黄河干支流骨干枢纽群对水沙过程的调控效应

2022-11-25王远见

西北水电 2022年5期

王远见，王婷，王强

(1. 黄河水利委员会黄河水利科学研究院，郑州 450003;2. 水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，郑州 450003)

0 前言

水利工程的修建深刻改变了下游的水沙过程，具体表现在径流的年际间与年内时间分配以及泥沙总量与泥沙级配的时空分配。研究水库运用对河流径流、泥沙的调控效应，深刻解析水库运用对生态环境演化[1-2]、河床演变[3]以及水文情势变化[4-5]等影响对于流域健康发展具有重要意义。因此，为塑造协调的水沙关系，完善黄河水沙调控理论体系，须从不同维度揭示单个水库及其组合对河道水沙的调控机制。

目前，国内外针对不同流域水库对水沙过程的影响研究较多，例如密西西比河、印度河、尼罗河[6]、长江流域[7-9]以及黄河流域[10-13]，这些研究为水库优化调度以及水沙情势变化研究提供理论支撑。也有学者针对水沙过程对水库的影响方面展开研究，例如水库的水动力过程[14]、淤积形态[15]、下游河道水质[16]、流域碳循环[17]等。黄河流域因水少沙多，水沙关系不协调致使其水沙调控过程极为复杂[18-19]。从黄河流域骨干枢纽群的调度实践看，单个水库和水库群体之间，对水沙过程的调控效应既有共同点，也有不同点。本文以单个水利工程以及水利工程群组两个维度分析黄河干支流骨干枢纽群对水沙过程的调控效应，为黄河流域水沙调控提供技术支撑。

1 研究对象

本文选取黄河流域龙羊峡、刘家峡、三门峡以及小浪底水库作为典型水库进行分析。其中，龙羊峡水库[20]是一座具有多年调节性能的大型综合利用枢纽工程，水库设计蓄水位2 600.00 m，总库容247亿m3，调节库容194亿m3。小浪底水库[20]是黄河干流上的一座多功能一体的大型综合性水利工程，正常蓄水位275.00 m，库容126.5亿m3，淤沙库容75.5亿m3。刘家峡水库[13]是黄河上游开发规划中的第七个梯阶电站，兼有发电、防洪、灌溉、养殖、航运、旅游等功能，正常蓄水位1 735.00 m，库容57亿m3。三门峡水库[21]是黄河上的第一个大型水利枢纽工程，原设计正常蓄水位为360.00 m，总库容为647亿m3，目前采用“蓄清排浑”的方式运行。本文在研究单个水利工程的水沙调控效应时，主要以干支流关键水库(龙羊峡、小浪底)作为研究对象，在研究水利工程群组时，主要考虑关键水库和重要水库的工程群组组合，即上游水利工程群组(龙羊峡-刘家峡)和中游水利工程群组(三门峡-小浪底)作为研究对象。

2 单个水利工程调控效应

2.1 径流调控效应

2.1.1一般特性

对于多年调节水库龙羊峡而言，水库的调节作用使年际间径流变化更加均匀。图1为龙羊峡水库多年进出库水量对比。表1为龙羊峡水库修建前后多年水量的均值与标准差。龙羊峡水库修建前，出库贵德站的年均流量为219 m3/s，略高于唐乃亥站的212 m3/s，且两站径流量年际变化大，其标准差数据接近50 m3/s。1987年龙羊峡水库投入运用，尽管黄河进入了枯水期(唐乃亥站年均水量下降到187 m3/s)，但龙羊峡水库依然显示出了巨大的调节作用，使得年际间出库水量更加均匀，1987—2018年龙羊峡水库的水量年时间序列数据的标准差由入库的49 m3/s下降到出库站的37 m3/s。

图1 龙羊峡水库修建前后水量对比

表1 龙羊峡水库修建前后水量参数对比

图2为龙羊峡和小浪底水库年内逐月进出库流量过程。由图可知，龙羊峡水库在调节年际径流量的同时，也调节水量的年内分配。水库运用前，进出库过程极为接近，水库运用后，汛期流量削减、非汛期增加，年内变幅减小(见图2(a))。小浪底水库运用以来，多次在6—7月开展调水调沙，利用水库调节库容协调水沙关系，实现河道水库不淤或少淤的设想。其本质是采用小浪底水库塑造较大流量过程实现排沙入海，在短期内形成较大的人造洪峰，但年内其他时段流量过程更加均匀(见图2(b))。

图2 1986—2018年龙羊峡与小浪底水库运用后进出库流量过程

2.1.2各级流量的频率变化

龙羊峡上游分布有唐乃亥水文站，下游分布有贵德站，两站间无支流汇入汇出，因此水库修建前，可认为两站的流量过程近似相等，小浪底水库同样如此。图3分别统计了龙羊峡与小浪底水库进出站不同量级洪水出现频率。由图可知，龙羊峡与小浪底水库修建后分别削减了3 000 m3/s与6 000 m3/s的洪峰。龙羊峡的出库流量具体表现在小于1 000 m3/s的流量增加，大于1 000 m3/s的流量出现频率减小，龙羊峡的出库流量频率向低流量过程单极化发展，而小浪底水库出库流量具体表现在小于2 000 m3/s流量出现的频率增加，2 000～3 000 m3/s流量出现频率减小，4 000～5 000 m3/s流量出现频率增加，出库流量频率向两极化方向发展。

图3 龙羊峡和小浪底水库进出库各级流量出现频率

2.2 泥沙调控效应

2.2.1含沙量及级配变化

小浪底水库运用初期(2000—2006年)主要以蓄水拦沙运用为主，出库沙量急剧减少(见图4(a))，年均入库沙量为3.911亿t，出库为0.643亿t，多年平均排沙比为16.4%。尤其是水库运用前2 a，2000—2001年分别排沙0.042亿t和0.221亿t。2002年以后，汛前或汛期利用洪水开展调水调沙试验或生产运行，出库沙量有所增加。2004年除调水调沙外，汛期高含沙水流集中入库时还进行了浑水水库排沙，全年排沙1.487亿t。由于水库运用初期以蓄水拦沙为主，经过水库调节，粗沙几乎被全部拦截，只有粒径较细的中细沙才能被水流挟往下游，与入库泥沙相比，出库泥沙明显细化。拦沙初期入库泥沙中细沙、中沙、粗沙含量分别为44.6%、28.7%和26.7%，而出库分别为84.3%、10.3%和5.4%(见图4(b))，出库细沙含量明显大于入库，而出库中粗沙含量下降，发挥了水库“拦粗排细”作用。

图4 2000—2006年小浪底进出库沙量与进出库分组沙含量对比

小浪底水库进入拦沙后期第一阶段后(2007年以来)，前汛期遇上游来水较丰时，相机开展降低水位排沙运用，增加汛期排沙机会，水库排沙效果不断提高(见图5(a))。2007—2020年均入库沙量为2.446亿t，出库沙量为1.375亿t，多年平均排沙比为56.2%，但出库沙量仍明显少于入库。尽管水库排沙效果有所提高，但与拦沙初期相比，对泥沙级配调节幅度有所降低，“拦粗排细”的效果有所削弱。2007—2020年入库泥沙中细沙、中沙和粗沙含量分别为52.3%、21.4%和26.3%，出库泥沙中细沙、中沙和粗沙分别占56.1%、20.3%和23.7%，出库泥沙中细沙含量略高于入库，中沙和粗沙略低于入库(见图5(b))。

图5 2007—2020年小浪底进出库沙量与进出库分组沙含量对比

2.2.2沙量年内分配变化

以小浪底水库为例，坝前水位下降期发生在6月下旬至7月上旬的汛前调水调沙期，水库以降水位排沙为主。水库在主汛期以防洪排沙为主，蓄水期根据调度规程蓄水抬升水位直至坝前水位稳定在正常蓄水位。水库排沙主要集中在前两个阶段，图6(a)为小浪底水库运用以来逐月平均进出库沙量，泥沙入库出现在6月和整个汛期，而出库主要集中在7—8月。水库排沙主要集中在汛前调水调沙和汛期。水库运用以来汛前调水调沙和汛期年均出库沙量为0.153亿t和0.785亿t(见图6(b))。

图6 小浪底水库年内不同运用时段与逐月进出库沙量对比

3 水利工程群组调控效应

3.1 径流调控效应

图7为龙羊峡-刘家峡水库群进出站流量年际变化，表2为不同阶段进出库对应的流量参数。由图7可知，1968年龙-刘水库建库前，下游小川站年均来水量为333亿m3，远大于上游唐乃亥站的240亿m3。1968年刘家峡水库建库后蓄水，两站的年均来水量差值缩小。龙-刘水利工程群组的修建，使得下游小川站的年均来水量由333亿m3下降到了233亿m3，下降幅度为30%。此外，龙-刘水库群修建前、刘家峡水库修建后、及龙-刘水库群修建后小川站年均径流量时间序列标准差分别为66、61、46亿m3，相比于单一水库，水库群组使得下游河道年际间来水量更加均匀。

图7 龙羊峡-刘家峡水库群进出站水量变化

3.2 泥沙调控效应

本节以三门峡-小浪底水库群为例，阐述水库群组合对泥沙的调控效应。

3.2.1含沙量及级配变化

三门峡和小浪底水库对泥沙的联合调控具有特殊性。小浪底水库目前处于拦沙阶段，两库联合运用对上游来沙的调节仍以拦蓄为主。三门峡水库目前属于限制运用阶段，汛期会开展敞泄排沙。总体而言，两座水库联合应用，进一步增大了水库排沙比，但削弱了水库“拦粗排细”的级配调整功能。

表2 龙羊峡-刘家峡水库群运用前后进出库站流量统计参数

小浪底水库运用初期，主要以蓄水拦沙运用为主，出库沙量急剧减少，而三门峡水库采用蓄清排浑运用，潼关流量大于1 500 m3/s时敞泄运用，出库沙量增加，两级水库调节后仍以拦沙为主。2000—2006年潼关年均沙量3.780亿t，三门峡出库沙量为3.981亿t，小浪底出库沙量为0.632亿t(见图8(a))，三门峡水库平均排沙比为105.3%，小浪底水库为15.9%，三门峡、小浪底两库联合排沙比为16.7%。

小浪底水库进入拦沙后期第一阶段以来(2007年以来)，前汛期上游来水相对较丰，小浪底水库开展降低水位排沙运用较多，而洪水期三门峡水库敞泄运用，三门峡和小浪底水库排沙均明显增加(见图8(b))。2007—2020年潼关站沙量平均为1.791亿t，三门峡出库沙量为2.446亿t，小浪底出库沙量为1.375亿t。三门峡水库排沙比为136.6%，小浪底水库多年平均排沙比56.2%，三门峡、小浪底两库联合排沙比为76.8%。小浪底出库沙量仍明显少于入库，且小于潼关站沙量，仍继续拦沙。

图8 2000—2006年与2007—2020年潼关、三门峡和小浪底站沙量对比

小浪底水库运用以来，与三门峡水库联合运用拦蓄上游来沙，同时调节着泥沙组成。2011—2019年潼关、三门峡和小浪底站分组沙量及含量如图9所示。2011—2019年，潼关站年均沙量为1.713亿t，小浪底站沙量为1.488亿t，两库整体表现为淤积。从分组沙量来看，淤积全部为细沙，两库联合细沙排沙比为68.2%，中沙基本冲淤平衡，排沙比为100.1%，粗沙发生冲刷，排沙比为150.2%。各站泥沙组成也进行了调整，与潼关站相比，小浪底站细沙含量明显减小，中、粗沙含量有所增加。2011—2019年，三门峡和小浪底两库联合运用整体表现为拦蓄泥沙，并且拦蓄的全部为细沙，而中沙基本平衡，粗沙表现为少量冲刷。需要说明的是，2007年之后，洪水期三门峡、小浪底水库进行过多次联合排沙运用，三门峡库区冲刷剧烈，而冲刷主要发生在以中粗沙淤积为主的河槽，这也是造成出三门峡水库出库中粗沙增加的主要原因。

图9 2011—2020年潼关、三门峡和小浪底站年均沙量与分组沙含量对比

3.2.2沙量年内分配变化

图10和图11分别表示小浪底水库运用以来潼关、三门峡和小浪底站沙量年内分配和沙量比例分配结果。潼关站全年均发生泥沙输移，以汛期为主，而三门峡站基本集中在汛期，6月也有少量泥沙输移，小浪底站更为集中，主要在7—8月。经过两级水库调节，泥沙出库更为集中，或者说越处于下游的水库含沙量年内分配变化的程度越高，来沙集中与汛期大水期的特点越明显。