2023年黄河含沙量调度探索与实践

魏向阳 杨会颖 任 伟 韩 涵

（黄河水利委员会水旱灾害防御局，郑州 450003）

0 引 言

黄河水利委员会（以下简称黄委）已持续22 年实施调水调沙，在维持下游中水河槽，减小下游漫滩风险、水库排沙减淤、河口生态补水方面取得了显著的成效。实现水库排沙减淤是黄河调水调沙的主要目标之一，排沙过程中含沙量太低会影响输沙效率，但是过高的含沙量洪水过程可能会造成河道洪峰增值，严重情况下甚至可能会造成下游漫滩，危及滩区防洪安全，是调水调沙集中排沙期需要着重考虑的安全因素。过高的含沙量洪水还会对下游局部河段的鱼类造成机械损伤和缺氧，发生“流鱼”现象。随着调水调沙效益的持续显现，社会公众对黄河调水调沙的关注度日益提高，对调水调沙的目标也有了更高的期望。

2023 年4 月1 日正式施行的《中华人民共和国黄河保护法》明确规定，“水沙调控应当采取措施尽量减少对水生生物及其栖息地的影响”。2023年年初，黄委积极响应落实要求，安排部署了相关研究工作，分析了调水调沙对水生生物的影响，提出了相应措施建议。2023 年汛前调水调沙黄委实施泥沙精细化调度，创新优化调度方式及调控指标，控制出库含沙量过程，使下游水沙过程相协调，避免发生显著洪峰增值，同时尽量减少对水生生物及其栖息地的影响，取得了良好的效果。

1 初始运用条件

1.1 水库初始蓄水情况

6月21日8时，万家寨、三门峡、小浪底、陆浑、故县、河口村6 座水库合计蓄水量67.33 亿m3，汛限水位以上可供调节的蓄水量38.38 亿m3，其中小浪底水库汛限水位以上蓄水量29.76 亿m3，满足调水调沙最小水量指标13.5 亿m3的要求（表1）。

表1 汛前调水调沙主要水库初始蓄水量情况表

1.2 小浪底水库淤积形态

截至2023 年4 月，小浪底水库275.00 m 以下库容为92.97 亿m3，淤积三角洲顶点距坝11.42 km，顶点高程为218.51 m。与2022 年同期相比，淤积三角洲顶点退后3.68 km，顶点高程抬升7.95 m。近坝段黄河9 断面至黄河34 断面发生淤积，最低河底高程平均抬升约3.12 m；库尾段黄河40 断面至黄河55 断面发生冲刷，最低河底高程平均下降约4.36 m。整体来看，淤积三角洲顶点高程抬升，库区近坝段发生淤积，为水库排沙创造了有利条件。小浪底水库干流主槽最低河底高程沿程变化对照图见图1。

图1 小浪底水库干流主槽最低河底高程沿程变化对照图

1.3 小浪底水库泄洪排沙孔洞情况

小浪底泄洪排沙及发电排水系统由3 条孔板洞、3 条排沙洞、3 条明流洞、1 条溢洪道、6 条发电洞组成。其中，排沙洞和孔板洞是主要排沙通道，进口底坎高程为175 m。孔板洞运行条件为水位超过200 m，其工作闸门必须全开运用。排沙洞运行条件为水位超过186 m，220 m以上需局部开启（工程条件限制），一般控制单洞泄流量不超过500 m3/s。1#、2#、3#明流洞进口高程分别为195 m、209 m、225 m。正常溢洪道堰顶高程258 m，运行条件为水位超过265 m。小浪底水库泄洪排沙孔洞基本情况见表2。

表2 小浪底水库泄洪排沙孔洞基本情况表

1.4 下游河道过洪能力

2023 年汛前，在不考虑生产堤挡水情况下，黄河下游各水文站的平滩流量见表3。下游平滩流量较小的河段有两个，位于孙口和利津断面附近，最小平滩流量分别为4 700 m3/s和4 600 m3/s。

表3 2023年汛前黄河下游各水文站平滩流量表

2 水沙调度过程

2.1 调度目标

维持黄河下游中水河槽；在确保后期抗旱用水安全的前提下，实现水库排沙减淤，优化水库淤积形态，并尽量减少对水生生物及其栖息地的影响；实施黄河生态调度和三角洲生态补水；检验河道整治工程适应性和数字孪生黄河建设成果应用；进一步探索水库及下游河道泥沙输移规律，丰富调水调沙理论。

2.2 调度方式

根据黄河中游河道来水及水库蓄水情况，为增强小浪底水库调水调沙后续动力，充分发挥水库汛限水位以上蓄水效益，并尽量减小对水生生物及其栖息地的影响，2023年汛前调水调沙采用万家寨、三门峡和小浪底水库调控为主，支流陆浑、故县、河口村水库相机配合的联合调度模式。

2.3 调度技术

（1）不同来源区水沙过程对接技术。以干流小浪底水库泄放为主、支流水库相机配合的方式，有效利用小浪底—花园口区间的清水，与小浪底水库下泄的高含沙水流在花园口进行水沙对接，塑造适宜含沙量洪水过程。

（2）干流多库联合调度技术。利用万家寨水库调控影响三门峡水库入库水沙过程，并通过三门峡水库2 次调控小浪底水库入库过程，人工塑造异重流，调整小浪底库区淤积形态，协调出库水沙关系。

（3）小浪底泄流孔洞组合控制出库含沙量。利用不同孔洞进口底坎高程、排沙能力、闸门操作等特点，在排沙关键期，调整孔洞组合，尽量控制小浪底水库出库含沙量在合理范围内。

（4）减少水生生物及其栖息地影响的调度技术。分析总结历年来调水调沙对水生生物及其栖息地影响，初步提出了控制含沙量及排沙历时、适时加大支流水库下泄流量、加强鱼类庇护所生态环境保护等措施。

2.4 调度过程

根据水库蓄水和河道来水预测，综合考虑下游滩区麦收、鱼类产卵期、7 月上旬“卡脖子旱”用水等因素，2023 年汛前调水调沙自6 月21 日开始，较往年开始时间推迟2 d。7 月16 日，利津站水沙过程基本入海，调水调沙结束，整个过程历时约25 d。其间，小浪底、西霞院水库联合调度，最大下泄流量为4 400 m3/s。陆浑、故县、河口村水库在小浪底水库集中排沙期配合泄放清水，最大下泄流量分别为55 m3/s、300 m3/s、120 m3/s，稀释干流高含沙水流，为水生生物提供庇护所，尽量减小调水调沙对水生生物及其栖息地的影响。东平湖结合大汶河洪水防御，向黄河排洪0.5亿m3，补充调水调沙后期艾山以下河段水沙动力。

（1）万家寨水库。万家寨水库自6 月11 日起逐步抬升水库水位，按照不超正常蓄水位977 m运用，为调水调沙提供后续动力。自7 月4 日6 时起，万家寨、龙口水库联合调度，出库流量按1 800 m3/s均匀下泄至汛限水位以下。

（2）三门峡水库。为增加调水调沙后续动力，在小浪底水库降至对接水位之前，三门峡水库按不超过318 m运用。自7月6日18时起按2 000 m3/s、3 000 m3/s、3 700 m3/s由小到大泄放。为维持小浪底水库低水位排沙，自7 月7 日10 时、7 月8 日6 时分别压减至3 000 m3/s、2 500 m3/s 下泄。为兼顾水库排沙减淤，自7月8日13时、17时按3 000 m3/s、4 000 m3/s泄放至水库泄空。

（3）小浪底水库。小浪底、西霞院水库联合调度，整个调度过程分为清水下泄和集中排沙两个阶段。

清水下泄阶段：6月21日9时，按照2 500 m3/s下泄，控制花园口站2 600 m3/s，调水调沙正式开始。22日8时、23日8 时、24 日8 时，分别按照3 400 m3/s、3 900 m3/s、4 400 m3/s逐级加大下泄流量，泄放水库蓄水，4 400 m3/s 流量持续7 d。7 月1 日6 时，小浪底水库降至汛限水位以下，8 时起，按4 000 m3/s 下泄。之后，为控制小浪底库水位平稳下降，满足水库调度规程要求，水库逐级压减下泄流量，7 月2 日8 时、7 月3 日8 时、7 月4 日20 时、7 月5 日19 时起分别按3 500 m3/s、3 000 m3/s、2 600 m3/s、1 800 m3/s下泄。

集中排沙阶段：7 月6 日14 时小浪底出库含沙量为31 kg/m3，之后，出库含沙量快速上涨，6 日18 时，小浪底水库出库含沙量上涨至206 kg/m3。由于水库短时集中排沙，小浪底低水位库容淤积分布发生较大变化，为加快水位降速，7 月6 日20 时、22 时，分别加大至2 000 m3/s、2 500 m3/s下泄。7 月7 日2 时，库水位最低降至216.44 m，实现与三门峡大流量泄放过程对接。7 日9 时30 分，全开2#孔板洞，全关1#明流洞，出库含沙量进一步上升，10时48分小浪底水库出库含沙量达到最大值为442 kg/m3。为增强小浪底水库排沙效果，充分考虑洪峰增值影响，自7 月7 日16 时、7 日23 时、8 日6 时起逐步加大下泄流量，分别按照3 000 m3/s、3 300 m3/s、3 500 m3/s 控泄。为增强排沙效果，8 日20 时起，按2 700 m3/s 下泄（3 个排沙洞、1 个孔板洞组合，明流洞关闭）。考虑黄河下游引黄涵闸拉沙需要，自7 月10 日10 时起按1 800 m3/s 下泄，11 时起按800 m3/s 下泄，16 时起按400 m3/s下泄。7月11日8时，小浪底水库回蓄至223.36 m，为后期可能发生的旱情储备应急水源，结束调水调沙调度过程。小浪底水库调度过程见图2。整个调水调沙期，花园口站最大流量4 600 m3/s（7 月1 日6 时36 分），最大含沙量62.4 kg/m3（7月8日12时）。

图2 小浪底水库调度过程图

西霞院水库从7 月2 日8 时开始降低库水位，7 月4 日14 时降至排沙限制水位131 m 以下，为水库排沙创造条件。

（4）支流水库。陆浑水库：6 月19 日15 时至7 月11 日8 时，按55 m3/s 下泄，之后转入汛期正常运用。故县水库：初期按照108 m3/s 满发流量下泄。7 月3 日，洛河卢氏站出现涨水过程，故县水库10 时起按200 m3/s 下泄。为加快泄洪，同时提高稀释干流高含沙水流效果，6 日19 时起加大至300 m3/s下泄，有效发挥了稀释干流高含沙水流，减少对水生生物及其栖息地影响。7月10日22时水位降至汛限水位526.14 m 以下，转入正常防洪运用。河口村水库：自6 月28 日15 时起，按120 m3/s 下泄，6 月30 日11 时30 分水位降至247 m，转入进出库平衡运用。7 月6 日8 时起，再次按120 m3/s下泄，稀释干流高含沙过程，尽量减少调水调沙对水生生物及栖息地影响。7 月8 日21 时水位降至汛限水位238 m，之后转入正常防洪运用。

（5）东平湖。7 月12 日，预报大汶河流域将发生强降雨过程，11 时10 分，东平湖老湖开始预泄。整个调水调沙期，最大入黄流量241.8 m3/s，入黄水量0.5亿m3。

3 水沙调控效果分析

（1）水库排沙减淤。调水调沙期间，潼关来沙量0.014 亿t，三门峡、小浪底和西霞院水库排沙量分别为0.463亿t、1.361亿t和1.218亿t。三门峡库区冲刷0.449亿t；小浪底水库排沙比294%，库区冲刷0.898 亿t；西霞院库区淤积0.143亿t。小浪底水库最低库水位216.44 m。

（2）河道冲淤变化。调水调沙期间，利津入海水量52.29 亿m3、沙量0.533 亿t，黄河下游河道发生淤积，淤积量为0.621 亿t。各河段冲刷、淤积交替发生，其中西霞院—花园口段为主要淤积河段，淤积量为0.568 亿t；卡口河段孙口—艾山段发生微淤，淤积量为0.008 亿t。泥沙主要淤积在花园口以上的宽河段，不影响卡口河段的排洪能力，利用年际泥沙接续调节技术实现下游河道排洪能力的维持。

（3）含沙量控制情况。整个调水调沙期，7 月7 日10 时48分小浪底水库出库含沙量达到最大值为442 kg/m3。含沙量在200 kg/m3以上的时间持续了近25 h。7 日11 时西霞院站最大含沙量为398 kg/m3，高含沙水流在西霞院库区坦化衰减，200 kg/m3以上含沙量持续时间降低至14 h。花园口站最大含沙量62.4 kg/m3，50 kg/m3以上含沙量持续时间38 h，完成了预定的含沙量控制目标。调水调沙期含沙量控制过程见图3。

图3 调水调沙期含沙量控制过程图

（4）洪峰增值。在历次调水调沙中，发生明显洪峰增值的年份有9 a，其中，2010 年洪峰增值幅度为2 933 m3/s，增值流量最大。近年来，对洪峰增值的水动力学机理研究日益深入，认为小浪底水库异重流排出的极细高含沙洪水在下游河道输移的过程中，引起河道糙率变小,是造成洪峰异常增值的根本原因。此次调水调沙期间，高含沙水流向下游演进过程中，花园口站出现洪峰流量4 070 m3/s，洪峰流量较西霞院、黑石关、武陟站之和增加891 m3/s，洪峰增值率为28%。

（5）水生生物影响及河口生态补水效果。本次调水调沙期间，累计向清水沟、刁口河流路合计引水1.70亿m3，为三角洲湿地保护修复和生物多样性提升提供了有力的水资源保障。小浪底水库集中排沙期，受库区泥沙下泄冲击力和高含沙量影响，“流鱼”现象集中在小浪底坝下至西霞院库尾河段，伊洛河和沁河水库在小浪底集中排沙期加大了下泄流量，促进了入黄口以下干流河段清水带的形成，改善了鱼类栖息生态环境，完成了调水调沙生态调度目标。

4 认识与启示

（1）干支流水库联合调度取得了新成效。此次调水调沙在调度过程中实施出库含沙量过程控制，通过精细调整小浪底水库泄流孔洞组合、控制小浪底水库水位、入出库流量、含沙量等方式，控制小浪底出库含沙量在合理范围内，避免下游河道含沙量过高和发生显著洪峰增值。在小浪底水库集中排沙期，相机调度支流陆浑、故县、河口村水库下泄清水，稀释干流河道内高含沙水流，减小了对下游河道内水生生物及其栖息地的影响，调水调沙生态化调度水平得到提升。

（2）库区高含沙洪水演进规律还需进一步研究。本次调水调沙暴露出小浪底水库高含沙泄流值与小浪底站测验结果差别较大、小浪底库区支流水文站网密度不够、支流拦门沙演变和库区冲淤监测能力不足等问题，尚不能满足调水调沙精准调度需要。下一步要加强调水调沙期间小浪底水库库区水沙监测，进一步率定高含沙水流工况孔洞泄流能力，提高全天候水沙测验能力，为调水调沙的精准调度提供技术支撑。

（3）持续开展调水调沙，减轻小浪底水库及下游河道泥沙淤积。小浪底水库在黄河中下游防洪减淤格局中具有关键地位，其拦沙库容弥足珍贵。2023 年汛前调水调沙期间，小浪底水库排沙1.361 亿t，为历年汛前调水调沙最高，水库冲刷0.898 亿t，有效地恢复了水库库容。今后，随着小浪底水库拦沙库容的淤损，应创造条件接续开展调水调沙，尽量减轻小浪底水库及下游河道泥沙淤积，维持下游中水河槽行洪输沙能力。