在冲积河流上修建水库,会破坏水库下游河道的平衡,引起下游河道的再造床过程,触发下游河道再调整的原因是建库以后水沙条件的变化[1]。三门峡水库在蓄水拦沙期(1961—1964),黄河下游河道共计冲刷泥沙32.58亿t[2],孙口以上3000m3/s同流量水位降低1.3～2.8m[3]。小浪底水库于1999年10月25日开始下闸蓄水,至2018年已投入运用19a,多年来水库蓄水拦沙及黄河调水调沙改变了水沙条件,使得黄河下游河道发生了新的调整。围绕小浪底水库运用后黄河下游排洪能力、河床粗化、冲刷效率及河势等方面相继开展了诸多研究,例如黄河下游河道发生明显冲刷,河槽萎缩局面得以改善,局部河段河槽平滩最小流量由2002年汛前的1800m3/s增大至4250m3/s[4];伴随着河床的持续冲刷,黄河下游河床不断粗化,床沙中值粒径D50一般增大1～2倍,河道冲刷效率明显降低[5],且冲刷效率随时间呈指数衰减[6];低含沙水流长期作用于游荡型河段使得河势散乱、心滩增多[7]。黄河干流水库的兴建除防洪任务外,还强调为下游河道减淤,实际上就是以水库淤积为代价,损失大量的库容换取下游河道减淤,小浪底水库也不例外。分析研究小浪底水库运用后黄河下游河床演变时,不宜单纯着眼于黄河下游河道的减淤,应该结合水库拦沙及相应水沙条件,既要有利于下游减淤,又要减少库容淤损,分析不同来水来沙条件下水库的拦沙减淤效益,延长水库使用年限。关于多沙河流水库拦沙减淤效率,文献[8]提出了一些评价指标和影响因素,但有关小浪底水库运用后水库拦沙对下游河道减淤效果的定量研究较少,如何科学地调控水沙,将水库的近期与长远效益统一起来,是一项迫切需要研究的课题。笔者系统分析了小浪底水库运用以来黄河下游河道泥沙冲淤的时空变化特性及水库水沙调控效果,剖析了河道冲淤量对水沙调控的响应关系,依据泥沙输移规律,对比计算有、无小浪底水库两种工况下黄河下游河道冲淤量变化及水库拦沙减淤效益。

1、水沙条件

1.1主要控制站的水沙量及不同时段水沙特点

小浪底水库运用后进入黄河下游水沙条件见表1。2000—2018年三门峡站年平均(运用年)水量、沙量分别为223.9亿m3和2.887亿t,年均含沙量为12.9kg/m3;小浪底站年均水量、沙量分别为238.2亿m3和0.755亿t,年均含沙量为3.2kg/m3;支流伊洛河黑石关站和沁河武陟站年平均水量、沙量分别为21.8亿m3和0.010亿t,年均含沙量为0.5kg/m3;三门峡出库水沙经小浪水库调节后和区间支流汇入进入下游河道,经黄河下游长距离调整及沿程引水后,利津站年均水量、沙量分别为160.3亿m3和1.229亿t,年均含沙量为7.7kg/m3。

表1小浪底水库运用后进入黄河下游水沙条件

根据三门峡站沙量、含沙量大小及黄河下游含沙量沿程调整情况,2000—2018年可分为两个阶段:①2000—2003年为拦沙初期,该阶段小浪底入库沙量较多,年均4.687亿t,年均入库含沙量为27.7kg/m3,相应小浪底出库沙量年均0.540亿t,水库拦沙比为88.5%,年均出库含沙量为3.3kg/m3,水沙进入下游后含沙量沿程恢复明显,同期利津站年均含沙量为14.3kg/m3;②2004—2018年为拦沙中期,该阶段小浪底入库沙量较少,年均2.408亿t,年均入库含沙量为10.1kg/m3,相应小浪底出库沙量年均0.812亿t,水库拦沙比为66.2%,年均出库含沙量为3.2kg/m3,水沙进入下游后含沙量沿程恢复不明显,同期利津站年均含沙量为7.0kg/m3。

1.2水库对水沙的调控

2000—2018年三门峡、小浪底站年均水沙量见表2。三门峡出库水沙进入小浪底水库后,经过小浪底水库拦截大量泥沙的同时出库水沙量年内分配及过程也发生了较大改变。2000—2018年三门峡出库泥沙量为54.862亿t,小浪底出库泥沙量为14.346亿t,小浪底水库拦沙量为40.516亿t;2000—2003年、2004—2018年三门峡出库泥沙量分别为18.747亿、36.115亿t,小浪底出库泥沙量分别为2.159亿、12.187亿t,相应小浪底水库拦沙量分别为16.588亿、23.928亿t。小浪底出库相对于三门峡出库,汛期、非汛期水沙量均发生了改变,非汛期小浪底水库出库水量明显增加,非汛期小浪底水库年均出库水量为153.6亿m3,占全年水量的64.5%,其中6月份年均出库水量为37.4亿m3,占全年水量的15.7%,非汛期小浪底年均出库沙量为0.028亿t,占年均沙量的3.7%,其中6月份年均出库沙量为0.026亿t,占年均沙量的3.4%;三门峡非汛期年均出库水量为114.9亿m3,占全年水量的51.3%,其中6月份年均出库水量为14.3亿m3,占全年水量的6.4%,非汛期三门峡年均出库沙量为0.188亿t,占年均沙量的6.5%,其中6月份年均出库沙量为0.179亿t,占年均沙量的6.2%。

表22000—2018年三门峡、小浪底站年均水沙量

三门峡、小浪底站不同流量级出现天数统计见表3。小浪底水库下泄流量过程变化的基本特点:大于2500m3/s中水流量出现的天数有所增加,出库流量为2500～3000m3/s的天数为101d,大于3000m3/s的天数为143d,相对于三门峡站分别增加15d和64d。

表3三门峡、小浪底站不同流量级出现天数

小浪底水库蓄水拦沙期进入黄河下游河道水沙条件发生显著变化,主要体现在以下几个方面:①进入下游含沙量急剧减小,且悬沙组成明显变细,年均含沙量约为3.2kg/m3;②水沙年内分配比例发生改变,非汛期水量增加,由三门峡站的51.3%增至小浪底站的64.5%;③小浪底水库调控水沙使得流量过程发生改变,中水流量持续时间增长。利用水库调水调沙可以提高河道输沙能力,改善泥沙淤积部位。

2、冲淤量时空分布

2.1小浪底库区

小浪底水库蓄水运用后(1999年10月至2018年10月),小浪底库区干支流共计淤积泥沙34.339亿m3(按水库泥沙干容重1.2t/m3折合为41.207亿t,与该时段库区沙量平衡计算成果40.516亿t接近),见表4。其中大坝—黄河20、黄河20—黄河38、黄河38—黄河56的淤积量分别为20.872亿、12.162亿和1.894亿m3,占库区冲淤量的59.8%、34.8%和5.4%[8];拦沙初期和拦沙中期库区淤积泥沙分别为12.607亿、22.732亿m3,分别占2000—2018年库区总淤积量的35.7%和64.3%。

表42000—2018年小浪底库区冲淤量

2.2黄河下游

根据黄河下游断面测量成果[8,9],2000—2018年黄河下游利津以上河段全断面累计冲刷量为21.015亿m3,冲淤量时空分布见表5。2003年河道冲刷量最大,为2.621亿m3。冲刷量主要集中在夹河滩以上河段,占下游冲刷量的57.0%,冲刷强度自上而下逐渐减弱,夹河滩以上河段平均冲刷强度为569万m3/km,孙口至利津段平均冲刷强度为108万m3/km。小浪底水库拦沙期黄河下游河道冲刷是水库拦沙和流量过程发生改变两方面因素造成的,其中水库拦沙是造成下游河道持续冲刷的主要原因。

表52000—2018年黄河下游断面法冲淤量时空分布

3、河道冲淤计算方法

根据修正输沙率成果[10],经分析建立了黄河下游河道冲淤量与来水来沙量的关系,据此计算分析小浪底水库蓄水拦沙运用对黄河下游河道的减淤效果。

三门峡水库“蓄清排浑”控制运用和目前小浪底水库的拦沙运用,很大程度上改变了进入下游的水沙过程,95%以上的泥沙集中于汛期排入下游河道。非汛期进入下游河道的含沙量很小,根据1973—1999年三门峡水库“蓄清排浑”来水来沙量及相应的河道冲淤量,建立非汛期冲淤量与水沙量的拟合关系:

式中:Cs为月冲淤量,亿t;Ws为月来沙量,亿t;W为月水量,亿m3。

2000—2018年为小浪底水库拦沙期,下游河道除非汛期含沙量很小外,汛期来沙也很少,其冲淤计算可按月进行计算。根据非汛期月来水来沙量及相应河道冲淤量,点绘下游河道月冲淤量与来水来沙量的关系[11],如图1所示,并分段进行回归拟合:

式中:Cs为月冲淤量,亿t;Ws为月来沙量,亿t;W为月水量,亿m3。

图1非汛期月冲淤量与水沙量的关系

无小浪底水库情况下,非汛期进入下游河道的仍为清水,汛期则为浑水,其汛期冲淤计算可采用文献成果[11],冲淤量与水沙因子间关系式为

Csx=0.827Wsx/exp(P*)-0.00328W1.3x+0.99(3)

式中:Csx为汛期冲淤量,亿t;Wsx为汛期来沙量,亿t;P*为悬沙粒径小于0.025mm的泥沙权重,多年平均取值约为0.5;Wx为汛期水量,亿m3。

4、有无小浪水库下游河道冲淤计算

4.1有小浪底水库下游河道冲淤计算

进口来水来沙采用小浪底、黑石关和武陟3站(简称小、黑、武3站)水沙之和,非汛期冲淤量由相应的水沙量按式(1)计算,汛期冲淤量根据月水量和来沙量大小按式(2)逐月计算,2000—2018年计算成果见表6。小、黑、武3站年均水沙量合计值分别为260.0亿m3和0.766亿t,其中汛期年均水沙量分别为97.0亿m3和0.738亿t,汛期水沙量分别占年水沙量的37.3%和96.4%。下游河道年均冲淤量为-1.470亿t,其中汛期和非汛期年均冲淤量分别为-0.272亿、-1.198亿t,各占年均冲淤量的18.5%和81.5%。2000—2018年黄河下游累计冲淤量为-27.933亿t,冲刷主要集中于非汛期,非汛期总冲淤量为-22.762亿t。其中2000—2003年、2004—2018年黄河下游总冲淤量分别为-3.062亿、-24.871亿t。

4.2无小浪底水库下游河道冲淤计算

直接用三门峡出库水沙条件代替小浪底出库水沙条件,进口来水来沙量采用三门峡、黑石关和武陟3站(简称三、黑、武3站)水沙量之和,非汛期冲淤量由相应的水沙量按式(1)计算,汛期根据月水量和来沙量大小按式(3)计算,2000—2018年计算成果见表7。三、黑、武3站年均水沙量合计值分别为245.8亿m3和2.898亿t,其中汛期年均水沙量分别为121.5亿m3和2.710亿t,汛期水沙量占年水沙量的49.5%和93.5%。下游河道年均冲淤量为0.083亿t,其中汛期和非汛期年均冲淤量分别为0.588亿、-0.504亿t,汛期淤积、非汛期冲刷,2000—2018年黄河下游累计冲淤量为1.582亿t,长时期内河道处于微淤状态。其中2000—2003年、2004—2018年黄河下游冲淤量分别为7.128亿、-5.546亿t。

表62000—2018年黄河下游河道冲淤量计算结果(有小浪底水库)

表72000—2018年黄河下游河道冲淤量计算结果(无小浪底水库)

2000—2003年小浪底水库拦沙量为16.588亿t。经计算有小浪底水库情况下黄河下游冲刷3.062亿t,无小浪底水库情况下黄河下游淤积7.128亿t,有小浪底水库与无小浪底水库相比,下游河道少淤10.190亿t,水库拦沙量与下游河道减淤量之比为1.628∶1。

2004—2018年小浪底水库拦沙量为23.928亿t。有小浪底水库情况下黄河下游冲刷24.871亿t,无小浪底水库情况下黄河下游冲刷5.546亿t,有小浪底水库与无小浪底水库相比,下游河道少淤19.325亿t,水库拦沙量与下游河道减淤量之比为1.238∶1。

2000—2018年三门峡出库泥沙量为54.862亿t,小浪底出库泥沙量为14.346亿t,按沙量平衡法计算,小浪底水库拦沙总量为40.516亿t。有小浪底水库和无小浪底水库,分别按小、黑、武3站和三、黑、武3站作为进入黄河下游的控制站进行方案对比计算,经计算,有小浪底水库情况下黄河下游累计冲刷泥沙27.933亿t,无小浪底水库情况下黄河下游累计淤积泥沙1.582亿t。有小浪底水库与无小浪底水库相比较,下游河道少淤29.515亿t,水库拦沙量与下游河道减淤量的比值为1.373∶1。

5、结论

(1)小浪底水库运用以来,下游河道累计冲刷21.015亿m3,黄河下游河道持续冲刷,冲刷主要集中在夹河滩以上河段,占全下游冲刷量的57.0%,夹河滩以上冲刷强度为569万m3/km,孙口至利津段冲刷强度为108万m3/km,冲刷强度自上而下逐渐减弱,总体看河道仍以冲刷为主,冲刷重心有向夹河滩以下延伸发展的趋势。

(2)小浪底水库蓄水拦沙期进入黄河下游河道的水沙条件发生显著变化,含沙量急剧降低,中水流量持续时间增长,水库调水调沙可以提高河道输沙能力,改善泥沙淤积部位。2000—2018年小浪底水库拦沙总量为40.516亿t,在拦蓄大量泥沙的同时也改变了进入下游的水沙量年内分配及流量过程,小浪底水库出库相对于三门峡出库,非汛期水量明显增加,非汛期小浪底年均出库水量为153.6亿m3,占年均水量的64.5%,其中6月份出库水量为37.4亿m3,占年均水量的15.7%。小浪底大于2500m3/s中水流量历时有所增加,2500～3000m3/s出库流量出现的天数为101d,大于3000m3/s出现的天数为143d,相对于三门峡分别增加了15d和64d。

(3)小浪底水库拦沙期黄河下游河道冲刷是水库拦沙和流量过程发生改变两方面因素造成的,其中水库拦沙是造成下游河道持续冲刷的主要原因。水库运用对黄河下游河道的减淤效果取决于水沙条件、水库拦沙量和泥沙粗细程度及水库的运用方式,同时也与下游河道主槽的冲淤状况有关。2000—2018年三门峡出库泥沙总量为54.862亿t,小浪底出库泥沙量为14.346亿t,小浪底水库拦沙量40.516亿t。经对比计算,有小浪底水库情况下黄河下游累计冲刷泥沙27.933亿t,无小浪底情况下黄河下游累计淤积泥沙1.582亿t。有小浪底水库与无小浪底水库比较,下游河道少淤29.515亿t,水库拦沙量与下游河道减淤量的比值为1.373∶1。

下游河道减淤作用除与水库拦沙量有关外,还与入库水沙条件、水沙调控、河道边界等因素有关。拦沙减淤比可以为水库提供一个长时期运用评价指标,但对于一些特殊情况,如水库泄水量较大或者调水调沙年份,拦沙减淤比计算值就会失真。

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基金:国家重点研发计划项目(2017YFC0405505).