基于下游河道中水河槽维持的小浪底水库运用方式研究

陈翠霞 卢嘉琪 吴默溪 韦诗涛 崔振华

摘 要：小浪底水库运用以来，为实现下游河道减淤，水库运用方式以蓄水拦沙和调水调沙运用为主，下游河道输沙能力较低。当前，黄河下游河道适宜的中水河槽規模（泄流能力为4 000 m3/s）已形成，长期维持该河槽规模，充分发挥黄河下游河道输沙能力输沙入海，成为当前及今后一个时期水库减淤调度的新要求。根据黄河下游1960—2016年306场非漫滩洪水实测资料，分析不同含沙量级、流量级黄河下游河道的冲淤效率和输沙效率，提出含沙量在60 kg/m3以上的大流量洪水过程在下游河道具有较高的输沙效率，但也容易造成河道淤积。进一步提出基于下游河道中水河槽维持的河道输沙对水库运用的要求，即当下游河道中水河槽泄流能力维持在4 000 m3/s左右时，为提高河道输沙能力，小浪底水库可适时增加泄放含沙量不超过100 kg/m3的大流量过程;当下游河道中水河槽泄流能力扩大至4 500 m3/s以上时，小浪底水库可适时增加泄放含沙量不超过200 kg/m3的大流量过程;若未来下游河道中水河槽泄流能力缩减至4 000 m3/s以下时，小浪底水库调度仍以蓄水拦沙和调水调沙运用为主，以重塑河槽规模。数学模型计算结果表明，小浪底水库运用方式调整可提高下游河道输沙能力，同时减缓小浪底水库和下游河道的淤积，且在更长的时间内维持下游河道泄流能力为4 000 m3/s左右的中水河槽。

关键词：河道冲淤;河道输沙;中水河槽;小浪底水库;黄河下游

中图分类号：TV145;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.11.007

引用格式：陈翠霞，卢嘉琪，吴默溪，等.基于下游河道中水河槽维持的小浪底水库运用方式研究[J].人民黄河，2021，43（11）：35-38.

Study on the Operation of Xiaolangdi Reservoir Based on Maintaining the River Channel of

Median Water of the Lower Yellow River

CHEN Cuixia1， LU Jiaqi2， WU Moxi1， WEI Shitao1， CUI Zhenhua1

（1.Yellow River Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 45000  China;

2.College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： The Xiaolangdi Reservoir has been mainly used for sediment trapping and water-sediment regulating in order to reduce sedimentation of the lower Yellow River after operation， which results in lower sediment transport efficiency. At present， a suitable river channel scale of median water with the bankfull discharge capacity of 4 000 m3/s has been formed in the lower Yellow River. Under this riverbed condition， how to maintain the river channel of median water of the lower Yellow River and give full play to the river sediment transport capacity becomes new requirement to the operation of the reservoir. This paper analyzed the sediment transport efficiency at different sediment concentration levels and discharge levels based on the measured data of 306 non-overbank floods in the lower reaches of the Yellow River from 1960 to 2016 and proposed that the downstream river channel had a higher sediment transport efficiency when the large flow with sediment concentration greater than 60 kg/m  but it was also prone to cause sedimentation in the river channel. The paper further proposed the sediment transport requirement to the operation of the reservoir based on maintaining the river channel of median water of the lower Yellow River. In order to improve the sediment transport capacity of the downstream river， when the bankfull discharge capacity of the downstream river channel was about 4 000 m3/s， the Xiaolangdi Reservoir could discharge large-flow processes with sediment concentration less than 100 kg/m3. When the bankfull discharge capacity of the downstream river channel was greater than 4 500 m3/s， the Xiaolangdi Reservoir could discharge large-flow processes with sediment concentration less than 200 kg/m3. When the bankfull discharge capacity of the downstream river channel was less than 4 000 m3/s in the future， the Xiaolangdi Reservoir would still mainly trap sediment to reinvent the river channel. The calculation results of the mathematical model show that the adjustment of the operation mode of the reservoir can improve the sediment transport capacity of the downstream river， alleviate the sedimentation of the reservoir and the downstream river and maintain the river channel of median water with the bankfull discharge capacity of 4 000 m3/s for a longer period of time.

Key words： river channel scouring and silting; sediment transport; river channel of median water; Xiaolangdi Reservoir; Lower Yellow River

黄河是世界上著名的多泥沙河流，“水少沙多、水沙关系不协调”的自然属性导致黄河下游800多km的河道泥沙淤积严重，形成河床高于两岸地面的“地上悬河”。中游小浪底水库建成以前，1986—1999年下游河道年均淤积量2.3亿t，平滩流量减小到2 000 m3/s以下，河道泄洪能力降低造成同流量水位抬升，严重威胁黄河下游防洪安全。1999年10月小浪底水库蓄水运用以来，通过蓄水拦沙和调水调沙，实现了下游河道冲刷[1-3]，河道最小平滩流量由2002年汛前的1 800 m3/s增加至4 300 m3/s。相关研究表明，河道适宜的中水河槽规模为4 000 m3/s[4]。

为充分发挥水库综合利用效益，近年来针对小浪底水库运用方式开展了大量的研究。陈效国等[5]提出水库拦沙后期逐步抬高水位运用应与适时降低水位冲刷相结合。余欣等[6]提出小浪底水库拦沙后期利用大流量水流过程“多年调节泥沙，相机排沙出库”可基本避免下游大冲大淤的不利局面。齐璞等[7]提出小浪底水库在一般情况下不排沙，洪水涨水期集中排沙出库，以提高下游河道的输沙效率。李立刚等[8]提出小浪底水库在初期运行管理中采用了调控水位、异重流排沙、调水调沙、相机降低水位排沙、拦粗排细等综合调度运行方式，在减少水库和下游河道的泥沙淤积方面取得了显著效果。陈建国等[2，9]提出小浪底水库运用应由“拦沙减淤”向“调沙减淤”转变。各学者研究成果在小浪底水库拦沙后期运用方式上有基本的认识，即在一般情况下水库下泄清水，拦蓄易造成下游河道淤积的高含沙洪水，泄放有利于下游河道冲刷的清水或含沙量较低的水流过程。小浪底水库20 a的运用实践主要以蓄水拦沙和调水调沙为主，在这样的运用方式下，下游河道的输沙效率较低。

当前黄河下游河道适宜的中水河槽规模已经形成，河床发生粗化，河道冲刷效率降低，为水库调整运用方式来提高下游河道的输沙能力创造了有利条件。笔者基于以往研究成果，分析黄河下游河道边界条件变化，根据下游非漫滩洪水实测资料分析下游河道洪水冲淤特性和输沙特性，基于维持下游河道中水河槽的前提，提出有利于提高下游河道输沙能力的小浪底水库运用方式，并分析运用效果，以期为小浪底水库近期调度提供参考。

1 研究方法和数据

1.1 小浪底水库及其下游河道概况

小浪底水库位于黄河中游最后一个峡谷河段，坝址下距花园口站128 km。坝址以上流域面积69.4万km2，占黄河流域总面积的92.3%。工程开发任务以防洪（防凌）、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电。水库总库容126.5亿m 其中拦沙库容75.5亿m3。水库运用以来，为实现下游河道减淤，运用方式以蓄水拦沙和调水调沙为主，截至2019年4月水库累计淤积泥沙34.5亿m3。

黄河干流自小浪底大坝以下，经华北平原，于山东省东营市垦利区注入渤海，河长881 km。黄河下游水少沙多，小浪底水库运用前，黄河下游河床不断淤积抬高，成为淮河和海河流域的天然分水岭。小浪底水库运用后，下游河道实现全线冲刷，截至2019年4月河道累计冲刷泥沙30亿t，河床平均冲刷下切2.5 m。

1.2 研究方法

数学模型采用黄河勘测规划设计研究院有限公司研发的RSS河流数值模拟系统一维模型[10]，该模型经1999年小浪底水库运用以来水库冲淤资料、1960年以来下游河道冲淤演变资料进行了率定和验证，其计算值与实测值误差在10%以内，符合模型计算精度要求。

1.3 研究数据

采用1960—2016年进入黄河下游洪峰流量大于1 000 m3/s的非漫滩洪水共306场，分析下游河道洪水冲淤特性和输沙特性，洪水总历时2 468 d，其中高含沙非漫滩洪水（指进入下游的洪水过程最大日平均含沙量超过300 kg/m3的非漫滩洪水）14场，历时67 d。控制水文站水沙资料均来自水文站观测数据，由黄河水利委员会整编和刊印，引水、引沙资料来自黄河水利委员会有关部门整编资料。

2 小浪底水库运用方式调整的可行性

2.1 黄河下游河道边界条件变化情况

黄河下游河道平滩流量稳步增大，当前适宜的中水河槽基本形成。平滩流量是反映主槽过流能力的重要参数，也是维持河槽排洪输沙功能的关键技术指标。黄河下游平滩流量的增大对减小洪水漫滩及滩区小水受灾的概率发挥了重要作用。

下游河道河床粗化，河道冲刷效率降低。小浪底水库运用后，长期清水冲刷导致黄河下游河道床沙粗化，床沙中值粒径由0.05 mm左右增大至0.15 mm左右。汛期河道冲刷效率由2003年的20 kg/m3减小至1 kg/m3以下。

2.2 下游河道非漫滩洪水冲淤特性和输沙特性

影响河道输沙效率的因素有来水来沙条件、河床边界、泥沙颗粒组成等。其中，来水来沙条件是影响河道输沙的决定因素。将进入下游河道的水流按洪水平均含沙量、平均流量划分，根据洪水期间下游河道冲淤量和控制水文站水沙量资料，计算得到下游河道非漫滩洪水冲淤效率和輸沙效率（见表1），其中：冲淤效率按河段冲淤量与进入下游水量的比值计算得到，输沙效率按河段出口断面输沙量与进入下游水量的比值计算得到。分析可知，随着进入下游水流含沙量的增大，下游河道输沙效率增大，但冲刷效率降低（或淤积效率增大），含沙量在60 kg/m3以上的大流量洪水过程在下游河道具有较高的输沙效率，但也容易造成河道淤积。①进入下游的洪水含沙量小于20 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上时，下游河道冲刷效率高，但输沙效率不高，每立方米水量（以下简称“单方水”）最大仅能输送27.69 kg的泥沙;②进入下游的洪水含沙量为20～60 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上时，下游河道冲刷效率降低，但输沙效率依旧不高，单方水最大能输送40.98 kg的泥沙;③进入下游的洪水含沙量为60～100 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上时，下游河道由冲刷转为淤积，但淤积主要发生在高村以上河段，高村以下河段基本不淤，输沙效率提高，单方水可最大输送68.70 kg的泥沙;④进入下游的洪水含沙量为100～200 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上时，下游河道明显淤积，但高村以下河段微淤，输沙效率提高，单方水最大输沙量增加至90.00 kg;⑤进入下游的洪水含沙量在200 kg/m3以上、流量在2 500 m3/s以上时，全下游河道淤积严重，输沙效率进一步提高，单方水最大输沙量增加至97.40 kg。

2.3 小浪底水库运用方式调整方案

总结小浪底水库20 a来运用实践，为实现下游河道减淤，水库运用方式以蓄水拦沙和调水调沙为主，造成下游河道的输沙效率较低。据统计，小浪底水库出库的49场大流量洪水过程中有45场的平均含沙量小于20 kg/m 单方水输送的泥沙量仅25 kg左右。当前，黄河下游河道适宜的中水河槽规模已经形成，高村以上河段平滩流量甚至达到了6 500 m3/s，河床粗化，河道冲刷效率降低。下游河道边界条件的变化，为调整小浪底水库运用方式以提高下游河道输沙能力创造了有利条件。

通过上文分析可知，提高河道输沙能力需要小浪底水库泄放较大含沙量的水流过程，但高含沙水流过程容易造成下游河道泥沙淤积。基于此，为提高下游河道输沙能力，提出在维持4 000 m3/s左右的中水河槽前提下，小浪底水库运用应视下游河道中水河槽的冲淤响应，适时调整运用方式（简称“调整方案”）：①当下游河道中水河槽泄流能力维持在4 000 m3/s左右时，小浪底水库适时增加泄放含沙量不大于100 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量过程，该量级的洪水进入下游河道，会在中水河槽泄流能力较大的高村以上河段发生淤积，但不会对高村以下河段造成大的影响;②当下游河道中水河槽泄流能力扩大至4 500 m3/s以上时，下游河道允许一定程度的淤积，小浪底水库适时增加泄放含沙量不大于200 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量过程;③若未来下游河道中水河槽泄流能力缩减至4 000 m3/s以下时，小浪底水库运用仍以蓄水拦沙和调水调沙为主，以重塑河槽规模。

3 结果与分析

3.1 计算条件

黄河来水来沙量是水库和河道冲淤计算的基础条件。20世纪80年代中期以来，黄河来水来沙量显著减少。黄河水沙变化既受自然气候因素的影响，又与流域水利工程、水土保持生态建设工程和经济社会发展等人类活动密切相关。目前对未来黄河年输沙量的认识范围一般为3亿～8亿t[11]。本文设置黄河中游年来沙8亿t和3亿t两种情景，经小浪底水库调节，计算小浪底水库按现状运用方式（简称“现状方案”）和“调整方案”的水库及下游河道冲淤和输沙效果。年来沙8亿t情景相应的年来水量为272亿m 年来沙3亿t情景相应的年来水量为243亿m3。计算系列长度为50 a，水库和河道初始河床边界采用2018年实测地形。

3.2 水库运用方式调整效果

（1）小浪底水库冲淤变化。黄河年来沙8亿t情景，小浪底水库累计淤积量变化过程见图1。现状方案，小浪底水库预计2030年拦沙期结束。调整方案，小浪底水库增加了排沙机会，减缓了淤积，水库拦沙期延长5 a。黄河年来沙3亿t情景，小浪底水库累计淤积量变化过程见图2。现状方案，小浪底水库预计2050年拦沙期结束，调整方案水库拦沙期延长15 a。

（2）下游河道淤积和平滩流量变化。黄河年来沙8亿t情景，现状方案下，水库拦沙期内蓄水拦沙，清水（或含沙量较低的洪水过程）下泄使得下游河道冲刷幅度大于调整方案，但是水库拦沙期短，拦沙期结束后下游河道快速回淤，河道累计淤积量较大，50 a后累计淤积量比调整方案多12.5亿t，见图3。与河道冲淤相应，水库拦沙期内，现状方案下，下游河槽平滩流量较大，但维持在适宜中水河槽泄流能力4 000 m3/s左右的年份仅有7 a，50 a后平滩流量下降至2 000 m3/s。调整方案平滩流量维持在4 000 m3/s左右的年份较现状方案多11 a，50 a后平滩流量相对较大，为2 300 m3/s。

黄河年来沙3亿t情景，现状方案50 a后下游河道累计淤积2.16亿t，调整方案50 a后河道仍然处于冲刷状态，比现状方案少淤5.43亿t，见图4。现状方案因河槽冲刷量较大，平滩流量在4 500 m3/s以上的年份有30 a，维持在适宜中水河槽泄流能力4 000 m3/s左右的年份仅10 a。调整方案，计算期50 a内河槽平滩流量在4 000～4 500 m3/s范围内的年份为30 a。

（3）输沙入海量。黄河年来沙8亿t情景，现状方案小浪底水库拦沙期内利津站年均输沙入海量为3.82亿t，调整方案水库拦沙期内利津站年均输沙入海量为4.96亿t，比现状方案多1.14亿t;黄河年来沙3亿t情景，现状方案小浪底水库拦沙期内利津站年均输沙入海量为1.26亿t，调整方案水库拦沙期内利津站年均输沙入海量为1.78亿t，比现状方案多0.52亿t。

3.3 综合评价

总体来看，小浪底水库按本文提出的调整方案运用，当下游平滩流量维持在4 000 m3/s左右（或超过4 500 m3/s）时，水库降低水位，适时增加泄放含沙量不大于100 kg/m3（或不大于200 kg/m3）、流量在2 500 m3/s以上的水流过程，可提高下游河道输沙能力，同时减缓小浪底水库和下游河道淤積，且在更长的时间内维持下游河道泄流能力为4 000 m3/s左右的中水河槽，更有利于水库充分发挥综合利用效益。

4 结 语

（1）小浪底水库运用以来，通过蓄水拦沙和调水调沙，实现了下游河道全线冲刷，形成了下游河道泄流能力为4 000 m3/s左右的中水河槽。当前下游河道冲刷效率降低，小浪底水库运用应在长期维持该中水河槽的前提下，尽可能提高下游河道输沙能力输沙入海。

（2）进入下游水流含沙量的增大，有利于提高下游河道输沙效率，但也降低了河道的冲刷效率（或增大了河道的淤积效率）。当下游河道中水河槽泄流能力维持在4 000 m3/s左右时，小浪底水库可在现状调度基础上，适时增加泄放含沙量不大于100 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量过程，该量级的洪水进入下游河道，会在中水河槽规模较大的高村以上河段发生淤积，但对高村以下河段影响较小;当下游河道中水河槽泄流能力扩大至4 500 m3/s以上时，下游河道允许一定程度的淤积，小浪底水库可适时增加泄放含沙量不大于200 kg/m3、流量在2 500 m3/s以上的大流量过程;若未来下游河道中水河槽泄流能力缩减至4 000 m3/s以下时，小浪底水库调度仍以蓄水拦沙和调水调沙运用为主，以重塑河槽规模。

（3）小浪底水库调节泄放流量2 500 m3/s以上的水流过程容易实现，但如何根据入库水沙条件，通过水库运用尽可能增大出库含沙量，并使出库含沙量不超过100 kg/m3或者200 kg/m 还需要结合库区水流泥沙运动规律来进一步研究。

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