小浪底水库拦沙期应急保滩能力研究

李荣容，蔺 冬，赵 翔

(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

小浪底水库位于黄河中游最后一个峡谷河段,是解决黄河下游防洪减淤等问题不可替代的关键工程,与干支流三门峡、陆浑、故县、河口村水库联合运用,共同承担黄河下游防洪任务。小浪底水库设计拦沙库容75.5 亿m3,防洪库容40.5 亿m3,其中保滩库容7.9 亿m3,保滩流量8 000 m3/s。截至2022 年汛前,小浪底水库已累计防御洪水10 余次,开展调水调沙21 a,库区淤积泥沙33.92 亿m3,占水库设计拦沙库容的44.9%,水库运用处于拦沙后期第一阶段。黄河下游主槽累计冲刷23.51 亿m3,花园口—夹河滩河段平滩流量7 300 m3/s,夹河滩—高村河段7 300～6 600 m3/s,高村—利津绝大部分河段在4 600 m3/s 以上。以小浪底为核心的中游干支流水库联合运用,使黄河下游主槽过流能力得到恢复,防洪能力显著提升。

但是,在近几年实时洪水调度中,下游滩区防洪保安问题依然突出。下游广阔滩区既是行洪、滞洪、沉沙的重要区域,也是滩区广大群众的生存家园,河南、山东滩区居民迁建规划实施后,仍有近百万人生活在洪水威胁中,涉及河南、山东两省47 个县(市、区),总面积4 320.87 km2,耕地29.8 万hm2。黄河下游河道现状最小平滩流量仅是小浪底水库设计保滩流量的一半左右,花园口站8 000 m3/s 洪水时下游大部分滩区将受淹。习近平总书记指出要“实施河道和滩区综合提升治理工程”,解决防洪运用和经济发展矛盾长期存在的问题［1-4］。利用小浪底水库较大的剩余拦沙库容,在保持水库长期有效库容、保证水库及下游大洪水防洪安全条件下,突破水库原设计调度运用方式,挖掘其防洪保滩潜力十分必要。本文结合黄河下游河道过流能力和滩区防洪需求,分析计算黄河中游分期分级洪水保滩库容,提出小浪底水库应急保滩运用方式并分析其保滩能力,以期为实时洪水调度提供参考。

2 中游洪水分期特点及近期变化

黄河中游暴雨洪水多发生在7—10 月,其中7—8月为前汛期,9—10 月为后汛期。洪水主要来自河口镇至龙门区间、龙门至三门峡区间(简称龙三间)和三门峡至花园口区间(简称三花间),其中三门峡以上的“上大洪水”洪峰高、洪量大、含沙量高,如1933 年洪水；三花间的“下大洪水”洪峰高、涨势猛、预见期短,如1954 年、1958 年和1982 年洪水。后汛期洪水相对前汛期而言,洪峰低、洪量小、含沙量低,如1964 年、1975 年洪水,但峰低量大的洪水也占有相当的比例,如2021 年秋汛洪水。洪峰流量为4 000～10 000 m3/s的中小洪水发生频次高、漫滩影响大,三门峡以上洪水还可能挟带大量泥沙,造成水库或下游淤积,成为现阶段黄河中下游洪水调度的难点。

统计分析潼关、花园口站不同时期各级洪水发生频次,由表1 可见,1950—2021 年潼关、花园口站6 000 m3/s 以下洪水发生频次相对较高,6 000 m3/s 以上的洪水频次相对较低,10 000 m3/s 以上的洪水发生频次更低,尤其在1990 年以后；20 世纪90 年代洪水发生频次均明显减少,2000 年以后减少得更多。

表1 潼关、花园口站不同时期各级洪水发生频次 次/a

统计分析潼关、花园口站不同时期洪峰发生时间和次数,由表2 可见,潼关、花园口站洪水发生时间一般为5 月末到10 月末,20 世纪90 年代的洪水发生时间集中在7 月、8 月,2000 年以后洪水的最早发生时间推迟。从不同时期各月洪水场次分布情况看,1954—1969 年、1970—1989 年各月洪水场次分布变化不大,20 世纪90 年代9 月、10 月的洪水发生次数明显少,2000 年以来7 月、8 月的洪水次数有所减少,9 月、10月洪水次数增加且洪水发生时间较晚。

表2 潼关、花园口站不同时期各月洪峰时间和洪水次数

3 分期分级洪水保滩库容需求分析

3.1 保滩控制流量分析

对于黄河下游中水河槽的规模,相关单位进行了大量的研究,结果表明:小浪底水库拦沙后期,在正常的来水来沙条件下,黄河下游适宜的中水河槽规模为4 000 m3/s 左右［5］。小浪底水库于1999 年汛后下闸蓄水,经历了长期清水冲刷和历次调水调沙,黄河下游河道主槽的平滩流量得到一定程度的恢复,但是大流量过程冲刷强度的大幅度降低,使得平滩流量的增幅明显放缓［6］,近几年黄河下游河道的最小平滩流量基本维持在4 500 m3/s 左右。2020 年通过黄河防御大洪水实战演练,小浪底水库最大下泄流量5 500 m3/s,下游主河槽过流能力提升至5 000 m3/s。2021 年黄河秋汛洪水期间,艾山站最大过流量达到5 300 m3/s。根据2022 年汛前河道地形分析,目前黄河下游平滩流量较小的河段主要有2 个,一个是孙口上下河段,另一个是利津附近河段。孙口上下河段的平滩流量较小断面包括陈楼断面、梁集断面、路那里断面和王坡断面,其平滩流量为4 700 m3/s；利津附近河段的平滩流量较小断面包括麻湾断面和綦家断面,其平滩流量为4 600 m3/s。考虑黄河下游滩区生产堤的挡水作用(偎水高度0.5 m),短时段内高村至艾山卡口河段的应急过洪能力为5 200 m3/s。

黄河下游滩区洪水淹没风险分析结果表明［7］:花园口4 000～6 000 m3/s 量级洪水下游滩区淹没损失较小；量级从6 000 m3/s 提高到22 000 m3/s,淹没地物及财产损失急剧增加,其中:6 000 m3/s 洪水滩区淹没面积643 km2、淹没耕地3.84 万hm2、影响人口3.84万人,8 000 m3/s 量级洪水滩区淹没面积1 745 km2、淹没耕地10.53 万hm2、影响人口38.7 万人。

综合黄河下游现状河道条件、中水河槽可维持规模,以及不同量级洪水滩区淹没损失情况,认为保滩控制流量适宜取值为4 000～6 000 m3/s,本文拟定4 500、5 000 m3/s 两个保滩控制流量指标,进行保滩库容需求分析。

3.2 保滩库容需求分析

根据黄河水利委员会印发的《2022 年黄河中下游洪水调度方案》［8］设计洪水成果(详见表3),前汛期选取1933 年、1954 年、1958 年、1982 年典型洪水,后汛期选择1964 年、1975 年、2021 年典型洪水,推算5～20 a 一遇设计洪水过程线。通过中游水库联合调度,分析不同分期、不同量级洪水保滩库容需求,其中三门峡水库敞泄运用、支流水库按设计方式运用、小浪底水库按凑泄花园口保滩控制流量运用,统计小浪底水库蓄洪量,即为保滩库容需求量,结果见表4。可见,保滩控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水前汛期需要小浪底水库提供库容25.2 亿～73.9 亿m3,后汛期需要7.2 亿～52.3 亿m3；保滩控制流量5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水前汛期需要小浪底水库提供库容20.2 亿～62.0 亿m3,后汛期需要3.3 亿～40.7亿m3。

表3 黄河中游三门峡、花园口站及三花间设计洪水成果

表4 不同分期、不同量级洪水保滩库容需求量

4 应急保滩运用方式

根据《黄河洪水调度方案》(国汛〔2015〕19 号),三门峡、小浪底(西霞院水库配合)、陆浑、故县、河口村等水库联合调度,承担黄河下游防洪任务。预报花园口站洪峰流量为4 000～8 000 m3/s 时,三门峡水库原则上按敞泄运用；支流水库按本流域防洪运用,伊洛河陆浑、故县水库允许最大下泄流量不超1 000 m3/s,沁河河口村水库控制武陟站流量不超过4 000 m3/s；小浪底水库原则上依据初步设计按进出库平衡方式运用,视来水来沙及后期天气情况,适时按控制花园口站流量为4 000 m3/s 或主河槽过洪能力相应流量(大于4 000 m3/s 时)方式运用。小浪底水库设计汛限水位为254 m,为不影响水库长期有效库容,最高控制运用水位原则上不应超过此水位。

小浪底水库拦沙期随着水库拦沙量的增加,库容逐步减小。拦沙后期防洪运用主要分为3 个阶段:第一阶段为水库淤积量达到42 亿m3之前,第二阶段为水库淤积量为42 亿～60 亿m3的时期,第三阶段为水库淤积量为60 亿～75.5 亿m3的时期。目前水库处于拦沙后期第一阶段,仍有相当大的拦沙库容。基于此,为减少下游滩区淹没损失,考虑在不影响水库大坝安全、不影响大洪水防洪、尽量不影响水库长期有效库容的前提下,利用小浪底水库当前较大的拦沙库容联合三门峡、陆浑、故县、河口村水库对洪水进行适当调控,尽可能保障下游不漫滩或推迟洪水上滩时间［9-11］。在《黄河洪水调度方案》所定原则下,拟定各水库应急保滩运用方式如下。

(1)三门峡水库:原则上按敞泄运用。

(2)小浪底水库:预报花园口站不超过保滩控制流量,原则上按保滩流量控制运用；否则,适时减小出库流量,直至按300 m3/s(1 台机组发电流量)下泄。

(3)陆浑水库、故县水库:库水位在库区居民紧急转移水位(陆浑水库319.5 m,故县水库535.84 m)以下时,视小花间来水情况适时压减出库流量,否则,按控制下泄流量不超1 000 m3/s 运用。

(4)河口村水库:库水位在254.5 m 以下时,视小花间来水情况适时压减出库流量；否则,按控制武陟站流量不超4 000 m3/s 运用。

5 小浪底水库保滩能力分析

根据上文拟定的应急保滩运用方式,进行水库群联合调节计算,各水库按汛限水位起调,其中小浪底水库前汛期起调水位235 m、后汛期起调水位248 m,调洪计算结果见表5。

表5 不同分期、不同量级洪水小浪底水库蓄水及下游洪水情况

5.1 前汛期“上大洪水”水库保滩能力分析

前汛期“上大洪水”主要来源于三门峡以上,设计洪水历时45 d,为多峰型洪水。由表5 可见,保滩控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水,通过小浪底水库拦蓄可将孙口站流量控制在4 590 m3/s 以下,小浪底水库水位为253.08～273.09 m,水库淤积量9.06亿～17.68 亿m3；10 a、20 a 一遇洪水小浪底水库保滩运用水位超过水库设计汛限水位254 m 较多,占用大洪水防洪库容,且水库淤积量较大,占水库拦沙库容的12.0%～23.4%,可能影响水库长期有效库容。保滩控制流量5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水孙口站流量为5 040 m3/s 左右,小浪底水库水位为249.60～269.52 m,水库淤积量8.91 亿～17.34 亿m3,淤积量较大,20 a一遇洪水库区淤积量相当于陆浑水库和河口村水库的总库容。总体来看,在不占用小浪底水库设计汛限水位以上大洪水防洪库容前提下,小浪底水库现状前汛期汛限水位235 m 至设计汛限水位254 m 之间库容32 亿m3,可保证5 a 一遇“上大洪水”下游不漫滩,推迟10 a 一遇及其以上洪水漫滩时间,为滩区人员紧急转移争取时间；在洪水判型准确情况下,可保证20 a一遇“上大洪水”下游不漫滩,水库相应最高蓄水位269.52 m。

考虑到“上大洪水”可能挟带大量泥沙,实时调度过程中应严密监视来水来沙及后期天气情况,根据河道来水情况,尽可能通过预泄将小浪底水库水位降至215 m 或者更低,利用入库大流量冲刷小浪底库区,形成异重流排沙,甚至明流冲刷库区,进一步提高小浪底水库排沙量,减轻应急调度蓄洪期间水库淤积［12-13］。

5.2 前汛期“下大洪水”水库保滩能力分析

前汛期“下大洪水”主要来源于三花间,设计洪水历时12 d,为单峰型洪水。由表5 可见,中游水库按照应急保滩方式运用,保滩控制流量4 500 m3/s 方案和5 000 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水孙口站流量5 200～8 240 m3/s,均不能避免下游滩区上水,小浪底水库水位248.62～263.26 m。小花间无控制区来水量较大,5～20 a 一遇洪水洪峰流量2 990～6 910 m3/s,“下大洪水”难以保证下游滩区洪水不漫滩。

“下大洪水”通过适时压减支流水库下泄流量,可以削减部分漫滩流量。但支流水库库容较小,陆浑、故县水库防洪水位以下还有大量居住人口,压减下泄流量将占用大洪水防洪库容,调度中需要权衡库区淹没和滩区淹没影响；另外,支流水库距离花园口较远,陆浑、故县、河口村水库至花园口洪水传播时间分别为24～34 h、26～40 h、14～19 h,水库以下仍有1.4 万km2暴雨无控制区,占小花间面积的51%,目前花园口站参考预报预见期14～18 h,正式预报预见期仅8～10 h,实时调度中支流水库转入应急保滩的时机难以精准把控,利用有限的库容有效削减漫滩流量,需要提升小花间洪水预报预见期及预报精度。

5.3 后汛期洪水水库保滩能力分析

后汛期大洪水多由华西秋雨形成,常为多峰型洪水,洪峰流量一般不大、含沙量较低,但是洪水持续时间长、总水量较大。由表5 可见,保滩控制流量4 500 m3/s 方案,5～20 a 一遇洪水,通过小浪底水库拦蓄可将孙口站流量控制在4 500 m3/s 左右,小浪底水库水位为251.93～272.14 m；20 a 一遇洪水小浪底水库保滩运用后最高水位达到272.14 m,设计水位274 m 以下防洪库容仅剩4.87 亿m3。保滩控制流量5 000 m3/s方案,5～20 a 一遇洪水孙口站流量为5 080 m3/s 左右,小浪底水库水位为249.85～267.51 m。总体来看,在保障后汛期大洪水防洪所需库容前提下,小浪底水库现状后汛期汛限水位248 m 以上可用于保滩的库容约为23 亿m3,可保证后汛期10 a 一遇洪水下游不漫滩,推迟10 a 一遇以上洪水漫滩时间；在洪水判型准确情况下,可保证后汛期20 a 一遇洪水下游不漫滩。

6 结论

(1)当前,小浪底水库处于拦沙后期第一阶段,剩余拦沙库容约为41 亿m3,利用小浪底水库较大的调洪库容兼顾下游滩区防洪,对保障广大滩区群众生活生产安全意义重大。综合考虑黄河下游现状河道条件、中水河槽适宜规模,以及不同量级洪水滩区淹没损失情况,认为保滩控制流量宜在4 000～6 000 m3/s 之间取值。经过2020 年防御大洪水实战演练、2021 年黄河秋汛洪水后,现状下游河道应急保滩控制流量可取5 000 m3/s。

(2)前汛期按5 000 m3/s 保滩流量运用,5～20 a一遇“上大洪水”需要保滩库容23.0 亿～62.0 亿m3。小浪底水库235～254 m 之间库容可保证5 a 一遇“上大洪水”下游不漫滩；在洪水判型准确情况下,可保证20 a 一遇“上大洪水”下游不漫滩。“下大洪水”因小花间无控制区来水量较大,故难以保证下游滩区洪水不漫滩。

(3)后汛期按5 000 m3/s 保滩流量运用,5～20 a一遇洪水需要保滩库容3.3 亿～40.7 亿m3。扣除后汛期大洪水防洪所需库容,小浪底水库248 m 以上库容可保证10 a 一遇洪水下游不漫滩,在洪水判型准确情况下,可保证20 a 一遇洪水下游不漫滩。

(4)小浪底水库现状215～235 m、235～248 m 之间库容分别为13.33 亿、18.91 亿m3,在有条件的情况下,水库可结合预报提前预泄,腾出较大防洪保滩库容对中小量级洪水进行适当调控,尽可能减少滩区淹没损失。

(5)前汛期“上大洪水”可能挟带大量泥沙,小浪底水库拦洪运用库区淤积量较大,可能影响水库长期有效库容。实时调度过程中结合预报来水来沙情况,通过预泄将小浪底水库水位降至215 m 或者更低,减少应急调度蓄洪期间水库淤积。

(6)随着小浪底水库拦沙库容逐渐淤满,水库兼顾下游滩区防洪能力降低。长远来看,需要加快推进下游河道和滩区综合提升治理,因滩施策,通过实施三滩分区治理、居民迁建、二级悬河治理、控导工程连接等滩区综合治理措施,提高滩区防洪保安能力,破解滩区防洪保安和高质量发展之间的矛盾。