黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控初步研究

2015-04-06王义民金文婷西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地陕西西安710048

水利水电快报 2015年4期

白涛王义民金文婷李强黄强(西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西西安 710048)

黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控初步研究

白涛王义民金文婷李强黄强(西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，陕西西安 710048)

针对黄河上游沙漠宽谷河段的水沙调控问题，分析上游梯级水库运行前后下游河道水沙关系变化；构建并求解复杂梯级水库群水沙调控模型，获得了沙漠宽谷河段不同水沙调控方案的结果；阐明了参与水沙调控的梯级水库群调控水沙的能力，研究成果可为黄河上游沙漠宽谷河段河道水沙调控科学对策的提出提供技术支撑;对维护宁蒙河段冲淤的相对平衡、保障凌洪安全，以及丰富梯级水库群水沙联合优化调度理论，具有重要的理论意义和应用价值。

宽谷河段;水沙调控;调控研究;黄河上游

1 研究背景

近年来，随着社会经济的快速发展，也导致极端气候频发、生态环境愈加脆弱、水资源供需矛盾日益突出，黄河上游沙漠宽谷河段河槽萎缩、河道淤积严重，形成长达268km的“新悬河”。河床高程比沿黄城市地面高3～5m，甚至在“十大孔兑”处形成高约4m的“支流悬河”，不仅造成了过流能力下降、宁蒙河段“小水致大灾”、洪凌灾害频发的严峻局面[1]，更严重影响到重大水利工程的布局和实施，甚至是全流域水资源的开发利用，危及黄河下游河道及人民群众的人身财产安全。

因此，利用龙羊峡的多年调节性能和龙羊峡、刘家峡梯级水库群(以下简称“龙刘两库”)的联合调度，开展黄河上游沙漠宽谷河段的泥沙治理研究工作，防治黄河上游的“新悬河”，维护黄河健康，促进黄河上游水能资源的开发利用，保障宁蒙河段和下游河段的洪凌安全，具有重要的实际意义。

本文研究黄河上游沙漠宽谷河段水沙调控，旨在通过黄河上游梯级水库群水沙联合调度，人工塑造适宜于冲刷河道的洪峰过程，远距离冲沙输沙，改善上游河道不和谐的水沙关系，减缓河道淤积。

2 梯级水库群对下游河道水沙关系影响分析

为分析龙刘两库运行前后对下游宁蒙河段水沙关系的影响[2]，根据两库不同的投运时间，将1954～2006年系列分为1968年以前(天然)、1969～1986年(刘家峡单库运行)、1987年以后(龙刘两库联合调度运行)3个时段[3]。分析不同时期黄河上游沙漠宽谷河段河道实测水量、沙量的变化情况后可得出以下几点结论。

(1) 1954～1968年下河沿、石嘴山、头道拐各水文站汛期水量占全年径流量的60%以上，而沙量占全年输沙量的80%以上，说明该河段的泥沙输送主要发生在汛期，也验证了黄河干流“大水挟大沙”的泥沙输移规律。

(2) 1987～2006年龙刘两库联合运行后，各断面的水量和沙量均明显减小，下河沿、石嘴山、头道拐各水文站多年平均水量较1954～1968年分别减少28.7%、32.7%和43.3%，沙量分别减少66.1%、60.2%和78.2%。黄河上游龙刘两库的联合运行，改变了黄河上游沙漠宽谷河段各站年内的水沙分配。

根据建库前后各水库下游控制水文站历年水量、输沙量数据，分别点绘刘家峡下游控制水文站(小川站)、龙羊峡下游控制水文站(贵德站)年水量与输沙量关系曲线，如图1～2，分析水库建成前后下游水文站的水沙关系变化。

由图1、2分析可知：

(1)刘家峡水库建库前，小川站年水量与输沙量呈现明显的线性关系，1952～1968年年均输沙量为0.81亿t，年平均流量为925m3/s；自1969年刘家峡水库蓄水投运后，小川站年水量与输沙量的线性关系发生改变。1969～1986年年均输沙量为0.16亿t，年均流量为910m3/s，在相同流量下,建库前后输沙量减少80%左右，说明小川站的水沙关系在刘家峡建库前后发生了明显变化。

(2) 与刘家峡建库前后的情况类似，龙羊峡建库前贵德站年水量与输沙量呈指数关系，建库后趋于线性关系，且多年平均输沙量由建库前的0.25亿t减少到建库后的0.03亿t，减幅达88%；多年平均流量由建库前的698m3/s减少到建库后的547m3/s，减幅为22%。

可见，龙刘两库相继投运后，减少了站点年径流量和汛期径流量，对下游河床的冲淤带来不利影响，使黄河上游沙漠宽谷河段河道的冲淤局势进一步恶化。

3 水沙规律分析

为研究水沙规律[4]，将研究区域划分为下河沿至青铜峡、青铜峡至石嘴山、石嘴山至巴彦高勒、巴彦高勒至三湖河口、三湖河口至头道拐5个河段,并针对不同河段水沙规律进行分析。将各河段的含沙量分为4个区间，即0～3，3～7，7～15kg/m3和大于15kg/m3，点绘各站洪水期平均流量与各区间河段的冲淤量关系散点图，将各区间水沙规律总结、归纳，可得出以下规律。

(1) 宁夏河段各站的含沙量分布较为均匀，虽以0～3，3～7kg/m3为主，但其他含沙量区间均有出现。内蒙古河段主要以3～7，7～15kg/m3为主，0～3kg/m3以及大于15kg/m3的情况极少。下游河段的含沙量较上游河段明显增大，含沙量随河道下移有增大趋势。即下河沿至青铜峡区间平均含沙量最小，三湖河口至头道拐区间含沙量最大。

(2) 在洪水期,宁夏河段各站流量在1 000～3 000m3/s内，内蒙古河段各站流量有所减少，基本在500～2 500m3/s以内。

(3) 宁夏河段水沙冲淤规律较内蒙古河段呈现不同特点。当流量在1 000m3/s左右时，宁夏河段有冲有淤，冲淤基本平衡，只有在大含沙量时淤积明显；内蒙古河段呈现明显淤积形态，在小流量时就产生淤积。

(4) 各站冲刷效果较好的区域集中在含沙量3～7kg/m3、流量2 000～3 000m3/s的区域内。随着流量增大，部分站点在流量大于4 000m3/s时可获得区间的最大冲刷量。

(5) 当含沙量大于15kg/m3以后，无论区间河段流量多少，河道基本处于严重淤积状态。换言之，在研究区域的泥沙含量超过15kg/m3以后，基本不具有冲沙输沙条件。

根据各区间河段的水沙规律，得到了不同区间河段、不同含沙量情况下的水沙阈值系列，以塑造能使河道冲刷的人造洪水流量过程，满足水沙调控的流量要求。

4 多目标水沙调控模型建立及求解

黄河上游水沙联合调控系统的调控目标可分为4类，即防凌、防洪目标，维持河道冲淤相对平衡目标，水资源供需平衡目标以及发电目标。

(1) 防凌、防洪目标[5]

防凌目标为

(1)

式中，QC(刘家峡，t)指刘家峡水库t时段的出库流量，m3/s；Qf1(t)为t时段刘家峡水库为满足防凌要求的流量阈值，m3/s。

防洪目标为控制水库防洪水位及下泄流量，确保大坝水库及下游地区安全。

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(2)

式中，Z(m,t)为第m水库t时段的水库水位，m。 Zmin(m,t)、 Zmax(m,t)分别是第m水库t时段的最小、最大控制水位,m。

QRcmin(m,t)≤QRc(m,t)≤QRcmax(m,t)

(3)

式中， QRc(m,t)为第m水库t时段的下泄流量，m3/s, QRcmin(m,t),QRcmax(m,t)分别为第m水库t时段的最小、最大控泄流量，m3/s。

(2) 维持河道冲淤相对平衡目标

(4)

式中， W为河段输沙量,t;T为调度周期，a；N为输沙断面数目；w(i,t)为i断面t时段的输沙量，t，由各断面的输沙率确定；Δt为调度时段长度，月。

(3) 水资源供需平衡目标

QSmin(t)≤QC(兰州,t)

(5)

式中， QSmin(t)为断面的最小供水量，m3;QC(兰州,t)为兰州断面t时段的流量，m3/s。

(4) 发电目标

(6)

式中，E为梯级总发电量，kW·h；N(i,t)为第i个电站在第t时段的平均出力，kW;Δt为调度时段长度。

考虑的约束条件有节点水量平衡、节点间水流连续性、水库水量平衡、水库库容、防凌、出库流量、出力和变量非负约束[7]。

本文采用自迭代模拟优化算法求解模型[6-8]。

5 水沙调控成果及其分析

5.1 方案制定

选取2010年作为现状年[9,10]，从来水、调控流量、水资源供需要求、龙羊峡起调水位和可调冲沙水量等多方面设置了水沙调控方案，根据最小弃水原则,对水沙调控方案集进行了修正。其中，在方案1中，设定控制流量为2 240m3/s,可供冲沙水量为97亿m3，冲沙用水量为58亿m3；在方案2中，设定控制流量为2 580m3/s,可供冲沙水量为97亿m3，冲沙用水量为67亿m3；初始方案中无设定。

5.2 计算结果

将2010年各水库电站的实际运行情况及各相关断面流量、沙量的实测值作为初始方案，以便与其他调控方案进行对比分析。在2010年各水沙调控方案中,龙羊峡起始水位为2 591.4m，可供冲沙的水量为97亿m3。计算结果见表1。

以初始方案为参照，分别对各优化方案的发电量、水库水位、各断面冲淤效果进行系统分析。

(1) 优化调度方案的梯级发电量均比初始方案的多。对比分析后可知，随着水沙调控控制流量的增加，梯级发电量虽有增加，但龙羊峡水库的蓄能电量减小，弃水损失电量增加，造成发电效益的巨大损失，不利于梯级水电站的经济运行。

(2) 各优化方案中刘家峡水库汛期来临前将水位控制在1 726m以下，预留了足够的防洪库容，可保证汛期防洪安全。各优化方案能够保证汛期刘家峡水库的防洪安全，且增加了水沙调控的控制流量，更有利于保证刘家峡水库汛期的防洪安全。

(3) 在初始方案中,沙漠宽谷河段有冲有淤，总体上微淤，区间河段的淤积量为0.053 1亿t，主要淤积发生在青铜峡至石嘴山区间河段。随着各断面输沙流量的增加，方案2的头道拐站输沙量和区间输沙量均大于方案1,河道冲刷效果也较方案1更为显著。本文推荐方案2作为优选方案。

注：龙羊峡蓄补水量为正值,表示水库蓄水；反之表示水库补水；区间冲淤量为正值,表示区间河段淤积，反之表示区间河段冲刷。