黄河水库河道泥沙跨年接续调节技术实践

孙赞盈，刘彦晖，尚红霞，张原锋，魏 铭，肖千璐

（1.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.水利部黄河下游河道与河口治理重点实验室，河南 郑州 450003；3.河海大学，江苏 南京 210098）

1 问题的提出

1.1 近20 a 水沙变化特点

随着黄河潼关以上干流水库的建成和投入运用，以及其他人类活动的影响，潼关断面的来水来沙条件发生了巨大变化，突出表现在：1）大水大沙现象已不存在。例如，1960—1985 年，潼关断面25%的来沙由流量大于4 000 m3／s 的水流挟带；1986—1999 年，流量500～1 000 m3／s 的水流挟带的沙量占18%，而流量大于4 000 m3／s 的水流挟带的沙量只占9%；2000—2021 年，流量500～1 000 m3／s 的水流挟带的沙量占26%，而流量大于4 000 m3／s 的水流挟带的沙量减少到5%。2）来沙量大幅度减少。1960—1985 年，潼关断面的年均来沙量为12.42 亿t，1986—1999 年为7.77亿t［1－2］，2000—2021 年减少到2.49 亿t（相当于1986—1999 年的1／3、1960—1985 年的1／5）。潼关断面历年沙量变化如图1 所示。

1.2 小浪底水库单库水沙调控的技术问题

大量研究成果表明，黄河下游河道的深槽淤积主要是小水挟沙淤积造成的［3－6］，大流量时期河槽淤积轻微甚至发生冲刷，黄河下游窄深河槽在大流量（流量大于2 000 m3／s）时期具有“多来多排”的输沙特点［7－8］，水库调控应将泥沙调节到大流量时期输送［9］。小浪底水库出库含沙量的高低首先取决于来水流量的大小，其次是坝前水位的高低和降幅。2000 年以来，小浪底水库的实际调度运用情况显示，当库水位降低至库区三角洲顶点高程以下时，发生溯源冲刷，出库含沙量才开始显著增大，库水位降低得越低、越快，库区溯源冲刷越强烈，出库含沙量越高。然而目前小浪底水库单库运用，在库水位降低至三角洲顶点出露以后，后续的冲刷动力及入库流量过程几乎完全取决于天然来水流量的大小［10－14］，因此小浪底水库出库最大含沙量很难与出库最大流量相匹配，甚至有可能出现对下游河道最为不利的小水排沙现象。

综上所述，虽然近年黄河来沙减少到年均2.49 亿t，但这仍然是一个巨量的数字，黄河依然是含沙量最高的河流，如何将这些泥沙从水库排除，并通过下游河道输送入海，依然是黄河下游河道泥沙治理需要解决的首要问题。如果在丰水年或较大流量时，使水库排沙淤积在花园口以上平滩流量较大的宽河道，后续长时期的清水过程再将这些淤积物冲刷带走并输送入海，不失为兼顾水库排沙和下游河道减淤的现实举措，这就是水库河道泥沙跨年接续调节技术。水库河道泥沙跨年接续调节需要具备两个条件：第一，库区三角洲距坝较近，水库能够集中排沙出库；第二，下游河道近坝段平滩流量较大，具有一定的容沙能力，不至于因水库排沙而造成下游河道淤积，发生诸如“96·8”洪水的小水大灾局面。目前，上述两个条件已经具备。

2 黄河水库河道泥沙跨年接续调节技术

2018—2020 年是连续3 a 的丰水时段，小浪底水库3 a 共排沙13.37 亿t，是小浪底水库运用以来排沙最多的3 a。本文基于这3 a 的水库河道冲淤变化、同流量水位变化和黄河下游卡口河段平滩流量变化，来说明水库河道泥沙跨年接续调节技术的可行性。

2.1 水库利用大水排沙增容

潼关站2018—2020 年汛期水量分别为265.6 亿、228.4 亿、284.9 亿m3，为2000—2017 年汛期年均水量104.6 亿m3的2.2～2.7 倍，这3 a 是1986 年以来汛期水量最大的3 a。2018—2020 年汛期沙量分别为3.42亿、1.34 亿、2.17 亿t，平均2.31 亿t，比2000—2017 年汛期年均1.94 亿t 偏多19%。

2018—2020 年汛期，潼关站共来沙6.93 亿t，小浪底水库排沙13.37 亿t，三门峡和小浪底水库持续冲刷，不但将6.93 亿t 来沙排出库，库区还冲刷了6.44亿t，相当于之前10 a 的淤积量，从而使累计淤积量恢复至2007 年水平，水库库容得以有效恢复。

2.2 利用近坝段宽河道滞沙

2.2.1 黄河下游夹河滩以上河段容沙量大

自1999 年10 月小浪底水库投入运用到2018 年汛前，黄河下游汊3 以上河段主槽共冲刷21.541 亿m3，其中利津以上冲刷20.920 亿m3。冲刷主要集中在夹河滩以上河段，该河段长度占全下游的26%，冲刷量为12.516 亿m3，占全下游的58%；夹河滩以下河段长度占全下游的74%，冲刷量为9.025 亿m3，只占全下游的42%，冲刷量上多下少，沿程分布不均。从1999 年汛后以来各河段平均主槽冲淤面积来看，花园口以上河段冲刷4 548 m2，花园口—夹河滩河段冲刷6 823 m2，而艾山以下各河段不到1 000 m2，见表1［15］。

由表1 可知，各河段的冲刷强度上大下小，差别很大，夹河滩以上宽河道具有很大的容沙能力。截至2018年汛前，花园口以上河段的平滩流量在7 200 m3／s以上，而孙口附近卡口河段的平滩流量则只有4 200 m3／s。若考虑淤积使夹河滩以上河段的平滩流量减小至4 000 m3／s，估算的容沙量为花园口以上2.73 亿m3、花园口至夹河滩河段2.89 亿m3，合计5.62 亿m3。

2.2.2 利用宽河道暂存泥沙

从表2 列出的2018—2020 年小浪底水库出库水沙条件来看，2 000～3 000 m3／s 流量的挟沙量为5.69亿t，占比43%，小流量挟沙偏多。

2018—2020 年水库排沙主要集中在5 场集中排沙洪水，见表3。5 场集中排沙洪水小浪底水库共排沙11.694 亿t，从场次洪水的河段冲淤量看，有5.681 亿t的泥沙淤积在花园口以上河段（占水库排沙量的49%），其次为花园口—高村河段的0.958 亿t（占水库排沙量的8%），高村以下河段的淤积量很少，说明在集中排沙期下游河道的淤积主要发生在花园口或夹河滩以上的宽河段，在高村以下河段淤积量很小。

从汛期的沿程累计冲淤量（见图2，断面法计算结果）来看，2018 年汛期淤积集中在西霞院至郭庄（花园口以下40 km 处）河段；2019 年汛期高村以上河段连续淤积，但淤积主要集中在西霞院至于店（花园口以下59.3 km 处）河段，2019 年汛期淤积长度较2018 年增加；2020 年汛期淤积集中在西霞院至秦厂（花园口上游20 km 处）河段。

图2 2018—2020 年汛期沿程累计冲淤量

从沿程累计冲淤量过程线可以看出，除了连续淤积的河段，其下游的河段是冲刷的，这说明，至少在排沙年份的汛期，淤积河段下游的河段能够实现净冲刷，即使淤积河段长度最大的2019 年汛期，高村以下河段也是净冲刷的。

为分析槽宽对冲淤的影响，将夹河滩以上河段分为伊洛河口以上河段、伊洛河口—花园口河段和花园口—夹河滩河段，点绘2019 年排沙期各河段冲淤面积和槽宽的关系发现，同一河段淤积面积随槽宽的增大而增大；同样的槽宽，越上游的河段淤积强度（单位河长的淤积量）越大。

宽浅断面往往是两股或多股汊河，小浪底水库排沙期的日均流量为1 600～4 200 m3／s，多股汊河使有限的流量产生分流，每股汊河的流量更小、流速更小，排沙水流在这样的断面上容易发生淤积。伊洛河口断面2019 年7 月8 日测时水位为105.535 m，该水位下的过水断面面积为4 356 m2，考虑洪水演进和沿程坦化，推算当时的流量为4 113 m3／s，则断面平均流速为0.94 m／s，主槽流速明显小于1.42 m／s［16］。流速小是排沙洪水发生河道淤积的原因。

2.3 后期逐渐冲刷恢复及其影响

小浪底大坝至夹河滩河道长201 km，其中花园口以上河段长118 km。小浪底水库下泄的小流量清水也会对该河段产生冲刷，且主要在上游段，刚好是淤积量大的河段，从而使之前的淤积泥沙很容易被冲刷带走。图3 为2018—2020 年3 a 汛期和全年的沿程累计冲淤量，这3 a 汛期，柳园口以上河段淤积2.0 亿m3，若考虑非汛期的清水冲刷0.6 亿m3，则柳园口以上河段仍然净淤积1.4 亿m3，柳园口以下河段冲刷1.47亿m3。

排沙期对卡口河段造成了淤积，但淤积不多，很容易冲刷恢复。2018 年排沙期，高村—艾山河段淤积0.072亿t，在小浪底水库排沙过后的清水过程发生冲刷，至2018 年9 月27 日冲刷完淤积量0.072 亿t，历时59 d，相应小黑武（小浪底、黑石关和武陟三站之和，下同）水量99 亿m3，见图4（a）；2019 年排沙期，第1 场洪水冲刷0.107 亿t，第2 场和第3 场共淤积0.034 亿t，排沙期间河道净冲刷0.073 亿t；2020 年排沙期，高村—艾山河段淤积0.095 亿t，在排沙过后的清水过程发生冲刷，至2020 年10 月4 日冲刷完淤积量0.095 亿t，历时49 d，相应小黑武水量117 亿m3，见图4（b）。

图4 高村—艾山河段冲刷恢复过程

黄河下游非汛期和小水期有“上冲下淤”的现象，但小浪底水库运用以来，“上冲下淤”的程度大大减轻。沙量法和断面法的分析成果显示，小浪底水库运用以来，山东河道的临界冲刷流量为1 500 m3／s［17－18］，而不是三门峡水库下泄清水期的2 600 m3／s，并且小水期同样的来水流量，在山东河道的淤积强度也明显小于三门峡水库拦沙期的。目前，800～1 500 m3／s 的流量容易引起山东河道淤积，这和三门峡水库拦沙期的800～2 600 m3／s 差别很大。分析认为，之所以800～1 500 m3／s的流量容易导致该河段淤积，原因是此流量级挟带的来自该河段上游的泥沙较多，而该河段此流量级水流的挟沙能力不足以挟带泥沙。三门峡水库拦沙期，黄河下游宽河道摆动、宽浅散乱，情况非常严重，而目前受高村以上宽河道整治工程的影响，与三门峡水库拦沙期相比，宽河道的塌滩大幅度减少，从而使小水期水流挟带至艾山断面的泥沙大幅度减少。对比三门峡和小浪底水库拦沙期0～800 m3／s 和800～1 500 m3／s 两个流量级的含沙量，0～800 m3／s 流量级的含沙量，三门峡水库拦沙期平均为5.44 kg／m3，而小浪底水库拦沙期在2002 年为6.42 kg／m3，至2008 年降低为2.36 kg／m3，此后长期维持在2 kg／m3左右，只有三门峡水库拦沙期5.44 kg／m3的37%；800～1 500 m3／s 流量级的含沙量，小浪底水库2008 年之后的拦沙期，为4.2 kg／m3左右，只有三门峡水库拦沙期12.3 kg／m3的34%。显然，更小的含沙量意味着河道淤积强度更低。此外，河道横断面形态的差别也是原因之一，1960—1964 年，在经历了包括1958 年的大水冲刷展宽后，河槽相对宽浅，而小浪底水库运用开始的1999 年，经过前期的长期枯水，河槽相对窄深，这更利于减淤和输沙，小流量时期淤积减少。

图5 为黄河下游险工水尺、水位站及水文站2020年最后一次出现3 000 m3／s 对应水位和2018 年首次出现3 000 m3／s 对应水位的差值。从沿程3 000 m3／s同流量水位变化可以看出，同流量水位连续抬高的河段为赵沟至枣树沟长约50 km 的河段。枣树沟至夹河滩长约120 km 的河段水位有升有降，总的来说同流量水位变化不明显。夹河滩以下长约660 km 的河段，除个别站外，绝大多数河段的同流量水位是显著下降的。

图5 沿程3 000 m3／s 同流量水位变化

2018 年汛前，孙口上下的彭楼—陶城铺河段为全下游主槽平滩流量较小的卡口河段，平滩流量的最小值为4 200 m3／s，断面有徐沙洼、陈楼、龙湾（二）、大田楼和路那里［15］。2018—2020 年，黄河下游卡口河段仍为冲刷，卡口河段绝大多数断面的平滩流量有不同程度的增大。据分析，2021 年汛前，黄河下游卡口河段最小平滩流量的位置在陈楼—北店子河段，平滩流量最小的断面为陈楼、梁集、路那里和王坡断面，平滩流量的最小值为4 600 m3／s［19］。也就是说，3 a 排沙期黄河下游最小平滩流量仍增大400 m3／s，黄河下游河道的整体排洪能力非但没有减小，反而显著提高了。水库排沙没有引起高村以下（包括卡口河段）排洪能力降低。

3 讨论

1）并非小浪底水库排沙的所有年份黄河下游高村以下河道都会发生冲刷和同流量水位下降，同样的水库排沙量，如果遭遇枯水年，高村以下河道（包括卡口河段）不一定发生冲刷。此外，根据历次排沙期黄河下游河道淤积量沿程分布的分析结果，水库排沙造成的淤积，往往从纵比降突然变缓的下古街断面开始，沿程逐渐减弱。也就是说，排沙期花园口以上河段的淤积强度从下古街开始逐渐减弱，花园口以上河段虽然平滩流量较大，但沿程淤积分布并不均匀，而是集中在下古街（花园口上游97.4 km）往下不长的河段。短期的大量水库排沙很可能淤积在局部河段，引起水位陡涨。例如，2019 年集中排沙期，开仪险工水尺的3 000 m3／s 同流量水位一度抬高了1.82 m［16］，需要引起注意。

2）排沙期，为避免卡口河段发生漫滩，小浪底水库应按不大于4 000 m3／s 的流量下泄，流量不能再大。对排沙期间黄河下游河道在纵向和横向的冲淤研究显示，由于宽河道断面宽浅及部分河段多股汊河的存在，流速不够大，因此边滩和深槽均发生淤积。目前，小浪底水库库区淤积物的三角洲顶点高程距坝仅6.54 km，很快就要抵达坝前，同样的排沙流量，小浪底水库排出的沙量将更多，若排沙则花园口以上宽河道的淤积量更大。从长远看，要从根本上解决黄河下游河道的淤积问题，还需要：1）继续冲刷提高黄河下游卡口河段的排洪能力；2）抓紧修建古贤水库，为三门峡和小浪底水库冲刷提供后续动力，排泄更多泥沙；3）将黄河下游宽河道缩窄，以期形成窄深河槽，并利用窄深河槽多来多排的输沙特点，在洪水期直接输沙入海。

4 结束语

本文分析了2018—2020 年3 a 排沙期库区和下游河道冲淤变化，结果显示，在排沙的3 a 内：1）三门峡和小浪底水库不但将来沙排出，还使库区发生6.44亿t 冲刷，相当于之前10 a 的淤积量；2）从5 次集中排沙期下游河道各河段的冲淤量来看，有近50%的来沙淤积在花园口以上河段，高村以下河段淤积量很少；3）排沙期卡口河段所在高村—艾山河段的淤积泥沙会在排沙期或排沙结束后2 个月内冲刷恢复（相应小黑武的水量为99 亿～117 亿m3）；4）从3 a 的冲淤状况来看，黄河下游高村以下河道仍净冲刷，卡口河段的最小平滩流量增大了400 m3／s，河道的排洪能力还有明显提升。这表明，在目前小浪底水库单库运用的情况下，水库河道泥沙跨年接续调节是现实可行的，应该在以后遇到类似的来水来沙条件时继续实施。

从长远看，要彻底解决黄河下游的泥沙淤积问题，需要古贤水库产生“人造洪水”提供后续动力，增大小浪底水库的冲刷效果，利用黄河下游河道窄深河槽的输沙特点输沙入海。