最大。對于下游河道累計沖淤量，數值越大表示河道內泥沙淤積越多，不同策略的計算值在－１０．８６億～－２．３３億ｍ３之間，策略四最小，策略三最大。對于下游河道最小平灘流量，數值越大表示主槽過流能力越強，不同策略的計算值在４９１７～５３０９ｍ３／ｓ之間，策略四最大，策略三最小。對于小浪底水庫累計發電量，數值越大表示經濟效益越好，策略三最大，策略二最小。對于不滿足下游供水天數，數值越大表示對經濟社會負面影響越大，不同策略的計算值在２８～１３９ｄ之間，策略三最小，策略二最大。對于出庫含沙量大于８０ｋｇ／ｍ３天數，數值越大表示對河道內水生生物負面影響越大，不同策略的計算值在９４～１６４ｄ之間，策略三最小，策略二最大。

３．３綜合評價

進一步采用基于人工神經網絡法的模糊優選評價模型對４種調水調沙策略進行評價，模型原理及計算流程見文獻［１３］，本文不再贅述。評價指標為水沙模型計算的６個關鍵指標，６個指標涵蓋了減淤、興利、生態３個方面，其中：水庫累計沖淤量、下游河道累計沖淤量、不滿足下游供水天數、出庫含沙量大于８０ｋｇ／ｍ３天數為成本型指標，數值越小越好；水庫累計發電量、下游河道最小平灘流量為效益型指標，數值越大越好。評價指標基本情況見表４。

評價模型驗證及計算結果見表５。由表５可知，５個訓練樣本的驗證效果較好。經訓練后，４個調水調沙策略的綜合評價值分別為０．４０５６３、０．３５６２６、０．５８３０１、０．９３９７３。由此可知，策略四，即根據黃河水沙豐枯變化靈活調整小浪底水庫運用方式的調水調沙策略是最優的。

３．４討論

黃河水沙具有年際變化大的特點，根據水沙豐枯變化情況靈活調整水庫運用方式的調水調沙策略能夠與該自然特性很好地結合，在豐水年充分利用水量多、輸沙能力強、水資源充足的優勢，在枯水年盡量規避水量少、輸沙能力弱、水資源不足的劣勢，從而充分發揮水沙調控綜合效益。相較于維持現狀的策略一，計算系列內策略四的減淤、興利、生態效益均有所提升，可以在不淤積下游河道的前提下，減少小浪底水庫淤積量８．１８億ｍ３，減少１１％；提高水庫發電量７４億ｋＷ·ｈ，提高２％；減少不滿足下游供水天數５７ｄ，減少６５％；減少出庫含沙量大于８０ｋｇ／ｍ３天數５ｄ，減少５％。

對于策略二和策略三，都采用了相對極端的運用方式，水庫綜合利用效益或在興利和生態方面，或在減淤方面有明顯短板。策略二追求多排沙，水庫在汛期大部分時間保持低水位運用，很難充分利用水資源，雖然水庫累計淤積量少，但對發電、供水和生態的負面影響很大。策略三追求多興利，水庫在汛期基本維持汛限水位運用，雖然充分發揮了經濟效益，但是水庫淤積量較大，而且取消了造峰調度，致使下游河道最小平灘流量增幅較小。

４結論

１）當前黃河來水來沙和水庫河道邊界條件發生了較大變化，黃河小浪底水庫調水調沙策略存在優化空間。

２）采用實測水沙系列作為計算條件，不同策略計算結果差異較大。小浪底水庫累計沖淤量為４９．６８億～７８．９９億ｍ３，下游河道累計沖淤量為－１０．８６億～－２．３３億ｍ３，下游河道最小平灘流量為４９１７～５３０９ｍ３／ｓ，小浪底水庫累計發電量為３０８２億～４２５２億ｋＷ·ｈ，出庫含沙量大于８０ｋｇ／ｍ３天數為９４～１６４ｄ，不滿足下游供水天數為２８～１３９ｄ。

３）根據水沙豐枯變化靈活運用的調度策略相較于現狀策略，其減淤、興利、生態效益均有所提升，說明在多沙河流上水庫調水調沙策略和運用方式的制定需要結合河流本身的自然特性，才能更好地發揮其綜合利用效益。

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