王遠(yuǎn)見(jiàn)，王 婷，王 強(qiáng)

(1. 黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003;2. 水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003)

0 前 言

水利工程的修建深刻改變了下游的水沙過(guò)程，具體表現(xiàn)在徑流的年際間與年內(nèi)時(shí)間分配以及泥沙總量與泥沙級(jí)配的時(shí)空分配。研究水庫(kù)運(yùn)用對(duì)河流徑流、泥沙的調(diào)控效應(yīng)，深刻解析水庫(kù)運(yùn)用對(duì)生態(tài)環(huán)境演化[1-2]、河床演變[3]以及水文情勢(shì)變化[4-5]等影響對(duì)于流域健康發(fā)展具有重要意義。因此，為塑造協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，完善黃河水沙調(diào)控理論體系，須從不同維度揭示單個(gè)水庫(kù)及其組合對(duì)河道水沙的調(diào)控機(jī)制。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同流域水庫(kù)對(duì)水沙過(guò)程的影響研究較多，例如密西西比河、印度河、尼羅河[6]、長(zhǎng)江流域[7-9]以及黃河流域[10-13]，這些研究為水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度以及水沙情勢(shì)變化研究提供理論支撐。也有學(xué)者針對(duì)水沙過(guò)程對(duì)水庫(kù)的影響方面展開研究，例如水庫(kù)的水動(dòng)力過(guò)程[14]、淤積形態(tài)[15]、下游河道水質(zhì)[16]、流域碳循環(huán)[17]等。黃河流域因水少沙多，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)致使其水沙調(diào)控過(guò)程極為復(fù)雜[18-19]。從黃河流域骨干樞紐群的調(diào)度實(shí)踐看，單個(gè)水庫(kù)和水庫(kù)群體之間，對(duì)水沙過(guò)程的調(diào)控效應(yīng)既有共同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。本文以單個(gè)水利工程以及水利工程群組兩個(gè)維度分析黃河干支流骨干樞紐群對(duì)水沙過(guò)程的調(diào)控效應(yīng)，為黃河流域水沙調(diào)控提供技術(shù)支撐。

1 研究對(duì)象

本文選取黃河流域龍羊峽、劉家峽、三門峽以及小浪底水庫(kù)作為典型水庫(kù)進(jìn)行分析。其中，龍羊峽水庫(kù)[20]是一座具有多年調(diào)節(jié)性能的大型綜合利用樞紐工程，水庫(kù)設(shè)計(jì)蓄水位2 600.00 m，總庫(kù)容247億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容194億m3。小浪底水庫(kù)[20]是黃河干流上的一座多功能一體的大型綜合性水利工程，正常蓄水位275.00 m，庫(kù)容126.5億m3，淤沙庫(kù)容75.5億m3。劉家峽水庫(kù)[13]是黃河上游開發(fā)規(guī)劃中的第七個(gè)梯階電站，兼有發(fā)電、防洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運(yùn)、旅游等功能，正常蓄水位1 735.00 m，庫(kù)容57億m3。三門峽水庫(kù)[21]是黃河上的第一個(gè)大型水利樞紐工程，原設(shè)計(jì)正常蓄水位為360.00 m，總庫(kù)容為647億m3，目前采用“蓄清排渾”的方式運(yùn)行。本文在研究單個(gè)水利工程的水沙調(diào)控效應(yīng)時(shí)，主要以干支流關(guān)鍵水庫(kù)(龍羊峽、小浪底)作為研究對(duì)象，在研究水利工程群組時(shí)，主要考慮關(guān)鍵水庫(kù)和重要水庫(kù)的工程群組組合，即上游水利工程群組(龍羊峽-劉家峽)和中游水利工程群組(三門峽-小浪底)作為研究對(duì)象。

2 單個(gè)水利工程調(diào)控效應(yīng)

2.1 徑流調(diào)控效應(yīng)

2.1.1一般特性

對(duì)于多年調(diào)節(jié)水庫(kù)龍羊峽而言，水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用使年際間徑流變化更加均勻。圖1為龍羊峽水庫(kù)多年進(jìn)出庫(kù)水量對(duì)比。表1為龍羊峽水庫(kù)修建前后多年水量的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。龍羊峽水庫(kù)修建前，出庫(kù)貴德站的年均流量為219 m3/s，略高于唐乃亥站的212 m3/s，且兩站徑流量年際變化大，其標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)接近50 m3/s。1987年龍羊峽水庫(kù)投入運(yùn)用，盡管黃河進(jìn)入了枯水期(唐乃亥站年均水量下降到187 m3/s)，但龍羊峽水庫(kù)依然顯示出了巨大的調(diào)節(jié)作用，使得年際間出庫(kù)水量更加均勻，1987—2018年龍羊峽水庫(kù)的水量年時(shí)間序列數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差由入庫(kù)的49 m3/s下降到出庫(kù)站的37 m3/s。

圖1 龍羊峽水庫(kù)修建前后水量對(duì)比

表1 龍羊峽水庫(kù)修建前后水量參數(shù)對(duì)比

圖2為龍羊峽和小浪底水庫(kù)年內(nèi)逐月進(jìn)出庫(kù)流量過(guò)程。由圖可知，龍羊峽水庫(kù)在調(diào)節(jié)年際徑流量的同時(shí)，也調(diào)節(jié)水量的年內(nèi)分配。水庫(kù)運(yùn)用前，進(jìn)出庫(kù)過(guò)程極為接近，水庫(kù)運(yùn)用后，汛期流量削減、非汛期增加，年內(nèi)變幅減小(見(jiàn)圖2(a))。小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，多次在6—7月開展調(diào)水調(diào)沙，利用水庫(kù)調(diào)節(jié)庫(kù)容協(xié)調(diào)水沙關(guān)系，實(shí)現(xiàn)河道水庫(kù)不淤或少淤的設(shè)想。其本質(zhì)是采用小浪底水庫(kù)塑造較大流量過(guò)程實(shí)現(xiàn)排沙入海，在短期內(nèi)形成較大的人造洪峰，但年內(nèi)其他時(shí)段流量過(guò)程更加均勻(見(jiàn)圖2(b))。

圖2 1986—2018年龍羊峽與小浪底水庫(kù)運(yùn)用后進(jìn)出庫(kù)流量過(guò)程

2.1.2各級(jí)流量的頻率變化

龍羊峽上游分布有唐乃亥水文站，下游分布有貴德站，兩站間無(wú)支流匯入?yún)R出，因此水庫(kù)修建前，可認(rèn)為兩站的流量過(guò)程近似相等，小浪底水庫(kù)同樣如此。圖3分別統(tǒng)計(jì)了龍羊峽與小浪底水庫(kù)進(jìn)出站不同量級(jí)洪水出現(xiàn)頻率。由圖可知，龍羊峽與小浪底水庫(kù)修建后分別削減了3 000 m3/s與6 000 m3/s的洪峰。龍羊峽的出庫(kù)流量具體表現(xiàn)在小于1 000 m3/s的流量增加，大于1 000 m3/s的流量出現(xiàn)頻率減小，龍羊峽的出庫(kù)流量頻率向低流量過(guò)程單極化發(fā)展，而小浪底水庫(kù)出庫(kù)流量具體表現(xiàn)在小于2 000 m3/s流量出現(xiàn)的頻率增加，2 000～3 000 m3/s流量出現(xiàn)頻率減小，4 000～5 000 m3/s流量出現(xiàn)頻率增加，出庫(kù)流量頻率向兩極化方向發(fā)展。

圖3 龍羊峽和小浪底水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)各級(jí)流量出現(xiàn)頻率

2.2 泥沙調(diào)控效應(yīng)

2.2.1含沙量及級(jí)配變化

小浪底水庫(kù)運(yùn)用初期(2000—2006年)主要以蓄水?dāng)r沙運(yùn)用為主，出庫(kù)沙量急劇減少(見(jiàn)圖4(a))，年均入庫(kù)沙量為3.911億t，出庫(kù)為0.643億t，多年平均排沙比為16.4%。尤其是水庫(kù)運(yùn)用前2 a，2000—2001年分別排沙0.042億t和0.221億t。2002年以后，汛前或汛期利用洪水開展調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)或生產(chǎn)運(yùn)行，出庫(kù)沙量有所增加。2004年除調(diào)水調(diào)沙外，汛期高含沙水流集中入庫(kù)時(shí)還進(jìn)行了渾水水庫(kù)排沙，全年排沙1.487億t。由于水庫(kù)運(yùn)用初期以蓄水?dāng)r沙為主，經(jīng)過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)，粗沙幾乎被全部攔截，只有粒徑較細(xì)的中細(xì)沙才能被水流挾往下游，與入庫(kù)泥沙相比，出庫(kù)泥沙明顯細(xì)化。攔沙初期入庫(kù)泥沙中細(xì)沙、中沙、粗沙含量分別為44.6%、28.7%和26.7%，而出庫(kù)分別為84.3%、10.3%和5.4%(見(jiàn)圖4(b))，出庫(kù)細(xì)沙含量明顯大于入庫(kù)，而出庫(kù)中粗沙含量下降，發(fā)揮了水庫(kù)“攔粗排細(xì)”作用。

圖4 2000—2006年小浪底進(jìn)出庫(kù)沙量與進(jìn)出庫(kù)分組沙含量對(duì)比

小浪底水庫(kù)進(jìn)入攔沙后期第一階段后(2007年以來(lái))，前汛期遇上游來(lái)水較豐時(shí)，相機(jī)開展降低水位排沙運(yùn)用，增加汛期排沙機(jī)會(huì)，水庫(kù)排沙效果不斷提高(見(jiàn)圖5(a))。2007—2020年均入庫(kù)沙量為2.446億t，出庫(kù)沙量為1.375億t，多年平均排沙比為56.2%，但出庫(kù)沙量仍明顯少于入庫(kù)。盡管水庫(kù)排沙效果有所提高，但與攔沙初期相比，對(duì)泥沙級(jí)配調(diào)節(jié)幅度有所降低，“攔粗排細(xì)”的效果有所削弱。2007—2020年入庫(kù)泥沙中細(xì)沙、中沙和粗沙含量分別為52.3%、21.4%和26.3%，出庫(kù)泥沙中細(xì)沙、中沙和粗沙分別占56.1%、20.3%和23.7%，出庫(kù)泥沙中細(xì)沙含量略高于入庫(kù)，中沙和粗沙略低于入庫(kù)(見(jiàn)圖5(b))。

圖5 2007—2020年小浪底進(jìn)出庫(kù)沙量與進(jìn)出庫(kù)分組沙含量對(duì)比

2.2.2沙量年內(nèi)分配變化

以小浪底水庫(kù)為例，壩前水位下降期發(fā)生在6月下旬至7月上旬的汛前調(diào)水調(diào)沙期，水庫(kù)以降水位排沙為主。水庫(kù)在主汛期以防洪排沙為主，蓄水期根據(jù)調(diào)度規(guī)程蓄水抬升水位直至壩前水位穩(wěn)定在正常蓄水位。水庫(kù)排沙主要集中在前兩個(gè)階段，圖6(a)為小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)逐月平均進(jìn)出庫(kù)沙量，泥沙入庫(kù)出現(xiàn)在6月和整個(gè)汛期，而出庫(kù)主要集中在7—8月。水庫(kù)排沙主要集中在汛前調(diào)水調(diào)沙和汛期。水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)汛前調(diào)水調(diào)沙和汛期年均出庫(kù)沙量為0.153億t和0.785億t(見(jiàn)圖6(b))。

圖6 小浪底水庫(kù)年內(nèi)不同運(yùn)用時(shí)段與逐月進(jìn)出庫(kù)沙量對(duì)比

3 水利工程群組調(diào)控效應(yīng)

3.1 徑流調(diào)控效應(yīng)

圖7為龍羊峽-劉家峽水庫(kù)群進(jìn)出站流量年際變化，表2為不同階段進(jìn)出庫(kù)對(duì)應(yīng)的流量參數(shù)。由圖7可知，1968年龍-劉水庫(kù)建庫(kù)前，下游小川站年均來(lái)水量為333億m3，遠(yuǎn)大于上游唐乃亥站的240億m3。1968年劉家峽水庫(kù)建庫(kù)后蓄水，兩站的年均來(lái)水量差值縮小。龍-劉水利工程群組的修建，使得下游小川站的年均來(lái)水量由333億m3下降到了233億m3，下降幅度為30%。此外，龍-劉水庫(kù)群修建前、劉家峽水庫(kù)修建后、及龍-劉水庫(kù)群修建后小川站年均徑流量時(shí)間序列標(biāo)準(zhǔn)差分別為66、61、46億m3，相比于單一水庫(kù)，水庫(kù)群組使得下游河道年際間來(lái)水量更加均勻。

圖7 龍羊峽-劉家峽水庫(kù)群進(jìn)出站水量變化

3.2 泥沙調(diào)控效應(yīng)

本節(jié)以三門峽-小浪底水庫(kù)群為例，闡述水庫(kù)群組合對(duì)泥沙的調(diào)控效應(yīng)。

3.2.1含沙量及級(jí)配變化

三門峽和小浪底水庫(kù)對(duì)泥沙的聯(lián)合調(diào)控具有特殊性。小浪底水庫(kù)目前處于攔沙階段，兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用對(duì)上游來(lái)沙的調(diào)節(jié)仍以攔蓄為主。三門峽水庫(kù)目前屬于限制運(yùn)用階段，汛期會(huì)開展敞泄排沙。總體而言，兩座水庫(kù)聯(lián)合應(yīng)用，進(jìn)一步增大了水庫(kù)排沙比，但削弱了水庫(kù)“攔粗排細(xì)”的級(jí)配調(diào)整功能。

表2 龍羊峽-劉家峽水庫(kù)群運(yùn)用前后進(jìn)出庫(kù)站流量統(tǒng)計(jì)參數(shù)

小浪底水庫(kù)運(yùn)用初期，主要以蓄水?dāng)r沙運(yùn)用為主，出庫(kù)沙量急劇減少，而三門峽水庫(kù)采用蓄清排渾運(yùn)用，潼關(guān)流量大于1 500 m3/s時(shí)敞泄運(yùn)用，出庫(kù)沙量增加，兩級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)后仍以攔沙為主。2000—2006年潼關(guān)年均沙量3.780億t，三門峽出庫(kù)沙量為3.981億t，小浪底出庫(kù)沙量為0.632億t(見(jiàn)圖8(a))，三門峽水庫(kù)平均排沙比為105.3%，小浪底水庫(kù)為15.9%，三門峽、小浪底兩庫(kù)聯(lián)合排沙比為16.7%。

小浪底水庫(kù)進(jìn)入攔沙后期第一階段以來(lái)(2007年以來(lái))，前汛期上游來(lái)水相對(duì)較豐，小浪底水庫(kù)開展降低水位排沙運(yùn)用較多，而洪水期三門峽水庫(kù)敞泄運(yùn)用，三門峽和小浪底水庫(kù)排沙均明顯增加(見(jiàn)圖8(b))。2007—2020年潼關(guān)站沙量平均為1.791億t，三門峽出庫(kù)沙量為2.446億t，小浪底出庫(kù)沙量為1.375億t。三門峽水庫(kù)排沙比為136.6%，小浪底水庫(kù)多年平均排沙比56.2%，三門峽、小浪底兩庫(kù)聯(lián)合排沙比為76.8%。小浪底出庫(kù)沙量仍明顯少于入庫(kù)，且小于潼關(guān)站沙量，仍繼續(xù)攔沙。

圖8 2000—2006年與2007—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站沙量對(duì)比

小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，與三門峽水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用攔蓄上游來(lái)沙，同時(shí)調(diào)節(jié)著泥沙組成。2011—2019年潼關(guān)、三門峽和小浪底站分組沙量及含量如圖9所示。2011—2019年，潼關(guān)站年均沙量為1.713億t，小浪底站沙量為1.488億t，兩庫(kù)整體表現(xiàn)為淤積。從分組沙量來(lái)看，淤積全部為細(xì)沙，兩庫(kù)聯(lián)合細(xì)沙排沙比為68.2%，中沙基本沖淤平衡，排沙比為100.1%，粗沙發(fā)生沖刷，排沙比為150.2%。各站泥沙組成也進(jìn)行了調(diào)整，與潼關(guān)站相比，小浪底站細(xì)沙含量明顯減小，中、粗沙含量有所增加。2011—2019年，三門峽和小浪底兩庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用整體表現(xiàn)為攔蓄泥沙，并且攔蓄的全部為細(xì)沙，而中沙基本平衡，粗沙表現(xiàn)為少量沖刷。需要說(shuō)明的是，2007年之后，洪水期三門峽、小浪底水庫(kù)進(jìn)行過(guò)多次聯(lián)合排沙運(yùn)用，三門峽庫(kù)區(qū)沖刷劇烈，而沖刷主要發(fā)生在以中粗沙淤積為主的河槽，這也是造成出三門峽水庫(kù)出庫(kù)中粗沙增加的主要原因。

圖9 2011—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站年均沙量與分組沙含量對(duì)比

3.2.2沙量年內(nèi)分配變化

圖10和圖11分別表示小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)潼關(guān)、三門峽和小浪底站沙量年內(nèi)分配和沙量比例分配結(jié)果。潼關(guān)站全年均發(fā)生泥沙輸移，以汛期為主，而三門峽站基本集中在汛期，6月也有少量泥沙輸移，小浪底站更為集中，主要在7—8月。經(jīng)過(guò)兩級(jí)水庫(kù)調(diào)節(jié)，泥沙出庫(kù)更為集中，或者說(shuō)越處于下游的水庫(kù)含沙量年內(nèi)分配變化的程度越高，來(lái)沙集中與汛期大水期的特點(diǎn)越明顯。

圖10 2000—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站逐月沙量對(duì)比

圖11 2000—2020年潼關(guān)、三門峽和小浪底站逐月沙量 所占比例分布

4 結(jié) 論

(1) 在單庫(kù)徑流調(diào)控效應(yīng)方面，龍羊峽水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用使年際間徑流量變化更加均勻，在各級(jí)流量頻率變化方面，龍羊峽的出庫(kù)流量頻率向低流量過(guò)程單極化發(fā)展，小浪底的出庫(kù)流量頻率向兩極化方向發(fā)展。

(2) 在單庫(kù)泥沙調(diào)控效應(yīng)方面，小浪底水庫(kù)攔沙初期發(fā)揮了“攔粗排細(xì)”作用，而在攔沙后期第一階段，“攔粗排細(xì)”的效果有所削弱。水庫(kù)調(diào)節(jié)使沙量年內(nèi)分配與水量的匹配程度更高，也更加集中。

(3) 相比于單一水庫(kù)，水庫(kù)群組使得下游河道年際間來(lái)水量更加均勻，泥沙出庫(kù)更為集中。兩座水庫(kù)聯(lián)合應(yīng)用，進(jìn)一步增大了水庫(kù)排沙比，但削弱了水庫(kù)“攔粗排細(xì)”的級(jí)配調(diào)整功能，其主要是由于三門峽水庫(kù)汛期敞泄排沙造成了顯著的壩前沖刷，排出過(guò)去淤積的粗顆粒泥沙所致。