黄河流域全河水沙调控的可行性与模式探索

王远见 江恩慧 张翎

摘 要：过去几十年黄河水沙调控的理论与实践探索取得了一定进展，但现状工程条件下龙羊峡、刘家峡、万家寨、三门峡、小浪底水库群联合运用进行全河水沙调控的可行性与调控模式鲜有系统探讨。在全面分析多年平均条件下，上游龙羊峡、刘家峡水库可调水量和区间来水量、引水量的基础上，论证了现状工程条件下开展全河水沙调控的可行性，提出了全河水沙调控常规与非常规调度两种模式，并对比分析了各自效果。结果表明：全河水沙调控常规与非常规两种调度模式下小浪底排沙量分别为1.451亿t和1.913亿t，下游河道淤积量分别为0.113亿t和0.221亿t;无论采取何种水沙调控模式，小浪底水库均能在腾库迎洪的同时实现有效的库区冲刷，同时对下游河道淤积影响较小。在加强水库精细化调度和严格的区间引水管理前提下，现状工程条件下的全河水沙调控模式是完全可行的。

关键词：全河水沙调控;可调水量;调控模式;水库群;黄河

中图分类号：TV152;TV882.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.09.009

Abstract：In the past decades， some progress has been made in the theory and practice of water and sediment regulation of the Yellow River. However， under the current engineering conditions， the feasibility and model of the whole river water and sediment regulation combined with the cascade reservoirs of Long （Longyangxia）， Liu （Liujiaxia）， Wan （Wanjiazhai）， San （Sanmenxia） and Xiao （Xiaolangdi） are rarely discussed. Based on a comprehensive analysis of the adjustable water volume of the Long-Liu cascade reservoirs， interval inflow and diversion water volume of the whole river under the multi-year average condition， this paper demonstrated the feasibility of the whole river water and sediment regulation under the current engineering conditions. Two modes were put forward including the conventional mode and the unconventional mode， and the effects of two modes were compared and analyzed. The results show that the sediment discharge of Xiaolangdi Reservoir under the two modes is 145.1 million tons and 191.3 million tons respectively and the sediment deposition of the downstream channel is 11.3 million tons and 22.1 million tons respectively. No matter which mode of water and sediment regulation is adopted， Xiaolangdi Reservoir can achieve effective erosion in reservoir during the period of discharging before flood， and at the same time， it has little influence to the siltation of river channel. Therefore， under the premise of strengthening the fine operation of the reservoir and strict interval diversion management， the whole river water and sediment regulation mode under the current engineering conditions is completely feasible.

Key words： whole river water and sediment regulation; adjustable water volume; regulation mode; cascade reservoirs; Yellow River

1 研究背景

1.1 黃河水沙调控的理论与实践探索

黄河水沙调控的概念最早可追溯至1955年编制的《黄河综合利用规划技术经济报告》[1]，其明确指出：“在黄河的干流和支流上修建一系列的拦河坝和水库。依靠这些拦河坝和水库，我们可以拦蓄洪水和泥沙，防治水害;可以调节水量，发展灌溉和航运。”据此所做的黄河综合利用远景发展规划提出，在黄河干流上实行梯级开发，修建46座拦河工程。钱宁等[2]在20世纪70年代明确提出，应利用黄河流域的骨干水库，开展调水调沙，减少下泄沙量，减少河道淤积，改善泥沙淤积部位。此后，多位学者围绕黄河水沙调控的目标[3]、工程布局[4-5]、理论与技术[6-11]开展研究，并在水沙调控过程的物理模拟[12-13]、数值模拟技术[14-17]等方面取得了长足进展。

黄河水沙调控的实践探索源于三门峡水库。1960年三门峡水库正式建成投运，初期蓄水拦沙运用后，水库产生严重淤积，淤积末端上延[5，18-19]。为减缓水库淤积，提高水库泄流排沙能力，三门峡水库历经两次改建、三次改变运用方式，最终实现了长期的冲淤平衡和有效库容维持，从实践上证实了多沙河流大型水库长期使用的可能性[20]。1969年刘家峡水库投入运用，1986年龙羊峡水库投入运用，龙羊峡水库、刘家峡水库（简称龙刘水库）联合调度深刻改变了进入黄河中下游的水沙过程[21]，同时为全河水沙调控的实现奠定了上游段的工程基础;1998年万家寨水库投入运用，1999年小浪底水库建成投入运用，中游万家寨、三门峡、小浪底梯级水库联合调度的工程基础初步形成。2002—2015年，19次开展调水调沙，利用干支流水库群对进入下游河道的水沙关系进行调节和控制，以减缓水库淤积，充分发挥下游河道的输沙能力，遏制河槽萎缩、恢复并维持中水河槽[22]。随着调水调沙实践经验的积累，黄河水利委员会（简称“黄委”）创立了小浪底水库单库调节为主、空间尺度水沙对接和干流水库群水沙联合调控3种基本模式[23]，实现了黄河下游主槽的全线冲刷，下游主槽的最小过流能力由2002年汛前的1 800 m3/s恢复到了2010年的4 000 m3/s;通过塑造人工异重流，或利用坝前形成的浑水水库，增大水库排沙比，减少水库淤积，调整了库区淤积形态，同时使河口三角洲的生态系统得以恢复和改善[24]。特别是2018年、2019年，利用上中游有利的来水情势，干流水库群科学调度，小浪底水库实现了长历时、低水位、大流量排沙调度，前汛期分别排沙4.6亿t和5.4亿t，调节库容得到有效恢复，综合效益显著。

1.2 全河水沙调控概念缘起与发展

全河水沙调控概念的提出相对较晚。1997年，针对治黄工作中出现的新情况、新问题，黄委历经10余a修编的《黄河治理开发规划纲要》[25]通过了国家计划委员会和水利部的联合审查。该纲要首次从流域规划的角度明确提出：“高坝大库与径流电站或灌溉壅水枢纽相间布置，形成以龙羊峡、刘家峡、大柳树、碛口、古贤、三门峡和小浪底等7大控制性骨干工程为主体的比较完善的综合利用工程体系，较好地控制洪水泥沙，调节径流，适应黄河水沙特性和治理开发要求。”

在此基础上，黄委修编的《黄河近期重点治理开发规划》[26]于2002年开始实施。该规划提出了解决黄河洪水和泥沙问题的基本思路：“上拦下排、两岸分滞”控制洪水;“拦、排、放、调、挖”，处理和利用泥沙。并以此思路提出建设以龙羊峡、刘家峡、黑山峡（原大柳树）、碛口、古贤、三门峡和小浪底7大骨干水利枢纽工程为主体的黄河水沙调控体系。

2008年，时任黄委主任李国英带队考察宁蒙河道，在银川召开座谈会，首次明确提出“全河调水调沙”这一概念，但受当时理论、技术等条件限制，这个想法未被广泛接受和付诸实践。

2013年，黄委修编完成了《黄河流域综合规划》（2012—2030年）[27]。该规劃指出：到2020年，黄河水沙调控和防洪减淤体系初步建成;到2030年，黄河水沙调控和防洪减淤体系基本建成，洪水和泥沙得到有效控制。由干流7大水库、海勃湾和万家寨水库，以及支流的控制性水库共同构成水沙调控工程体系，由水沙监测、预报和水库群调度决策支持系统等构成水沙调控非工程体系。

尽管黄河水沙调控的理论与实践取得了长足进展和成就，但应看到，目前黄河干支流水沙调控工程体系并未完全建立，从上游龙刘水库到中游三小水库（三门峡水库、小浪底水库）之间仍有超过2 000 km的河道，两大水库群中间的水力联系较弱，沿程调节能力最大的水库万家寨水利枢纽当前（截至2020年汛前）剩余库容仅5.45亿m3，因此尚无法实现规划意义上的全河水沙调控。在全河水沙调控工程体系尚未完全建立的条件下，能否通过精细化水沙调控和严格水资源管理，利用龙刘水库的汛前下泄水量和沿程万家寨水库的适度调节，实现弱水力联系条件下的全河水沙调控，是本文探讨的关键技术问题。

2 全河水沙调控的可行性分析

根据黄委公布的2012—2019年汛前黄河水量调度方案[28]，考虑上游龙刘水库可调水量、龙刘水库至三小水库区间来水量和引水量等，综合分析汛前三小水库水沙调控能够利用的上中游水量，由此探究当前工程条件下全河水沙调控的可行性。

2.1 龙刘水库可调水量

龙刘水库每年汛前（7月1日前）需将水位降至汛限水位，这部分下泄水量即可作为全河水沙调控的可调水量。其中龙羊峡水库正常蓄水位2 600.0 m，相应库容242.9亿m3，现状汛限水位2 592.0 m，相应库容210.6亿m3;刘家峡水库正常蓄水位1 735 m，相应库容39.93亿m3，汛限水位1 727 m，相应库容29.75亿m3，因此理论上龙刘水库的可调水量为42.48亿m3。

实际上龙刘水库的蓄泄过程和上游水情密切相关。龙刘水库2012—2019年6月下泄水量变化情况见图1。根据近年运用情况，龙刘水库6月多年平均下泄水量为30.0亿m3，取此值作为可调水量。

2.2 区间来水量与引水量

此处的“区间”指的是刘家峡出库到三门峡入库的黄河干流河道。根据2012—2019年区间来水量与引水情况，得到6月宁蒙河段和北干流河段多年平均区间来水量分别为3.47亿m3和6.12亿m3，总来水量为9.59亿m3;6月宁蒙河段、北干流河段多年平均区间引水量分别为19.31亿m3和2.36亿m3，总引水量为21.67亿m3。龙刘水库汛前6月多年平均下泄水量为30亿m3、考虑区间来水量与引水量，潼关站6月可利用的来水量为17.92亿m3。

3 全河水沙调控模式探索

笔者提出两种全河水沙调控模式：一是常规调度模式，指龙羊峡水库、刘家峡水库、万家寨水库、三门峡水库、小浪底水库群（简称龙刘万三小水库群）均按现有调度规则开展调度;二是非常规调度模式，即三门峡水库在汛期可短暂突破305 m的汛限水位限制，最高水位可蓄至318 m。两种调度模式均按2020年汛前边界条件开展计算分析。

综上所述，如能适当突破三门峡水库的汛期调度规则限制，或在龙刘水库和小浪底水库之间提供新的能够有效调节流量过程的大型水库，则能够更好地利用龙刘水库下泄流量过程，塑造长历时、大流量的洪水过程，冲刷小浪底库区和下游河道，减轻水库淤积，输送更多的泥沙入海。

即使在現状工程条件和调度规则下，本文提出的全河水沙调控常规调度模式，也能够显著冲刷小浪底库区和输送1.3亿t泥沙入海，具备切实的可行性。

4 结 论

从20世纪50年代《黄河综合利用规划技术经济报告》出台至今，建设完整的全河水沙调控工程与非工程体系的构想由来已久，体系建设的实践过程历经波折。本文尝试探讨了在现有工程布局、弱水力联系条件下全河水沙调控的可行性与调控模式，得到的主要结论如下：

（1）多年平均来水条件下，汛前龙刘水库可下泄水量为30亿m3，考虑区间来水量及引水量，三门峡入库潼关站6月可利用来水量为17.92亿m3。

（2）常规调度模式下三门峡水库可塑造15 d中小流量过程（最大流量2 200 m3/s），小浪底水库实现排沙1.451亿t，下游河道淤积0.113亿t;非常规调度模式下三门峡水库可塑造12 d大流量过程（最大流量4 000 m3/s），小浪底水库实现排沙1.913亿t，下游河道淤积0.221亿t。

（3）无论何种全河水沙调控模式，小浪底水库均能在腾库迎洪的同时实现有效的库区冲刷，同时对河道淤积影响较小。因此，在加强水库精细化调度和严格的区间引水管理前提下，现状工程条件下的全河水沙调控模式是完全可行的。

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【责任编辑 吕艳梅】