论古贤水库在黄河治理中的作用

2010-06-12胡春宏陈建国陈绪坚

中国水利 2010年18期

胡春宏，陈建国，陈绪坚

（中国水利水电科学研究院，100048，北京）

一、黄河泥沙治理中要进一步加强“调”的作用

新中国成立后，党和政府对黄河治理工作一直十分重视，投入了大量人力物力，在上中游流域采取各种水利水保措施，开展了大规模的水土流失治理工作。在干流上从龙羊峡到小浪底修建了18座水库，对黄河下游大堤进行了4次加高加固，创造了60年来下游伏秋大汛岁岁安澜的奇迹，黄河治理取得了举世瞩目的成就。

近30年来，随着流域经济社会的迅猛发展、人类活动的日益加剧和自然气候的变化，黄河来水来沙过程发生了显著的变化，水少、沙多、水沙关系不协调的矛盾更加突出，导致上游宁蒙河段河道淤积加重，防洪、防凌问题十分突出；中游小北干流河道河势摆动加剧，潼关高程居高不下，渭河下游洪涝灾害严重；下游主河槽淤积萎缩，河道频繁断流，“二级悬河”加剧，形成所谓小流量—高水位—大灾害的局面。黄河洪水灾害的威胁日趋严峻，严重威胁着黄河的健康，制约了流域社会、经济和环境的持续发展。黄河如何治理才能实现长治久安与黄河何时才能实现长治久安，一直是社会各界高度关注的问题。因此，进一步加强新时期、新形势下黄河泥沙治理综合措施研究，特别是黄河水沙调控体系建设与完善的研究，维持黄河健康，是十分必要，也是十分迫切的。

在黄河开发治理中，始终把泥沙处理问题放在突出位置。经过长期的探索，人们已充分认识到解决黄河泥沙问题的艰巨性、复杂性与长期性，必须采用多种措施来综合处理和利用泥沙，并逐步形成了采用“拦、排、放、调、挖”等措施综合处理泥沙的黄河治理方略。其中，“拦”主要是靠中上游地区的水土保持和干支流控制性骨干工程拦减泥沙；“排”是通过河道整治，规顺流路，形成窄深河槽，将拦不住的泥沙通过河道尽可能多地输送入海；“放”是利用河道滩地与两岸洼地处理和利用一部分泥沙；“调”是利用干支流骨干工程调节水沙过程，使之适应河道的输沙特性，尽可能多输沙入海，以减少河道淤积，节省输沙水量；“挖”是在局部淤积严重的河段和河口河段挖河疏浚，结合淤背固堤和淤高低洼地面，增加可用土地，处理和利用泥沙。长期以来，广大治黄工作者对黄河泥沙治理的各种措施和技术进行了深入系统的研究，未来需要重点研究协调黄河水沙治理的各种措施，避免突出某一单项措施及其目标效益，而导致其他目标效益受损。如过分强调水库的拦沙作用，水库淤积将加剧库区上游干支流的洪涝灾害，水库下泄清水的冲刷也影响下游河道的稳定性，甚至影响河口的生态环境,水库的拦沙库容也将快速用完。三门峡水库的初期运用就是一个典型的例子。因此应研究如何充分发挥水库拦沙的作用和调控泥沙的作用，建立调控协调的水沙关系，使下游河道既能有效减淤，又可长期使用水库的拦沙库容。

“拦、排、放、调、挖”等处理泥沙的措施在黄河不同河段和不同时期的作用是不同的。据研究，黄河干支流水库拦沙的潜力与能力较大，但水库的拦沙库容是有限的，只能在一定时期内发挥作用，应通过水库调控出库水沙过程，合理利用水库“拦”的能力改善下游河道冲淤；黄河干流河道的输沙潜力与能力也较大，河道输沙是长期的，应充分利用河道“排”的能力输沙到河口造陆和输沙至深海；滩区放淤潜力与能力相对较大，滩区放淤是有条件的，应合理利用“放”的能力改善滩槽泥沙分布；水库调控是黄河干流泥沙空间配置最重要的措施，通过水库“调”进行“拦、排、放”，加强水库联合调控运用，改善水库调控水沙的效果；“挖”的作用是处理局部河段的泥沙，其能力受挖河能力和泥沙利用能力的影响，作用相对较小。综上所述，5种处理黄河泥沙措施中，“拦”和“放”两种措施是阶段性的，“排”和“调”两种措施能够相对长期发挥作用，“调”和“拦、排、放”需要相互结合。因此，未来在黄河泥沙处理中应充分发挥水库“调”的作用，加强研究水库“调”的控制技术，通过水库联合运用改善水沙关系，结合 “拦、排、放”等措施尽可能延长水库有效库容使用寿命，长期维持河道基本输水输沙能力。黄河小浪底水库从2002年以来的10次调水调沙运用充分说明“调”在黄河泥沙治理中的作用。据统计，10次“调水调沙”运用，黄河下游800多km河道普遍发生冲刷，下游河道共冲刷泥沙量3.814亿t，主河槽平均下降约1.5 m，河道最小过流能力由1 800 m3/s提高到4 000 m3/s，黄河河口三角洲生态系统得以恢复和改善。韩其为院士的研究表明，黄河调水调沙具有巨大的潜力，采用75%的水量调水调沙，就有可能解决黄河下游河道淤积的问题。

二、黄河水沙调控体系建设与协调水沙关系

黄河来水来沙量的减小、水沙量年内分配的变化及来沙系数的增加是导致黄河干流河道淤积萎缩的主要原因，而汛期洪峰流量的减小则加重了主河槽的淤积。为实现黄河的长治久安，促进流域和相关地区经济社会的可持续发展，必须采取有效途径，协调黄河的水沙关系。建设黄河水沙调控体系为达到此目的提供了可能和保障。

为了解决黄河“水少、沙多、水沙关系不协调”的问题，维持黄河健康，所需要采取的有效措施是“增水、减沙、调节水沙过程”。增水主要是通过外流域调水和流域内节水等途径实现，其中外流域调水是最直接、最有效的措施。减沙主要包括3种措施：一是黄土高原水土保持措施拦沙，特别是拦减粗泥沙；二是利用黄河上中游骨干水库和主要多沙支流上的大中型水库拦沙；三是利用小北干流和下游等滩区放淤。调节水沙过程就是通过对黄河水沙调控体系中水库群的合理调控运用，最大限度地将黄河不利的水沙过程改变为协调的水沙过程，多输送泥沙入海，减少河道淤积，扩大并维持河道主槽过流能力。“增水、减沙、调节水沙过程”这3种治理途径均属于黄河水沙调控体系的不同实施目标，通过黄河水沙调控体系不同调度运用，可实现上述3种途径的治理目标。因此，建立完善的黄河水沙调控体系是今后黄河治理的重要措施之一。

图1 黄河水沙调控体系示意图

黄河水沙调控体系由理论基础和技术措施两部分组成，如图1所示。黄河水沙调控体系的理论基础是流域水沙资源优化配置的理论与模型，其作用是科学分析与配置黄河水沙的分布，明确水沙的去向，把水沙合理地配置到流域的河道内、河道外、水库内、滩区、筑堤、造地、入海和综合利用等。技术措施是指水沙调控工程体系，包括工程和非工程措施：①以干流的龙羊峡、刘家峡、大柳树、碛口、古贤、三门峡和小浪底等大型水利枢纽为主体，支流的陆浑、故县、河口村和东庄等水库为补充的联合调控运用，配合下游的河道整治工程等，是调节黄河水沙过程的主要手段，应充分发挥黄河干支流上大型骨干水库的水沙调控功能，调节出更为协调的黄河水沙过程；②水土保持与多沙、粗沙区的治理，滩区综合治理（生产堤、放淤等），河口造陆和泥沙资源综合利用等是黄河减沙的重要手段，通过这些措施，可减少进入下游河道的泥沙，并使黄河泥沙配置更为合理；③跨流域调水工程和流域内节水工程等是黄河增水的重要手段，可有效增加进入黄河的水量，提高河道的输沙能力。黄河水沙调控体系的主要目的是：调控出协调的水沙过程，减轻黄河河道的淤积，维持河道主河槽的基本泄洪输沙功能；有效管理黄河洪水，为防洪安全提供重要保障；优化配置黄河水沙资源，确保黄河不断流，改善生态环境，以水资源的持续利用支持经济社会的可持续发展，维持黄河的健康。

据分析，黄河下游协调的水沙关系应具有以下特征：①从年平均值来说，来沙系数应小于0.012，流量应大于1 850 m3/s，即含沙量小于 21 kg/m3；②对于不漫滩洪水，洪峰与沙峰要同步，洪峰流量为 2 500～3 500 m3/s，平均来沙系数小于0.012，洪峰历时在7天左右，洪量在15亿m3以上；③对于漫滩洪水，洪峰与沙峰要同步，洪峰流量大于 5 500～6 000 m3/s（相当于洪峰流量与平滩流量的比值大于1.5），平均来沙系数小于0.015，洪峰历时为7～8天，洪量在35亿m3以上。

目前，在黄河干支流建成了以龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底水利枢纽工程为主，陆浑、故县水库工程为辅的水沙调控工程体系，在黄河流域防洪、减淤、供水等方面发挥了重要作用。尤其是小浪底水库建成后，通过水库拦沙和调水调沙，显著地改善了进入黄河下游的水沙关系，抑制了黄河下游河道淤积抬高的态势，黄河下游河道中水河槽过流能力已恢复至4 000 m3/s。据分析，小浪底水库的水沙调控运用，可以在2020年前将黄河下游河道中水河槽过流能力维持在4 000 m3/s左右。但小浪底在2020年前后水库拦沙库容淤满后，黄河下游河道淤积抬高问题又将凸显，防洪形势将又趋严峻。小浪底水库拦沙库容淤满后，调水调沙库容为10亿m3，一般可调节蓄水库容仅5亿m3左右，依靠小浪底水库调节水量，不能满足维持黄河下游中水河槽的水流动力要求。黄河小北干流放淤是处理黄河粗泥沙的重要措施之一，对控制潼关高程、减少小浪底入库泥沙、减缓下游河道淤积、改善滩区土地利用条件等具有战略意义；在现状工程条件下，进入小北干流放淤区河段的水沙过程、放淤过程及历时完全受制于天然水沙过程，可放淤的机会相对较少。这主要是由于黄河水沙调控工程体系尚不完善，一些重要的工程还没有建设。兴建古贤、碛口等水库后，可以控制小北干流河段来沙，提高小北干流放淤的效率，增加进入滩区的粗泥沙，减少进入黄河下游的粗泥沙，减缓黄河下游河道淤积。这些工程与小浪底水库联合调水调沙，塑造协调的水沙关系，增大河道的造床流量，充分利用黄河下游河道的输沙能力，多“排”沙入海，实现“拦、调、排”的相互结合，可长期维持黄河下游河道中水河槽的行洪输沙功能。通过干流多座水库工程联合调水调沙，使小北干流河段明显冲刷，不仅可以恢复小北干流河道主河槽过流能力，而且可使潼关高程显著下降，减少黄河倒灌渭河的概率，减轻渭河中下游防洪压力，同时为小北干流河段大规模放淤提供条件。因此，通过工程措施建设与完善黄河水沙调控体系，是调节黄河协调水沙关系的关键措施之一，对于优化配置黄河泥沙分布具有重要作用。

三、2020—2050年黄河中下游干流治理目标概述

黄河干流治理的目标随着治理措施的不同和来水来沙的变化是不同的，治理目标的控制性指标也可用多种形式表达。为简化分析，突出黄河治理的主要矛盾，仅确定最为关键的参数作为黄河干流治理的控制性指标。鉴于本文主要研究古贤水库在黄河治理中的作用，以下将主要论述受古贤水库影响的黄河中下游治理目标。

1.中游治理目标

黄河中游河道的主要问题是20世纪60年代三门峡水库运用以来潼关高程居高不下，造成汇流区和渭河下游侵蚀基准面抬高、淤积加重，渭河下游河道由三门峡建库前的地下河变成了现在的地上河，防洪形势严峻。因此，将黄河中游河道治理的控制性指标确定为潼关高程的降低值。

三门峡水库运用方式调整与潼关高程控制研究成果表明，通过调整三门峡水库的运用方式，在目前偏枯的水沙条件下使潼关高程下降1 m左右是可能的。古贤水库对小北干流及三门峡库区减淤作用研究成果表明，在3种水沙系列条件下，古贤水库不同起调方案运用30～40年内，随着其下游河道的冲刷，潼关高程将有较大幅度的下降，最多可降低1.8 m左右。

根据黄河流域综合规划建议，古贤水库建成运用的时间为2020年。综合考虑可将黄河中游治理目标定为：2020年前，主要通过调整三门峡水库运用方式降低潼关高程1 m左右；2020—2050年，主要通过古贤和三门峡水库联合调控运用及小北干流放淤，降低潼关高程2 m左右。

2.下游治理目标

黄河下游河道的主要问题是，20世纪80年代后期，由于龙羊峡和刘家峡水库的建成与运用，加之沿黄工农业用水的大量增加及降雨量减少等因素影响，黄河下游来水来沙条件发生了显著变化，致使下游河道主河槽严重淤积萎缩，平滩流量显著减小，“二级悬河”加剧，形成小流量—高水位—大灾害的局面，这种形势还有不断加剧的趋势，成为21世纪初期黄河下游防洪治理面临的关键问题之一。因此，将黄河下游河道治理的控制性指标确定为下游河道能够塑造与维持的中水河槽的平滩流量。

实测资料分析表明，当进入下游的水量维持在1986—2003年的水平（花园口水文站断面年平均径流量为259亿m3）时，黄河下游河道的平均平滩流量约为3 800 m3/s。黄河河道水沙动力学模型计算结果表明，在目前来水来沙条件下，通过小浪底水库的单独调节运用，可以在5～8年左右塑造出一个平滩流量约为4 000 m3/s的中水河槽，然后通过调节水库适当的出库排沙比，可以在小浪底水库拦沙库容淤满前得以维持。

小浪底水库与古贤水库联合调度运用的数学模型计算结果表明，古贤水库的投入运用可使小浪底水库调节运用塑造和维持的下游河道4 000 m3/s左右的中水河槽多维持10年左右。之后，下游河道开始回淤，平滩流量减小，在两个水库联合运用的第10～30年间，下游河道平滩流量基本维持在3 500 m3/s左右。

综合上述实测资料分析和数学模型计算结果，在黄河流域综合规划建议的古贤水库2020年建成并与小浪底水库联合调水调沙运用的情况下，黄河下游河道的治理目标可确定为：2030年前维持下游中水河槽的平滩流量为 4 000 m3/s左右，2030—2050年维持下游中水河槽的平滩流量为3 500 m3/s左右。

四、古贤水库在黄河中下游水沙调控与泥沙治理中的作用

拟建的古贤水库坝址位于黄河北干流河段下段，上距碛口坝址235.4 km，下距壶口瀑布10.1 km，控制了黄河80%的水量和66%的沙量，是黄河水沙调控体系七大控制性骨干工程之一。目前以小浪底水库、三门峡水库（包括万家寨水库等）和下游河道整治为中心的中下游水沙调控工程体系，在拦沙和调水调沙运用，降低潼关高程，减少下游河道泥沙淤积，塑造与维持下游河道4 000 m3/s平滩流量的中水河槽中发挥了显著作用，但也存在着调控能力不足和拦沙库容有限等明显问题，使潼关高程的进一步降低和下游河道中水河槽长期维持无法实现，迫切需要在小浪底水库拦沙库容淤满前，在中游建成古贤水库，完善黄河中下游水沙调控体系。古贤水库优越的地理位置，巨大的拦沙库容和水沙调控能力，对于调控协调的水沙关系，实现2050年前黄河中下游治理目标具有十分重要的和不可替代的作用。

1.对中下游河道减淤的作用

据不同水沙系列下古贤水库调度运用对黄河小北干流和下游河道减淤作用研究表明，古贤水库不同运用方案小北干流河道减淤量为25.78亿～28.99亿 m3，不淤年限在 55～60年左右；小浪底和古贤两库联合调度运用，下游河道减淤量为118.8亿～144.6亿t，不淤年限可达43～58年。可见古贤水库运用对黄河小北干流和下游河道具有显著的减淤效果。

2.对降低潼关高程的作用

古贤水库坝址距潼关约200 km，拦沙库容为118.2亿m3。汛期通过水库拦沙和调水调沙运用，调控进入小北干流河段的水沙关系，结合三门峡水库运用方式调整，使潼关河段发生持续性冲刷，从而实现潼关高程在2020—2050年期间降低2 m左右的目标，有效减轻黄渭洛汇流区和渭河下游的防洪压力。

3.与小浪底水库联合运用的作用

不同水沙系列小浪底水库和古贤水库联合调度运用对黄河下游河道减淤作用研究表明，仅小浪底水库单独运用，下游河道减淤量为58.5亿～71亿t，不淤年限为21～27年，如图2所示。小浪底和古贤两库联合调度运用，下游河道减淤量增加到118.8亿～144.6亿t，不淤年限可达 43～58年，减淤量和不淤年限均为小浪底水库单独运用时的2倍以上，即两座水库联合调度运用对维持下游河道健康的作用大于各水库单独运用作用之和，具有1+1>2的效果。特别需要指出的是，小浪底水库1999年运用以来，拦沙库容已使用了约25亿m3，尚有近50亿m3，应抓紧时间建设古贤水库，发挥两库联合调度运用的效果，同时还可以延长小浪底水库拦沙库容的使用年限，更大程度地发挥水库的调控作用。

4.对维持下游河道中水河槽的作用

小浪底水库拦沙和调水调沙，已使黄河下游河道中水河槽的过流能力恢复至近4 000 m3/s，但小浪底在2020年前后水库拦沙库容淤满后，黄河下游河道淤积抬高问题又将凸显，仅依靠小浪底水库调节水沙过程，黄河下游河道流量4 000 m3/s左右的中水河槽将不能维持，到2030年下游河道中水河槽将萎缩到流量3 000 m3/s左右。而古贤水库通过水库拦沙和与小浪底水库联合调水调沙运用，协调进入黄河下游河道的水沙关系，提高下游河道输沙能力，尽量多排沙入海，减缓河道淤积抬升，能够实现下游河道在2050年前维持流量3 500～4 000 m3/s中水河槽的治理目标。可见古贤水库在2050年前在维持下游一定规模的中水河槽中具有极其重要和不可替代的作用。

5.对黄河中下游泥沙优化配置的作用

古贤水库位于黄河北干流河段下段，特殊的地理位置与对黄河水沙的控制能力，可以在黄河中下游泥沙优化配置中发挥重要作用。水库调控是黄河水沙优化配置的重要措施之一，通过古贤水库拦沙，可拦截进入小浪底水库和下游河道的泥沙总量为118.2亿m3，显著减轻小浪底水库和下游河道的淤积。通过古贤水库水沙调控，可为小北干流滩区放淤创造条件。据分析，小北干流放淤采用甘泽坡枢纽进行有坝自流放淤，安置泥沙的潜力为107.5亿 m3，比无古贤水库的无坝放淤多放淤99.1亿m3；通过古贤水库与小浪底水库联合调水调沙运用，能够调整小浪底水库淤积形态，延长小浪底水库有效库容使用年限，并可优化下游河道滩槽泥沙分布与比例、下游河道输沙能力和输送到河口的泥沙数量，使黄河泥沙分布更趋于合理。