魏向陽(yáng) 楊會(huì)穎 孔純勝
摘 要:截至2018年汛前,小浪底水庫(kù)已淤積泥沙33.3億m3,水庫(kù)綜合調(diào)控能力及其對(duì)下游灘區(qū)防洪保安能力逐步減弱。在保證下游主河槽過(guò)流能力條件下,小浪底水庫(kù)依據(jù)洪水預(yù)報(bào)降低水位排沙,對(duì)減少水庫(kù)淤積、延長(zhǎng)水庫(kù)攔沙年限具有重要意義。2018年和2019年汛前預(yù)報(bào)黃河汛期來(lái)水偏豐,小浪底水庫(kù)以控制花園口站流量不超過(guò)4 200 m3/s為約束,提前預(yù)泄,同時(shí)聯(lián)合調(diào)度上中游水庫(kù)群,充分利用上游來(lái)水沖刷小浪底庫(kù)區(qū),達(dá)到了排沙減淤、輸沙入海的效果。2019年、2018年汛期小浪底水庫(kù)出庫(kù)沙量分別為水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)汛期排沙量的第一、第二位,庫(kù)區(qū)淤積形態(tài)得到了調(diào)整改善,下游主槽過(guò)流能力得到維持并略有增大。小浪底水庫(kù)低水位排沙運(yùn)用調(diào)度是上中游水庫(kù)群聯(lián)合水沙調(diào)控模式的探索,為今后水庫(kù)群調(diào)度運(yùn)用積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞:低水位排沙;水沙調(diào)控;調(diào)度模式;小浪底水庫(kù);2018年;2019年
中圖分類號(hào):TV697.1;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2020.07.005
Abstract:By the end of the flood season in 2018, Xiaolangdi Reservoir had deposited 3.33 billion m3 of sediment. The comprehensive regulation and control capacity of the reservoir and its flood control and security capacity for the downstream beach area were gradually weakened. Therefore, under the condition of ensuring the flow capacity of the main channel in the downstream, Xiaolangdi Reservoir reduces the water level for sediment discharge according to flood forecast, which is of great significance to reduce the reservoir sedimentation and extend the sediment retention period of the reservoir. In 2018 and 2019, it was predicted that the Yellow River would be flooded during the flood season. The Xiaolangdi Reservoir was restricted by controlling the flow of Huayuankou Station not to exceed 4 200 m3/s and discharged ahead of time. At the same time, the reservoir group of the upper and middle reaches was jointly operated to make full use of the water from the upstream to wash the Xiaolangdi Reservoir area, achieving the effect of sediment discharge and sediment reduction and sediment transport into the sea. In the flood season of 2019 and 2018, the sediment discharge of the Xiaolangdi Reservoir was the first and second in the flood season since the reservoir was put into operation. At the same time, the siltation form of the reservoir area had been adjusted and improved and the downstream main channel flow capacity had been maintained and slightly increased. The operation of low-water-level sediment discharge of the reservoir was an exploration of the combined water and sediment regulation mode of the reservoir group of the upper and middle reaches, which had accumulated valuable experience for the future operation of the reservoir group.
Key words: sediment discharge at low water level; water and sediment regulation; scheduling mode; Xiaolangdi Reservoir; 2018; 2019
小浪底水庫(kù)的開(kāi)發(fā)任務(wù)是以防洪減淤為主,兼顧供水、灌溉、發(fā)電。截至2018年汛前,小浪底庫(kù)區(qū)已淤積泥沙33.3億m3,處于攔沙后期第一階段(淤積量為22.0億~42.0億m3),三角洲頂點(diǎn)高程為222.36 m。當(dāng)前,黃河下游灘區(qū)189萬(wàn)人經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與黃河防洪安全協(xié)調(diào)矛盾突出,在不影響小浪底水庫(kù)長(zhǎng)期有效庫(kù)容和防御大洪水安全的前提下,利用小浪底水庫(kù)攔沙庫(kù)容調(diào)控洪水以控制下游河道不漫灘,是水庫(kù)調(diào)度面臨的現(xiàn)實(shí)需求。隨著泥沙淤積,水庫(kù)設(shè)計(jì)汛限水位254 m以下可用于中小洪水防洪的庫(kù)容逐步減小,對(duì)下游灘區(qū)的防洪保安能力相應(yīng)逐步減弱,水庫(kù)剩余攔沙庫(kù)容對(duì)于兼顧下游灘區(qū)防洪十分珍貴,因此減緩小浪底水庫(kù)攔沙庫(kù)容淤損是當(dāng)前水庫(kù)防洪運(yùn)用需要考慮的重要問(wèn)題。
自小浪底水庫(kù)實(shí)施調(diào)水調(diào)沙以來(lái),全下游發(fā)生了明顯沖刷,主槽共沖刷21.5億m3。全下游河槽粗化明顯,水流輸沙能力大幅降低,卡口河段過(guò)流能力提高至4 200 m3/s。在當(dāng)前河道邊界條件下,如何充分利用已經(jīng)塑造的中水河槽實(shí)現(xiàn)水庫(kù)多排沙,盡可能多地輸沙入海,是對(duì)水庫(kù)調(diào)度運(yùn)用的新要求。
自1999年10月小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用到2018年汛前,黃河中下游共開(kāi)展了19次調(diào)水調(diào)沙,調(diào)水調(diào)沙、塑造異重流排沙出庫(kù)是水庫(kù)及下游河道排沙減淤的主要方式[1-4]。2018年、2019年汛期是黃河多年不遇的豐水年,洪水來(lái)源區(qū)主要集中在黃河上游,黃河水利委員會(huì)抓住上游來(lái)水的有利時(shí)機(jī),調(diào)度小浪底水庫(kù)提前預(yù)泄,降低庫(kù)水位,首次實(shí)施了低水位排沙運(yùn)用調(diào)度,進(jìn)一步完善了黃河水沙調(diào)控模式。
1 調(diào)度思路及方式
1.1 調(diào)度思路
根據(jù)黃河流域汛情和降雨來(lái)水預(yù)報(bào),結(jié)合中長(zhǎng)期天氣形勢(shì)預(yù)測(cè),以統(tǒng)籌兼顧、泄蓄兼籌、科學(xué)調(diào)度、全力防控、確保安全為原則,最大限度兼顧減輕河道防洪壓力、水庫(kù)河道減淤和洪水資源利用。
1.2 調(diào)度方式
三門(mén)峽水庫(kù)洪水期以敞泄排沙運(yùn)用為主,洪水后適時(shí)回蓄轉(zhuǎn)入正常防洪運(yùn)用。
小浪底水庫(kù)汛初盡可能降低庫(kù)水位,騰庫(kù)迎洪,排沙減淤;洪水期合理調(diào)控出庫(kù)流量,確保下游防洪安全,同時(shí)利用來(lái)水,兼顧水庫(kù)排沙減淤和下游河道減淤;洪水后先保持較低水位運(yùn)行,盡可能多排沙、多輸沙,并為應(yīng)對(duì)大洪水預(yù)留更多防洪庫(kù)容,后逐步抬高庫(kù)水位,控制8月20日前庫(kù)水位不超過(guò)汛限水位。后汛期,平水期水庫(kù)按不超過(guò)汛限水位248 m運(yùn)用;洪水期原則上按控制下游灘區(qū)不漫灘運(yùn)用。
2 調(diào)度過(guò)程
2.1 降雨情況
2018年、2019年汛期,黃河流域暴雨過(guò)程頻繁,強(qiáng)降雨落區(qū)重疊度高,極端性強(qiáng)。
2018年汛期,降雨主要集中在上中游的龍劉(龍羊峽至劉家峽)區(qū)間、劉蘭(劉家峽至蘭州)區(qū)間、蘭托(蘭州至托克托)區(qū)間和山陜區(qū)間北部。黃河源區(qū)雖雨強(qiáng)不突出,但持續(xù)時(shí)間明顯偏長(zhǎng)、降水總量較大;涇渭河、北洛河降雨主要集中在6—7月,6月下旬至7月中旬接連出現(xiàn)3場(chǎng)較大致洪降水過(guò)程;三花(三門(mén)峽至花園口)區(qū)間強(qiáng)降水過(guò)程偏少,汛期未發(fā)生大范圍致洪強(qiáng)降水;下游強(qiáng)降水主要是3次登陸臺(tái)風(fēng)直接影響造成的。
2019年汛期,降雨主要集中在黃河源區(qū)、山陜區(qū)間、涇渭河與北洛河。黃河源區(qū)降雨持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),降水總量大,是蘭州以上地區(qū)發(fā)生洪水的主因;山陜區(qū)間從7月下旬至8月上旬接連發(fā)生3次致洪強(qiáng)降水過(guò)程;涇渭洛河致洪降水主要發(fā)生在6月下旬至8月初,9月發(fā)生了第3號(hào)洪水過(guò)程;黃河下游主要受到臺(tái)風(fēng)“利奇馬”影響,出現(xiàn)一次致洪的強(qiáng)降水過(guò)程。
2.2 入庫(kù)水沙情況
2018年、2019年汛期潼關(guān)、三門(mén)峽站徑流量、輸沙量見(jiàn)表1。2018年汛期,黃河潼關(guān)站徑流量265.7億m3,較多年均值偏多48.1%,為1984年以來(lái)最大水量,列1959年有連續(xù)資料以來(lái)第10位;輸沙量3.42億t,較多年均值偏少55%。三門(mén)峽站徑流量241.5億m3,較多年均值偏多36.7%;輸沙量4.88億t,較多年均值偏少42.6%。2019年汛期(6—10月),黃河潼關(guān)站徑流量257.17億m3,輸沙量1.39億t;三門(mén)峽站徑流量279.84億m3,輸沙量5.40億t。
其中:2018年小浪底水庫(kù)低水位排沙運(yùn)行期間,7月3日至7月25日潼關(guān)站來(lái)水量49.31億m3,來(lái)沙量0.60億t;2019年低水位排沙運(yùn)行期間,7月1日至8月9日潼關(guān)站來(lái)水量87.42億m3,來(lái)沙量1.22億。兩年排沙調(diào)度期間潼關(guān)日均來(lái)水量均超過(guò)2億m3。
2.3 水庫(kù)調(diào)度過(guò)程
2.3.1 2018年低水位排沙調(diào)度
2018年7月,黃河上游發(fā)生了兩場(chǎng)編號(hào)洪水,中游發(fā)生了入汛以后最大洪水,為應(yīng)對(duì)黃河2018年第1、2號(hào)洪水及中游洪水,小浪底水庫(kù)提前預(yù)泄,實(shí)施騰庫(kù)迎洪,同時(shí)聯(lián)合調(diào)度上中游水庫(kù)群,并充分利用上游來(lái)水接力沖刷小浪底庫(kù)區(qū),形成異重流,根據(jù)不同來(lái)水來(lái)沙條件實(shí)施多種孔洞組合,以達(dá)到水庫(kù)、河道排沙減淤、輸沙入海的效果,取得了明顯成效。7月13日和7月25日,小浪底水庫(kù)兩次在沙峰時(shí)段將庫(kù)水位降低至212 m左右,最低庫(kù)水位為211.8 m(7月13日20時(shí)),小浪底最大出庫(kù)含沙量為369 kg/m3(7月14日10時(shí))。
圖1為2018年汛期小浪底水庫(kù)調(diào)度過(guò)程。具體調(diào)度過(guò)程如下:為應(yīng)對(duì)渭河洪水及上游來(lái)水,及早預(yù)泄,騰庫(kù)迎洪,同時(shí)穩(wěn)步適應(yīng)下游河道邊界條件,與西霞院水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度,于7月3日逐步加大下泄流量至3 800 m3/s,7月4日5時(shí)30分小浪底水庫(kù)異重流開(kāi)始排沙出庫(kù),之后含沙量逐步增大。因小浪底出庫(kù)含沙量較高,為預(yù)防高含沙洪水在下游河道增值過(guò)大,遂于7月4日22時(shí)壓減下泄流量至2 100 m3/s,保持3條排沙洞全開(kāi);根據(jù)下游河道高含沙洪水演進(jìn)情況,高含沙洪水增值在可控范圍內(nèi),于7月5日10時(shí)起加大下泄流量至2 600 m3/s,保持3條排沙洞全開(kāi)。隨著高含沙洪水向下游輸移,高含沙洪水增值保持在可控范圍,逐步增大下泄流量,7月6日至9日按3 000 m3/s左右下泄,開(kāi)啟1條孔板洞,保持2條或3條排沙洞全開(kāi),以加大清水泄流比例,加大下游河道輸沙動(dòng)力。為有效應(yīng)對(duì)渭河洪水,在大流量入庫(kù)前,繼續(xù)降低小浪底庫(kù)水位,以利于多排沙出庫(kù),7月11日開(kāi)始下泄流量由2 000 m3/s逐步加大至2 800 m3/s左右,開(kāi)啟1條孔板洞,保持2條或3條排沙洞全開(kāi),3~4臺(tái)機(jī)組發(fā)電泄流。
綜合考慮上游來(lái)水、水庫(kù)排沙及防洪需要,7月25日開(kāi)始逐步壓減下泄流量至1 000 m3/s,水位緩慢回升至230 m,2018年小浪底水庫(kù)低水位排沙運(yùn)用結(jié)束。
2.3.2 2019年低水位排沙調(diào)度
2019年小浪底水庫(kù)低水位泄洪排沙運(yùn)用具有水位低、排沙時(shí)間長(zhǎng)、含沙量高、排沙量大的特點(diǎn)??傆?jì)運(yùn)用時(shí)間約43 d,水位在210 m左右運(yùn)用約12 d,最低水位209.00 m(2019年7月26日23時(shí))。
圖2為2019年汛期小浪底水庫(kù)調(diào)度過(guò)程。2019年黃河汛期來(lái)得早,6月上游唐乃亥站發(fā)生了黃河第1號(hào)洪水。為應(yīng)對(duì)上游來(lái)水,同時(shí)保證7月1日降低庫(kù)水位至汛限水位,小浪底水庫(kù)及早預(yù)泄,騰庫(kù)迎洪,穩(wěn)步適應(yīng)下游河道邊界條件,與西霞院水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度,于6月21日起逐級(jí)加大下泄流量,7月1日庫(kù)水位降低至汛限水位235 m(前汛期)。
為應(yīng)對(duì)上中游來(lái)水及增強(qiáng)排沙效果,7月1日之后小浪底水庫(kù)繼續(xù)降低庫(kù)水位。7月1日至7月10日按4 000 m3/s左右控泄,至7月10日庫(kù)水位降至222.29 m。為避免洪峰增值,塑造有利的水流條件挾沙出庫(kù),7月10日至17日壓減下泄流量至2 800 m3/s左右控泄。小浪底出庫(kù)含沙量7月15日18時(shí)達(dá)到最大值264 kg/m3。7月20日庫(kù)水位降至210 m附近后,至8月1日,小浪底水庫(kù)按進(jìn)出庫(kù)平衡運(yùn)用,根據(jù)入庫(kù)流量及庫(kù)水位變化情況調(diào)整排沙洞、孔板洞與發(fā)電機(jī)組組合運(yùn)用。
自8月1日起,隨著入庫(kù)洪水消減,小浪底水庫(kù)逐級(jí)壓減下泄流量。為應(yīng)對(duì)中游洪水及九號(hào)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”可能帶來(lái)的影響,小浪底水庫(kù)再次實(shí)施降水位運(yùn)用,至8月9日庫(kù)水位降低至213 m附近。之后根據(jù)預(yù)報(bào)上游來(lái)水減少,8月9日18時(shí)小浪底水庫(kù)開(kāi)始回蓄運(yùn)用,降水位排沙階段結(jié)束。
3 調(diào)度效果
3.1 水庫(kù)排沙效果
2018年、2019年汛期小浪底水庫(kù)排沙效果顯著,2019年、2018年汛期小浪底水庫(kù)出庫(kù)沙量分別為水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)汛期排沙量的第一、第二位,2019年汛期小浪底庫(kù)區(qū)首次實(shí)現(xiàn)了凈沖刷,2018年汛期小浪底庫(kù)區(qū)微淤。
根據(jù)輸沙率法計(jì)算,2018年汛期小浪底水庫(kù)累計(jì)進(jìn)、出庫(kù)水量分別為241.5億、221.9億m3,進(jìn)、出庫(kù)沙量分別為4.88億、4.66億t,排沙比95%,水庫(kù)總體微淤,淤積0.22億t。其中,沖刷主要發(fā)生在7月,進(jìn)、出庫(kù)沙量分別為1.73億、4.15億t,沖刷量為2.42億t,排沙比為240%。出庫(kù)含沙量為歷年最大,小浪底水文站最大含沙量369 kg/m3。
2019年汛期(6—10月),小浪底水庫(kù)進(jìn)、出庫(kù)水量分別為251.90億、279.84億m3,進(jìn)、出庫(kù)沙量分別為2.80億、5.40億t,排沙比193%,沖刷2.60億t。出庫(kù)含沙量最大為264 kg/m3。其中,水庫(kù)沖刷主要集中在7月,進(jìn)、出庫(kù)沙量分別為1.38億、4.83億t,沖刷量為3.45億t,排沙比達(dá)到351%;6月28日—7月30日集中排沙期間,入庫(kù)總沙量為1.15億t,最大入庫(kù)含沙量為257 kg/m3,出庫(kù)總沙量為4.15億t,最大出庫(kù)含沙量為264 kg/m3,排沙比為361%,為小浪底水庫(kù)歷次排沙運(yùn)用排沙比最大的一次。
根據(jù)斷面法計(jì)算,2018年汛后與汛前相比,小浪底水庫(kù)淤積1.56億m3,其中干流0.58億m3、支流0.98億m3;2019年汛后與汛前相比,小浪底水庫(kù)沖刷1.59億m3,其中干流沖刷1.75億m3、支流淤積0.16億m3。
圖3為小浪底水庫(kù)2018年、2019年汛前汛后縱剖面套繪。可以看出,2018年汛期,庫(kù)區(qū)淤積三角洲頂點(diǎn)向壩前推進(jìn),由汛前的距壩16.39 km(高程222.36 m)變?yōu)檠春蟮木鄩?.74 km(高程213.87 m),向壩前推進(jìn)了8.65 km,三角洲頂點(diǎn)高程降低了8.49 m。2019年汛期洪水期間小浪底庫(kù)區(qū)三角洲洲面段發(fā)生了強(qiáng)烈沖刷,三角洲前坡段變化不大,三角洲頂點(diǎn)距壩里程維持汛前的距壩7.74 km,頂點(diǎn)高程由汛前的212.93 m降低為212.66 m,降低了0.27 m。
3.2 下游河道沖淤情況
汛期受小浪底水庫(kù)低水位排沙運(yùn)用的影響,小浪底以下河段沖淤變化明顯,淤積主要發(fā)生在花園口以上河段。經(jīng)過(guò)這兩年汛期持續(xù)大流量沖刷,下游河道最小平灘流量由2018年汛前的4 200 m3/s提高至2019年汛后的4 350 m3/s。
2018年汛期,小浪底至利津河段淤積泥沙1.64億t(輸沙率法計(jì)算,下同)。從沿程分布上來(lái)看(見(jiàn)圖4),淤積主要集中在花園口以上河段以及花園口—夾河灘河段,分別為1.33億t和0.43億t;高村—孫口以及濼口—利津也發(fā)生了少量淤積,淤積量分別為0.18億t和0.06億t;另外3個(gè)河段發(fā)生了沖刷,共沖刷0.36億t。汛期夾河灘、高村、艾山和濼口4個(gè)站斷面發(fā)生沖刷,和汛前相比,平灘高程下的斷面面積均有不同程度的增大,孫口和利津站平灘高程下的斷面面積變化不明顯。根據(jù)水文站、水位站同流量水位變化分析,汛期大部分河段的排洪能力沒(méi)有明顯降低,局部河段同流量水位抬升顯著,還需要根據(jù)河勢(shì)變化進(jìn)一步分析。
2019年汛期(6—10月),小浪底至利津河段共淤積2.68億t,淤積主要發(fā)生在花園口以上河段,共淤積2.31億t,其中:西霞院—花園口河段淤積1.03億t,花園口—夾河灘河段沖刷0.12億t,夾河灘—高村河段淤積0.29億t,高村—孫口河段淤積0.16億t,孫口—艾山河段沖刷0.10億t,艾山—濼口河段淤積0.24億t,濼口—利津河段沖刷0.09億t。根據(jù)水文站、水位站同流量水位變化分析,汛期逯村—神堤約40 km的河段同流量水位抬升了0.4~0.6 m,平灘流量減少了約1 300 m3/s,其他河段的平灘流量變化不大。截至2019年汛后,下游平灘流量最小河段在彭樓—艾山之間,最小平灘流量為4 350 m3/s。
3.3 后期蓄水情況
因上游來(lái)水充足,2018年、2019年小浪底水庫(kù)低水位排沙運(yùn)用后,均正?;匦钪裂聪匏?,實(shí)現(xiàn)了汛期洪水資源利用,為下游抗旱用水儲(chǔ)備了足夠水源。2018年汛末,小浪底水庫(kù)水位為258.47 m,相應(yīng)蓄量54.52億m3。2019年汛末,小浪底水庫(kù)水位為249.14 m,相應(yīng)蓄量35.03億m3。
4 結(jié)論與建議
(1)2018年、2019年汛期小浪底水庫(kù)低水位排沙減淤效果顯著。2018年小浪底進(jìn)、出庫(kù)沙量分別為4.88億、4.66億t,排沙比95%,水庫(kù)總體微淤;2019年進(jìn)、出庫(kù)沙量分別為2.80億、5.40億t,排沙比193%,水庫(kù)沖刷2.60億t。2019年、2018年汛期小浪底水庫(kù)出庫(kù)沙量分別為水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)汛期排沙量的第一、第二位,2019年汛期小浪底庫(kù)區(qū)首次實(shí)現(xiàn)了凈沖刷。低水位排沙運(yùn)用調(diào)度排沙效率高,是對(duì)水庫(kù)排沙減淤的有益探索。
(2)經(jīng)過(guò)連續(xù)兩年汛期的長(zhǎng)歷時(shí)、大流量沖刷,下游河道卡口河段過(guò)流能力進(jìn)一步提高。2018年、2019年汛期,小浪底至利津河段泥沙淤積量分別為1.64億、2.68億t,泥沙淤積主要發(fā)生在花園口以上河段,沒(méi)有對(duì)卡口河段平灘流量造成不利影響。經(jīng)過(guò)連續(xù)兩年汛期大流量、長(zhǎng)時(shí)間沖刷,卡口河段平灘流量由2018年汛前的4 200 m3/s增大到2019年汛后的4 350 m3/s。
(3)黃河水沙調(diào)控工程體系亟待完善。經(jīng)分析,2018年、2019年小浪底水庫(kù)低水位排沙調(diào)度期間,潼關(guān)站來(lái)水量分別為49.31億、89.42億m3,為小浪底水庫(kù)排沙提供了充足的動(dòng)能。當(dāng)前,黃河中下游水沙調(diào)控骨干工程僅有萬(wàn)家寨、三門(mén)峽水庫(kù)位于小浪底水庫(kù)上游,萬(wàn)家寨水庫(kù)距離遠(yuǎn),且汛限水位以下庫(kù)容僅2.7億m3,三門(mén)峽水庫(kù)汛限水位以下庫(kù)容僅0.5億m3,汛期與小浪底水庫(kù)聯(lián)合調(diào)控水沙能力非常有限。建議加快古賢水庫(kù)上馬步伐,完善黃河中游水沙調(diào)控工程體系。
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