新时期黄河调水调沙思考与建议

高 兴，朱呈浩，刘俊秀，陈翠霞

（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003）

1 引 言

“水少沙多，水沙关系不协调”是黄河复杂难治的症结所在，解决这一问题的有效途径是“增水、减沙、调控水沙”［1］。多年治黄经验表明，通过水库工程调控天然水沙过程，塑造协调的水沙关系，是调控水沙行之有效的措施［2－4］。纵观调水调沙的发展历程，早在20世纪70年代，钱宁等［5］就提出在多沙河流的治理上，可以考虑利用上游水库合理调节水沙过程，使下游河道朝有利方向发展的设想。1999年小浪底水利枢纽建成投运后，为调水调沙由理论转化为实践提供了工程基础条件［6］。经过精心准备，黄河水利委员会于2002—2004年开展了原型试验，成功检验了调水调沙在黄河治理上的可行性［6－8］。发展至今，调水调沙已经具备了相对完善的理论基础和指标体系，在协调黄河水沙关系、减轻水库及下游河道淤积等方面发挥了显著的作用［9］。

调水调沙是新中国成立以来黄河保护治理中里程碑式的成就，为人民治黄事业做出了突出贡献。当前，黄河水沙情势剧变［10－11］，潼关站2000—2020年年均径流量和输沙量相较1919—1959年分别减少39%和85%；水库及河道边界条件大幅调整［12－14］，小浪底水库累计淤积32亿m3，下游河道平滩流量由调水调沙初期的1 800 m3／s增大至4 600 m3／s。面对新的水沙情势以及水库河道边界条件，调水调沙如何持续高效发挥防洪减淤等综合效益，是当今社会高度关注的问题［15－16］。2019年9月18日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上指出“小浪底水库调水调沙后续动力不足，水沙调控体系的整体合力无法充分发挥”“要保障黄河长久安澜，必须紧紧抓住水沙关系调节这个‘牛鼻子’。要完善水沙调控机制，解决九龙治水、分头管理问题，实施河道和滩区综合提升治理工程，减缓黄河下游淤积，确保黄河沿岸安全”。为贯彻落实习近平总书记讲话精神，推动重大治黄战略发展进程，有必要开展新时期调水调沙优化措施、创新机制的深入研究［17］。本文系统梳理黄河调水调沙实施以来的开展情况和运行效果，指出当前调水调沙面临的问题和挑战，思考现状调水调沙优化的改进措施，提出未来进一步完善调水调沙的建议，以期为新时期调水调沙的开展提供参考。

2 调水调沙基本情况

2.1 调水调沙内涵

针对黄河水少沙多、水沙关系不协调的特性，黄河调水调沙以防洪安全为前提，以塑造协调水沙关系为指导，以中下游水库群水沙调控体系为基础，以水库河道联合调度和水库泥沙多年调节技术为支撑，通过干支流水库群联合调度，把不同来源区、不同量级、不同泥沙颗粒级配的不协调的水沙关系塑造成协调的水沙过程，实现小浪底水库和下游河道减淤，维持下游河道中水河槽行洪输沙能力，最大限度地兼顾供水安全和发电效益，持续改善河口生态环境，发挥洪水资源综合效益。

2.2 调水调沙开展情况

根据黄河干支流水沙条件、水库蓄水情况和工程调度原则，黄河水利委员会于2002—2004年进行了3次调水调沙原型试验，总结提出了基于小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接以及干流水库群联合调度3种调水调沙运用模式。2005年转入生产运行后，至2015年又进行了16次调水调沙生产运行。2018年以来，结合黄河流域来水偏丰的有利条件，至2020年连续3年开展了“一高一低”水沙调度实践。自实施以来，黄河调水调沙共涉及黄河中游干流万家寨、三门峡、小浪底水库，支流陆浑、故县、河口村等水库以及上游的龙羊峡、刘家峡等水库。

2.3 调水调沙运行效果

经多年研究与实践，黄河调水调沙在冲刷下游河道、塑造并维持中水河槽过流能力、提高水库排沙效率和改善河口生态等多个方面取得了显著成效。具体表现如下：①调水调沙冲刷效率高。19次调水调沙期间，进入下游河道的水量为716.5亿m3，沙量为5.92亿t，下游河道冲刷4.29亿t，单位水量冲刷效率为5.99 kg／m3，是同期其他时段的3.4倍。②调水调沙塑槽作用大。通过干支流水库群拦沙和调水调沙运用，黄河下游主槽冲刷降低2.6 m，河槽最小平滩流量由2002年汛前的1 800 m3／s恢复到2021年汛前的4 600 m3／s，其中调水调沙对各断面中水河槽扩大的贡献率达60%。③调水调沙排沙能力强。调水调沙和“一高一低”调度期间，小浪底水库入库沙量21.55亿t，出库沙量19.55亿t，排沙比为91%，而同期其他时段水库排沙比不足11%。④调水调沙生态效益好。自2008年汛前调水调沙实施生态补水以来，汛前调水调沙年均向河口三角洲生态补水1 853万m3，湿地水面面积平均增加3 058 hm2，并于2010年以来实现了刁口河流路全线过水。

3 当前调水调沙存在的问题

完整的调水调沙过程大致可分为前期和后期两个阶段，前期清水下泄冲刷下游河道，后期水库集中排沙，减轻库区泥沙淤积。调水调沙运行至今，在冲刷下游河道和减轻水库淤积两方面取得了显著成效，但存在的两个明显短板是制约其未来效益持续发挥的主要问题：①调水调沙前期清水下泄冲刷下游河道，但下游河道冲刷效率已大幅下降；②调水调沙后期水库集中排沙减轻库区淤积，但后续水流排沙输沙动力严重不足。

3.1 下游河道冲刷效率大幅下降

自小浪底水库1999年10月投运以来，黄河下游河道发生持续冲刷，至2020年10月累计冲刷量达到29.88亿t（汊3以上河段），1999年10月—2020年10月历年冲淤量变化如图1所示。与1999—2010年相比，2010—2020年年均冲刷量由1.82亿t减少为0.98亿t，减少幅度46%。受持续冲刷影响，下游沿程各断面床沙平均中值粒径变化明显（见图 2）。与1999年汛前相比，2021年汛前黄河下游河槽床沙发生粗化，其中花园口以上、艾山—利津河段最为明显，两河段床沙平均中值粒径由0.048 mm和0.038 mm增大至0.184 mm和0.080 mm，增大幅度283%和111%。受河床粗化影响，调水调沙前期清水下泄期间利津站冲刷恢复的含沙量由2004年的16 kg／m3降至2021年的8 kg／m3左右，单位水量的冲刷效率降低50%。

图1 1999年10月—2020年10月黄河下游历年冲淤量变化

图2 黄河下游沿程各断面床沙平均中值粒径

3.2 调水调沙后续动力严重不足

小浪底水库调水调沙后续动力不足是制约调水调沙功效发挥的突出问题［18］，主要表现在以下两个方面。

一是小浪底水库排沙期入库流量越大排沙效果越好，但天然洪水和中游水库无法提供充足水流动力冲刷库区。调水调沙期间小浪底水库入库流量过程由天然河道来水和中游水库泄水组成，入库流量越大、历时越长，则库区泥沙冲刷效果越好，水库排沙比越大。潼关水文站实测数据表明，2000年以来汛期流量大于2 600 m3／s的天数和连续4 d流量大于2 600 m3／s的天数大幅减少，年均天数仅为7.4 d和6.2 d，相较1986年以前分别减少81.0%和76.5%，导致小浪底水库降低水位后依靠天然洪水冲刷的机遇非常少见。因此现阶段调水调沙主要依靠中游万家寨和三门峡水库汛限水位以上蓄水量泄放大流量过程冲刷小浪底库区，但万家寨、三门峡等中游已建水库调节库容较小，可提供的水流动力条件非常有限，例如三门峡水库非汛期最高蓄水位318 m至汛限水位305 m之间仅有5.41亿m3库容，若要塑造4 000 m3／s的大流量过程仅能维持1 d左右，无法为冲刷小浪底库区提供充足的后续水流动力。

二是小浪底水库集中排沙后大流量过程难以持续，水流输沙能力不能充分发挥。调水调沙前期水库蓄水较多，排沙较少，水流动力充足，但主要为清水下泄冲刷下游河道；后期在库水位降至下限运用水位的过程中，水库蓄水量减少，出库沙量增加并逐渐达到峰值，此时小浪底水库集中排沙，但后续水流动力已所剩无几。造成该现象的原因是现状调水调沙期间为了取得较好的排沙效果，一般需要将小浪底水库水位降至淤积三角洲顶点以下，但此时水库蓄水量一般只有2亿～3亿m3，无法为下游河道输沙入海继续提供充足的水流动力，从而导致水库排出的泥沙大部分淤积在下游河道。根据实测资料统计，2010—2020年调水调沙期间小浪底水库排沙期下游河道淤积比（淤积量与来沙量的比值）均在50%以上，淤积主要集中在花园口以上河段，见表1。

表1 2010—2020年小浪底水库排沙期下游河道淤积情况

4 现状调水调沙优化的思考

4.1 小浪底水库多排沙提供沙源

针对下游河道冲刷效率下降，继续利用大流量清水过程塑造更大规模的河槽收益甚微的局面，需要小浪底水库多排沙提供下游河道冲刷的沙源。多排的泥沙既能减轻水库淤积，也能有效提高调水调沙前期和非汛期清水下泄的输沙能力。小浪底水库运用至今，累计淤积量达32亿m3（截至2020年10月），剩余拦沙库容43.5亿m3，已经进入拦沙后期第一阶段。三门峡水库的历史经验表明，水库运用不能一味拦沙，也不能一味排沙，应当将水库和河道视作一个整体，充分协调水库排沙和下游河道冲刷之间的关系。如果说调水调沙开展之初的重心是冲刷恢复下游河槽平滩流量，那么在如今下游河槽最小平滩流量达4 600 m3／s的情况下，已经可以将重心转变为减轻水库淤积，充分利用现行河槽的行洪输沙能力输沙入海。除此之外，花园口以上宽滩河段的滞沙能力也为泥沙多年调节提供了基础，调水调沙期间小浪底水库多排的泥沙暂存在该河段，非汛期和次年调水调沙前期清水下泄期间可以将这部分泥沙输送入海，间接发挥水流的输沙能力。实测数据表明，2018—2020年汛期“一高一低”调度期间，小浪底水库累计排沙13.5亿t，下游河道淤积4.6亿t，花园口以上河段淤 积4.1亿t，但2018年4月—2021年4月断面法测量结果显示，全下游河道仅淤积0.38亿t，其中花园口以上淤积1.03亿t，花园口以下冲刷0.65亿t，说明大部分淤积在花园口以上的泥沙能够在泥沙多年调节中输沙入海，且不影响山东窄河段的过流能力。小浪底水库是黄河中下游唯一能取得较大拦沙库容和防洪库容的关键控制性工程，对于保障黄河下游长治久安和黄淮海平原生态安全具有不可替代的作用，当前小浪底水库进入拦沙后期，拦沙库容弥足珍贵，在黄河水沙调控体系建成之前，有必要研究利用现状河槽的行洪输沙能力，借助有利的水沙条件或人工塑造大流量过程冲刷小浪底库区，减轻水库淤积，延长小浪底水库拦沙库容使用寿命。

4.2 干流水库群补充后续动力

在天然洪水大幅减少的前提下，需要充分挖掘现状工程潜力，为小浪底水库调水调沙补充后续动力。在此提出两个基于现状工程优化运用的建议。

一是继续利用万家寨、三门峡水库正常蓄水位以下蓄水量补充动力。三门峡水库非汛期最高运用水位318 m以下有5.77亿m3库容，加之万家寨水库正常蓄水位977 m以下有4.77亿m3库容，两水库泄空不仅可以为调水调沙提供10.5亿m3左右的水量，而且可以保持中游水库群排沙的协同性，塑造泥沙输移的最优通道。2021年汛前调水调沙期间，潼关站来水量较多年均值偏少，较2018—2020年同期偏少更多，但是通过优化现状工程调度，万家寨、三门峡水库7月上旬短暂突破汛限水位，待小浪底水库降至下限运用水位后，三门峡水库泄空，万家寨水库泄至960 m水位，为调水调沙补充后续动力，取得了小浪底水库排沙出库0.64亿t、三门峡水库排沙出库0.27亿t的成绩，有效减轻了水库淤积。

二是充分利用上游水库的调节能力补充动力。当前黄河水沙调控体系已建骨干工程有龙羊峡、刘家峡、三门峡和小浪底水库。上游龙羊峡、刘家峡水库联合调度，对黄河水量进行多年调节，如果能在不影响其调节任务的前提下，汛前泄放一定的蓄水量，为黄河干流提供较大的基流过程，即可为中下游水库排沙和河道输沙提供一定的水流动力。假设该基流过程为历时5 d左右的1 000 m3／s流量过程，再加上万家寨、三门峡水库提供的动力，即使不考虑中游天然来水，总体上也可为小浪底水库调水调沙补充近15亿m3的后续水量，即连续4 d的4 000 m3／s流量过程，这个动力条件对于水库排沙和下游河道输沙来说都是非常可观的。2018—2020年“一高一低”调度期间，来水偏丰，龙刘水库维持了一定历时的大流量过程，为中下游水库低水位排沙和下游河道输沙提供了良好的基流条件，3 a调度运用使小浪底水库排沙13.5亿t，输沙入海达8.0亿t。

5 完善调水调沙的建议

对现状调水调沙进行优化虽然可以在一定程度上维持调水调沙在当前和未来一段时期内的综合效益，但从长远看，未来黄河水沙情势变化规律尚不清晰，极端来沙情景依然存在，下游“悬河”威胁仍未解除。从“保障黄河长久安澜，推动黄河流域生态保护和高质量发展”的站位出发，仍然需要加快推动骨干工程建设，完善水沙调控体系，同时积极创新调水调沙运用模式，从根本上解决黄河保护治理的问题。

5.1 加快推动骨干工程建设

古贤水利枢纽是黄河水沙调控体系七大骨干工程之一，控制了黄河80%的水量、60%的泥沙和80%的粗泥沙，且距小浪底水库较近，在拦沙并与小浪底水库联合调水调沙、协调黄河水沙关系方面有着独特的地理优势，在黄河水沙调控体系中具有承上启下的战略地位。古贤水库工程开发任务以防洪减淤为主，兼顾供水、灌溉和发电等综合利用。水库正常高水位627 m，死水位588 m，总库容129.42亿m3，其中防洪库容12亿m3、调水调沙库容20亿m3、拦沙库容93.42亿m3。工程建成后，可长期为小浪底水库调水调沙补充后续动力，实现“1＋1＞2”的联合调控效果，长久发挥协调水沙关系、减少下游河道淤积的作用。2000年国家启动古贤水库新一轮的项目建议书编制以来，全面攻克了水文泥沙、工程规模、工程地质、坝型比选、移民安置等重大技术难题，项目可研报告通过水利部审查。当前，应全力推进项目可研通过国家发改委评审和生态环境部评审，尽快开工建设。

5.2 积极创新调水调沙运用模式

调水调沙的调控指标包括流量、历时、含沙量等，其中调控流量为2 600～4 500 m3／s，调控历时为不小于5～6 d，调控含沙量为控制下游河道不淤积。相较于调水调沙运用初期，水库及河道边界条件均已发生剧烈调整，但调水调沙各项调控指标却无太大变化。需要意识到的是，河道边界条件是冲积性河段冲淤响应规律的重要影响因素，因此以一成不变的调控指标应对动态变化的边界条件，本身就是不够科学的方式。在未来调水调沙实践运用中，应强化分析不同流量级水沙演进过程，深化研究水库河道冲淤演变规律，积极创新调水调沙运用模式，根据来水来沙条件及水库河道边界条件变化，动态优化调控指标及调控策略，充分发挥新时期调水调沙综合效益。

6 结 论

（1）系统梳理了调水调沙开展以来的基本情况。基于3次调水调沙原型试验、16次调水调沙生产实践以及3 a“一高一低”调度实践，详述了调水调沙在减轻水库及下游河道淤积、塑造下游河槽过流能力、改善河口生态等方面的成效。

（2）指出当前调水调沙存在的两个突出问题。一是下游河道冲刷效率降低，调水调沙前期清水下泄期间单位水量的冲刷效率大幅下降。二是小浪底水库调水调沙后续动力不足，一方面水库集中排沙时入库水流动力不足，不能有效冲刷库区；另一方面水库集中排沙后水流输沙动力不足，泥沙大量淤积在下游河道。

（3）针对调水调沙存在的问题思考现状调水调沙优化的改进措施。通过小浪底水库多排沙可为下游河道提供沙源，提高非汛期以及调水调沙清水下泄期的单位水量冲刷效率。通过挖掘干流水库群潜力可为小浪底水库调水调沙补充后续动力，上游龙刘水库泄放基流和中游万家寨、三门峡水库泄空不仅能提供近15亿m3的水量，还可塑造泥沙输移的最优通道。

（4）提出未来进一步完善调水调沙的建议。从长远来看，为了保障黄河长久安澜，推动重大国家战略实施，需要加快推动骨干工程建设，完善水沙调控体系，同时积极创新调水调沙运用模式，动态优化调控指标，从根本上解决黄河泥沙治理的难题。