小浪底水库2018年主汛期防洪预泄排沙效果分析

李晓宇，李 焯，郭 银

（1.黄河水利委员会河南水文水资源局，河南郑州450004；2.黄河水利委员会水文局，河南 郑州450004）

1 背 景

小浪底水库位于黄河中游最后一段峡谷出口处，控制流域面积69.4万km2，占黄河流域面积（75.2万km2，不含内流区）的92.3%，设计库容126.5亿m3，是黄河干流重要的控制性工程之一。1999年10月蓄水运用以来，通过蓄清排浑、调水调沙，有效延缓了黄河下游“地上悬河”和“二级悬河”发育，提高了河道主槽过洪能力，改善了下游防洪形势[1]。然而，水库运行20 a来，已累计淤积泥沙约31亿m3，如何通过合理的水沙调节，以更少的水量将更多的泥沙排出水库，延长水库运行寿命，是治黄的重要课题之一。

在小浪底水库以往的运行管理和研究中，确定了一系列减少泥沙淤积的运行方式，主要包括拦粗排细、调水调沙、异重流排沙、相机降低水位排沙等，取得了较好的减淤排沙效果。拦粗排细是在小浪底水库运行初期的蓄水拦沙阶段，将粗颗粒泥沙淤积在拦沙库容内，而细颗粒泥沙暂时淤积，在适当水流条件下排出库外；调水调沙是通过水库调度，合理配置水沙过程，将水库泥沙和河床淤沙输送入海，实现水库减淤和增大下游河道行洪能力的效果；异重流排沙指待异重流运行至坝前时打开底孔排沙，保留上部清水；相机降低水位排沙指利用入库洪水过程，通过降低水库水位达到冲刷水库淤积并排沙出库的效果[2]。

2018年主汛期的7月3—11日，黄河防总借助小浪底水库低水位运行的有利时机，加大三门峡水库下泄流量冲刷小浪底水库淤积泥沙，并适时加大小浪底水库下泄流量排沙出库，是应用“相机降低水位排沙”方式减少水库淤积的典型实践，取得了良好的排沙效果。

2 主汛期防洪预泄过程

根据气象预报，2018年汛期黄河上中游降水量较多年平均增大50%以上，特别是主汛期7—8月发生暴雨洪水的概率显著增大。基于对天气形势的预判，黄河防总统筹上中游水库进行联合防洪调度。小浪底水库的防洪预泄大致可分“前期清水预泄”和“主汛期防洪预泄”两个阶段：第一阶段自汛前开始，水库下泄清水，腾空防洪库容，5月10日库水位降至防洪限制水位254 m，6月29日降至死水位230 m；第二阶段自7月初开始，在上中游洪水形成但尚未演进至水库之前，由三门峡水库加大下泄流量，在小浪底水库低水位条件下冲刷库区内淤积泥沙，同时，小浪底水库加大下泄流量排沙出库。“主汛期防洪预泄”一方面进一步腾空了三门峡、小浪底两库的防洪库容，为迎接上中游洪水进行了准备，另一方面在三门峡、小浪底两库均起到了良好的排沙效果，特别是小浪底水库的排沙效果十分显著。本文重点研究2018年“主汛期防洪预泄”的过程和效益。

（1）小浪底出库水沙过程。小浪底水库自7月3日起加大泄量，3日10时流量超过3 000 m3/s，16时超过3 500 m3/s并持续至4日20时；期间4日16—17时流量短时超过4 000 m3/s，16时48分洪峰流量为4 490 m3/s；4日20时之后大幅回落，到5日2时减小至2 000 m3/s左右。

5日11时起再次加大下泄流量，5日18时—8日6时流量在3 000 m3/s左右波动；期间7日8—12时流量短时超过4 000 m3/s，10时洪峰流量为4 150 m3/s；8日6时之后持续回落，到9日8时减小至2 000 m3/s以下。

9日11时起下泄流量再次增大至2 700 m3/s左右，并持续到11日16时本次预泄过程结束。

出库含沙量过程滞后于流量，自7月4日8时开始排沙出库，含沙量持续增大，4日 16时超过5 kg/m3，5日16时超过 50 kg/m3，7日 0时超过 100 kg/m3，7日22时达到沙峰154 kg/m3；9日12时之后含沙量逐渐减小，到11日预泄过程结束时含沙量减小至30 kg/m3左右。小浪底出库水沙过程见图1。经统计，本次过程历时208 h，出库洪量为20.03亿m3，输沙量1.274 亿 t。

图1 小浪底水库防洪预泄出库水沙过程

（2）对应的三门峡出库水沙过程。三门峡、小浪底两库区间产水产沙量较小，因此用三门峡出库水沙过程作为小浪底入库过程。三门峡水库7月3日20时开始加大泄量，5日1时36分出现洪峰，流量为4 060 m3/s；5日14时出现沙峰，含沙量为255 kg/m3。到10日三门峡泄流过程基本结束（见图2）。经统计，该洪水过程的洪量为12.63亿m3，输沙量为0.824亿t。

图2 与小浪底水库防洪预泄期对应的三门峡出库水沙过程

（3）对应的下游花园口水文站水沙过程。小浪底水库防洪预泄形成了花园口水文站的洪水过程，由于小浪底—花园口区间（简称小花间）的伊洛河和沁河流量均较小，因此上下游水沙过程呈现较好的响应关系。花园口站7月4日6时流量起涨，5日8时达到第一个峰顶3 940 m3/s；短暂回落后又再次起涨，7日22时达到第二个峰顶4 360 m3/s；之后逐步回落，到12日15时洪水过程基本结束。含沙量过程滞后于流量，6日11时含沙量超过5 kg/m3，9日8时达到最大含沙量38 kg/m3，12日过程结束时又回落至20 kg/m3以下（见图3）。经统计，花园口站洪水过程的洪量为22.92亿m3，输沙量为0.418亿t。

图3 与小浪底水库防洪预泄过程对应的花园口站水沙过程

3 排沙效果分析

小浪底水库自2002年至今开展了18次调水调沙，将此次防洪预泄过程的排沙效果与历次调水调沙进行对比。历史上18次调水调沙平均出库水量为38.10亿m3，平均出库沙量为0.347亿t，平均含沙量为9.1 kg/m3；最大场次出库沙量为0.751亿t，最大平均含沙量为29.0 kg/m3（见表1）。

表1 小浪底水库历次调水调沙水沙特征值

本次防洪预泄小浪底出库水量为20.03亿m3，沙量为1.274亿t，平均含沙量为63.6 kg/m3，即每1 m3水可挟带63.6 kg泥沙出库。本次的出库沙量和平均出库含沙量均明显大于历次调水调沙，排沙效果良好。即使考虑前期清水预泄水量34.79亿m3（防洪限制水位254 m至死水位230 m），则总出库水量为54.82亿m3，平均出库含沙量也达到了23.2 kg/m3，与历次调水调沙的最佳排沙效果相当。

初步分析排沙效果差异的原因，发现库水位对排沙具有重要的影响。由历次调水调沙期间的平均库水位与平均出库含沙量的相关关系（见图4）可见，两者具有较好的响应关系，确定系数R2达到0.827 5，说明在合理的调度运用前提之下，降低水库水位能够显著提高排沙效果。同时，从图4可以看出，当排沙期平均库水位高于235 m时，平均出库含沙量很小；当平均库水位在225～235 m时，平均出库含沙量变化不大，为5～12 kg/m3；当平均库水位降至225 m以下时，出库含沙量明显增大，普遍大于 15 kg/m3，多数超过20 kg/m3，排沙效果明显提高。李昆鹏等[4]在小浪底库区异重流排沙对接水位研究中，认为2013年异重流排沙在库水位220.99 m以下时排沙效果良好，当库水位提升4.85 m（即225.84 m）后对排沙产生不利影响。该成果可佐证本文得出的结论。

分析还发现，历史18次调水调沙在小花间干流的平均淤积量为0.001亿t，冲淤基本平衡；而本次防洪预泄过程中花园口的输沙量仅为0.418亿t，说明出库泥沙在小花干流淤积0.856亿t。初步分析可能与泥沙颗粒较粗、后续洪水动能不足有关，需要加强相关研究剖析其成因，并在后续的水库调度运用中合理利用上中游洪水冲刷下游河道，排沙入海。

图4 调水调沙期间小浪底平均库水位与平均出库含沙量的关系

4 结 语

（1）2018年主汛期小浪底水库防洪预泄过程历时208 h，最大流量4 490 m3/s，最大含沙量154 kg/m3，出库水量20.03亿m3，出库沙量1.274亿t，平均含沙量63.6 kg/m3。出库沙量和平均含沙量均明显高于历次调水调沙，取得了良好的排沙效果。

（2）分析历次调水调沙资料，认为在小浪底水库合理调度运用的前提下，降低水库水位能显著提高排沙效果。当排沙期间的平均库水位降至225 m以下时，排沙效果明显提高。

（3）本次防洪预泄在小花间干流河道淤积泥沙0.856亿t，建议在今后工作中加强相关研究，合理调度上中游洪水冲刷下游河道。