摘 要：在當(dāng)前黃河來沙量減少、小浪底水庫累計(jì)淤積量增多以及下游河道沖刷效率下降的背景下，調(diào)水調(diào)沙初期制定的盡可能多塑造洪峰沖刷下游河道的策略需要調(diào)整，有必要對新情勢下黃河調(diào)水調(diào)沙策略進(jìn)行創(chuàng)新。根據(jù)不同需求，擬定維持現(xiàn)狀、長期保持水庫攔沙庫容、最大化利用水資源、根據(jù)水沙豐枯變化靈活運(yùn)用４ 種調(diào)水調(diào)沙策略，并制定相應(yīng)的小浪底水庫運(yùn)用方式。采用２０００年以來實(shí)測水沙系列循環(huán)３ 次作為計(jì)算條件，通過一維水沙動力學(xué)模型和基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的模糊優(yōu)選評價(jià)模型從減淤、興利、生態(tài)３ 個(gè)方面計(jì)算并評價(jià)了不同策略下小浪底水庫綜合利用效益，結(jié)果表明：根據(jù)水沙豐枯變化靈活運(yùn)用的策略最優(yōu)，與維持現(xiàn)狀策略相比，水庫淤積量減少１１％，發(fā)電量增加２％，不滿足下游供水天數(shù)減少５％，出庫含沙量大于８０ ｋｇ／ ｍ３ 天數(shù)減少６５％，減淤、興利、生態(tài)效益均有所提升。

關(guān)鍵詞：小浪底水庫；黃河下游；新情勢；調(diào)水調(diào)沙策略；水庫運(yùn)用方式

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１２．００７

引用格式：朱呈浩，劉強(qiáng)中，陳翠霞，等．新情勢下黃河小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙策略及效果評價(jià)［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１２）：４４－４８．

０ 引言

調(diào)水調(diào)沙的思想是指利用水庫對天然水沙過程的調(diào)節(jié)作用，塑造出相對協(xié)調(diào)的水沙過程進(jìn)入下游河道，從而達(dá)到充分發(fā)揮河道行洪輸沙能力、減少水庫及河道泥沙淤積、恢復(fù)并維持中水河槽的目的［１－３］ 。在上述思想的指導(dǎo)下，黃河調(diào)水調(diào)沙連續(xù)運(yùn)行２０ 余ａ，在水庫排沙、河道減淤、生態(tài)改善等方面發(fā)揮了重要作用［４－５］ 。雖然調(diào)水調(diào)沙成效顯著，但是進(jìn)入新時(shí)期以來，黃河來沙量銳減［６］ ，２０００—２０２１ 年潼關(guān)站年均來沙量（２．３６ 億ｔ）較１９６０—１９９９ 年（７．７９ 億ｔ）減少了７０％；同時(shí)隨著小浪底水庫不斷攔沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用，水庫累計(jì)淤積量已達(dá)３３．９２ 億ｍ３；此外，在下游河道持續(xù)沖刷后，河床不斷粗化，河道沖刷效率明顯下降，大流量清水期間利津站含沙量恢復(fù)值僅為５ ｋｇ／ ｍ３左右。在黃河來沙量減少、小浪底水庫累計(jì)淤積量增多以及下游河道沖刷效率下降的背景下，調(diào)水調(diào)沙初期制定的盡可能多塑造洪峰沖刷下游河道的策略已略顯單薄。因此，如何在新情勢下創(chuàng)新發(fā)展調(diào)水調(diào)沙策略，更充分地發(fā)揮水沙調(diào)控綜合效益是當(dāng)前值得深入探討和研究的問題。

對于上述問題，諸多學(xué)者開展了相關(guān)研究。陳建國等［７］ 認(rèn)為小浪底水庫在攔沙后期應(yīng)當(dāng)從傳統(tǒng)的“攔沙減淤”觀念向“調(diào)沙減淤”轉(zhuǎn)變，使水庫淤積減少；江恩慧等［８］ 提出要構(gòu)建中長期和場次洪水條件下多維功能協(xié)同共贏的黃河泥沙動態(tài)調(diào)控模式；胡春宏等［９］認(rèn)為新形勢下完善黃河水沙調(diào)控體系是黃河治理的首要策略；高興等［１０］ 認(rèn)為新時(shí)期要積極創(chuàng)新調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用模式。雖然以上研究成果能夠?yàn)檎{(diào)水調(diào)沙的未來發(fā)展提供一定指導(dǎo)依據(jù)，但是需要指出的是，上述研究所提出的指導(dǎo)建議多是宏觀層面的，并未給出明確的調(diào)水調(diào)沙策略和具體的水庫運(yùn)用方式，對于工程調(diào)度實(shí)踐的指導(dǎo)作用有限。

為提出能夠適應(yīng)新情勢的黃河調(diào)水調(diào)沙策略，并有效指導(dǎo)水庫工程的調(diào)度實(shí)踐，筆者以小浪底水庫為研究對象，結(jié)合當(dāng)前水庫及河道邊界條件變化情況，從不同的目標(biāo)出發(fā)提出不同的調(diào)水調(diào)沙策略，并制定相應(yīng)的水庫運(yùn)用方式。進(jìn)一步根據(jù)當(dāng)前水沙情勢變化，對未來水沙情景進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用一維水沙動力學(xué)模型計(jì)算水庫沖淤、發(fā)電、供水及下游河道沖淤量等，隨后采用評價(jià)模型比選出最優(yōu)策略。

１ 水庫及河道邊界條件變化

本次研究區(qū)域?yàn)辄S河中游小浪底水庫以及黃河下游河道，見圖１。小浪底水庫壩址位于黃河中游最后一個(gè)峽谷段的出口，上距三門峽水庫壩址１３０ ｋｍ，下距花園口水文站１２８ ｋｍ。黃河下游河道自鄭州桃花峪起，經(jīng)黃淮海平原，于山東省墾利縣注入渤海，全長７８６ ｋｍ。研究數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會水文局整編資料，具體包括流量、含沙量、水位等水文站觀測資料以及大斷面、顆粒級配等資料。

根據(jù)收集到的資料，截至２０２３ 年汛前，小浪底水庫累計(jì)淤積３４．５７ 億ｍ３，占設(shè)計(jì)攔沙庫容（７５．５ 億ｍ３）的４６％，水庫處于攔沙后期第一階段（水庫淤積量為２２ 億～４２ 億ｍ３），黃河下游河道累計(jì)沖刷２２．６６ 億ｍ３。小浪底水庫及黃河下游河道累計(jì)沖淤量變化過程如圖２ 所示。

隨著下游河道持續(xù)沖刷，下游河床中值粒徑明顯增大，由１９９９ 汛后的各河段普遍小于０．０５ ｍｍ 到２０２３年汛前的普遍大于０．１ ｍｍ（見圖３）。受河床粗化影響，調(diào)水調(diào)沙前期大流量清水下泄時(shí)，下游河道含沙量沿程恢復(fù)值逐年降低（見圖４），其中利津站含沙量恢復(fù)值由２００４ 年的１６ ｋｇ／ ｍ３減小至２０２２ 年的５ ｋｇ／ ｍ３左右，沖刷效率下降近７０％。

２ 調(diào)水調(diào)沙策略及水庫運(yùn)用方式擬定

２．１ 調(diào)水調(diào)沙策略

根據(jù)新情勢下黃河水沙調(diào)控需求，從不同的目標(biāo)出發(fā)，擬定４ 種調(diào)水調(diào)沙策略。策略一為維持現(xiàn)狀，以繼續(xù)沖刷和維持黃河下游河道主槽以及相機(jī)排沙為主要目標(biāo)，小浪底水庫在汛前或汛期水量條件滿足時(shí)即塑造大流量過程。策略二為長期保持水庫攔沙庫容，以盡可能延長水庫攔沙年限為主要目標(biāo)，小浪底水庫在汛期維持低水位運(yùn)用以多排沙，充分利用現(xiàn)行下游河道主槽行洪輸沙能力來輸沙入海。策略三為汛期維持汛限水位運(yùn)用，以水資源利用效益最大化為主要目標(biāo)，考慮到當(dāng)前黃河來沙量較少，且下游河道主槽過流能力已達(dá)４ ０００ ｍ３ ／ ｓ，小浪底水庫在汛期盡可能維持高水位運(yùn)用，減少排沙次數(shù)，也減少塑造大流量過程的次數(shù)。策略四為根據(jù)水沙豐枯變化靈活運(yùn)用，以在長水文周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)綜合效益最大化為主要目標(biāo)，考慮到黃河水沙年際變化較大，以長期水文預(yù)報(bào)成果為依據(jù)，在豐水年充分利用大流量過程讓小浪底水庫多排沙以及下游河道多輸沙，在枯水年小浪底水庫盡量抬高水位運(yùn)用以保障水資源利用效益。

２．２ 水庫運(yùn)用方式

在調(diào)水調(diào)沙策略的基礎(chǔ)上，制定相應(yīng)的水庫運(yùn)用方式。由于非汛期小浪底水庫以供水和發(fā)電為主，因此不同策略的運(yùn)用方式在該時(shí)段內(nèi)保持一致，差別主要體現(xiàn)在汛前的６ 月１５ 日—６ 月３０ 日和前汛期的７月１ 日—８ 月２０ 日。策略一，在汛前若水庫汛限水位以上蓄水量滿足一次調(diào)控花園口站流量大于２ ６００ ｍ３ ／ ｓ 歷時(shí)５ ｄ 的過程，則啟動汛前造峰調(diào)度；在汛期若水庫死水位以上蓄水量加預(yù)報(bào)未來５ ｄ 來水量滿足一次調(diào)控花園口站大流量過程，則啟動汛期造峰調(diào)度；同樣在汛期若當(dāng)日和次日入庫平均流量大于２ ６００ ｍ３ ／ ｓ，則啟動降水位排沙調(diào)度，在死水位以上預(yù)留０．２ 億ｍ３ 水量進(jìn)出庫平衡運(yùn)用。策略二，保留造峰、排沙調(diào)度，但是在當(dāng)日和次日入庫平均流量大于２ ０００ ｍ３ ／ ｓ 時(shí)就啟動降水位排沙調(diào)度，且在死水位以上不預(yù)留水量進(jìn)出庫平衡運(yùn)用。策略三，取消所有造峰、排沙調(diào)度，水庫僅在汛期維持汛限水位運(yùn)用。策略四，在豐水年（汛期來水量較多年均值偏多３０％）保留造峰、排沙調(diào)度，同樣在當(dāng)日和次日入庫平均流量大于２ ０００ ｍ３ ／ ｓ 時(shí)啟動降水位排沙調(diào)度，在死水位以上不預(yù)留水量進(jìn)出庫平衡運(yùn)用；在平水年（汛期來水量為多年均值的７０％ ～１３０％）保留造峰、排沙調(diào)度，在當(dāng)日和次日入庫平均流量大于２ ６００ ｍ３ ／ ｓ 時(shí)啟動降水位排沙調(diào)度，在死水位以上預(yù)留０．２ 億ｍ３ 水量進(jìn)出庫平衡運(yùn)用；在枯水年（汛期來水量較多年均值偏少３０％）取消所有造峰、排沙調(diào)度，水庫在汛期盡量維持高水位運(yùn)用。具體運(yùn)用方式見表１。

３ 計(jì)算結(jié)果與評價(jià)

３．１ 計(jì)算條件

在計(jì)算不同調(diào)水調(diào)沙策略的效果之前，需要設(shè)定未來黃河水沙情景?？紤]到黃河水沙變化是一個(gè)復(fù)雜的問題，當(dāng)前對黃河來沙量并未形成共識，本研究為了使提出的策略能夠適應(yīng)當(dāng)前水沙情勢，不再對未來黃河水沙變化趨勢進(jìn)行預(yù)測，僅采用２０００—２０２０ 年實(shí)測水沙系列循環(huán)３ 次組成６３ ａ 的計(jì)算水沙系列，特征值見表２。

采用黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司自主研發(fā)的ＲＳＳ 一維水沙動力學(xué)模型對小浪底水庫出庫流量、含沙量、水位、蓄水量、沖淤量、發(fā)電量以及下游河道沖淤量、最小平灘流量等變化過程進(jìn)行模擬，該模型在黃河流域應(yīng)用廣泛，計(jì)算準(zhǔn)確性已經(jīng)得到多次驗(yàn)證，計(jì)算原理見文獻(xiàn)［１１－１２］。水庫及河道邊界條件采用２０２３年汛前實(shí)測地形。計(jì)算的流程：首先是潼關(guān)站水沙過程對三門峽水庫的沖淤，結(jié)果作為小浪底水庫入庫水沙條件；然后是小浪底水庫沖淤，附加黑石關(guān)、武陟站水沙過程，作為進(jìn)入黃河下游的水沙條件；最后進(jìn)行黃河下游河道的沖淤計(jì)算。

３．２ 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)水沙模型計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)系列年小浪底水庫累計(jì)沖淤量、下游河道累計(jì)沖淤量和最小平灘流量變化過程以及小浪底水庫累計(jì)發(fā)電量、出庫含沙量大于８０ ｋｇ／ ｍ３天數(shù)和不滿足下游供水天數(shù)，結(jié)果見圖５ 和表３。

對于小浪底水庫累計(jì)沖淤量，數(shù)值越大表示庫區(qū)泥沙淤積越多，不同策略的計(jì)算值在４９．６８ 億～７８．９９億ｍ３之間，策略二最小，策略三最大。對于下游河道累計(jì)沖淤量，數(shù)值越大表示河道內(nèi)泥沙淤積越多，不同策略的計(jì)算值在－１０．８６ 億～ －２．３３ 億ｍ３ 之間，策略四最小，策略三最大。對于下游河道最小平灘流量，數(shù)值越大表示主槽過流能力越強(qiáng)，不同策略的計(jì)算值在４ ９１７～５ ３０９ ｍ３ ／ ｓ之間，策略四最大，策略三最小。對于小浪底水庫累計(jì)發(fā)電量，數(shù)值越大表示經(jīng)濟(jì)效益越好，策略三最大，策略二最小。對于不滿足下游供水天數(shù)，數(shù)值越大表示對經(jīng)濟(jì)社會負(fù)面影響越大，不同策略的計(jì)算值在２８～１３９ ｄ 之間，策略三最小，策略二最大。對于出庫含沙量大于８０ ｋｇ／ ｍ３天數(shù)，數(shù)值越大表示對河道內(nèi)水生生物負(fù)面影響越大，不同策略的計(jì)算值在９４～１６４ ｄ 之間，策略三最小，策略二最大。

３．３ 綜合評價(jià)

進(jìn)一步采用基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的模糊優(yōu)選評價(jià)模型對４ 種調(diào)水調(diào)沙策略進(jìn)行評價(jià)，模型原理及計(jì)算流程見文獻(xiàn)［１３］，本文不再贅述。評價(jià)指標(biāo)為水沙模型計(jì)算的６ 個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，６ 個(gè)指標(biāo)涵蓋了減淤、興利、生態(tài)３ 個(gè)方面，其中：水庫累計(jì)沖淤量、下游河道累計(jì)沖淤量、不滿足下游供水天數(shù)、出庫含沙量大于８０ ｋｇ／ ｍ３天數(shù)為成本型指標(biāo)，數(shù)值越小越好；水庫累計(jì)發(fā)電量、下游河道最小平灘流量為效益型指標(biāo)，數(shù)值越大越好。評價(jià)指標(biāo)基本情況見表４。

評價(jià)模型驗(yàn)證及計(jì)算結(jié)果見表５。由表５ 可知，５個(gè)訓(xùn)練樣本的驗(yàn)證效果較好。經(jīng)訓(xùn)練后，４ 個(gè)調(diào)水調(diào)沙策略的綜合評價(jià)值分別為０．４０５ ６３、０．３５６ ２６、０．５８３ ０１、０．９３９ ７３。由此可知，策略四，即根據(jù)黃河水沙豐枯變化靈活調(diào)整小浪底水庫運(yùn)用方式的調(diào)水調(diào)沙策略是最優(yōu)的。

３．４ 討論

黃河水沙具有年際變化大的特點(diǎn)，根據(jù)水沙豐枯變化情況靈活調(diào)整水庫運(yùn)用方式的調(diào)水調(diào)沙策略能夠與該自然特性很好地結(jié)合，在豐水年充分利用水量多、輸沙能力強(qiáng)、水資源充足的優(yōu)勢，在枯水年盡量規(guī)避水量少、輸沙能力弱、水資源不足的劣勢，從而充分發(fā)揮水沙調(diào)控綜合效益。相較于維持現(xiàn)狀的策略一，計(jì)算系列內(nèi)策略四的減淤、興利、生態(tài)效益均有所提升，可以在不淤積下游河道的前提下，減少小浪底水庫淤積量８．１８ 億ｍ３，減少１１％；提高水庫發(fā)電量７４ 億ｋＷ·ｈ，提高２％；減少不滿足下游供水天數(shù)５７ ｄ，減少６５％；減少出庫含沙量大于８０ ｋｇ／ ｍ３天數(shù)５ ｄ，減少５％。

對于策略二和策略三，都采用了相對極端的運(yùn)用方式，水庫綜合利用效益或在興利和生態(tài)方面，或在減淤方面有明顯短板。策略二追求多排沙，水庫在汛期大部分時(shí)間保持低水位運(yùn)用，很難充分利用水資源，雖然水庫累計(jì)淤積量少，但對發(fā)電、供水和生態(tài)的負(fù)面影響很大。策略三追求多興利，水庫在汛期基本維持汛限水位運(yùn)用，雖然充分發(fā)揮了經(jīng)濟(jì)效益，但是水庫淤積量較大，而且取消了造峰調(diào)度，致使下游河道最小平灘流量增幅較小。

４ 結(jié)論

１）當(dāng)前黃河來水來沙和水庫河道邊界條件發(fā)生了較大變化，黃河小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙策略存在優(yōu)化空間。

２）采用實(shí)測水沙系列作為計(jì)算條件，不同策略計(jì)算結(jié)果差異較大。小浪底水庫累計(jì)沖淤量為４９．６８ 億～７８．９９ 億ｍ３，下游河道累計(jì)沖淤量為－ １０． ８６ 億～－２．３３ 億ｍ３，下游河道最小平灘流量為４ ９１７ ～５ ３０９ ｍ３ ／ ｓ，小浪底水庫累計(jì)發(fā)電量為３ ０８２ 億～４ ２５２ 億ｋＷ·ｈ，出庫含沙量大于８０ ｋｇ／ ｍ３天數(shù)為９４～１６４ ｄ，不滿足下游供水天數(shù)為２８～１３９ ｄ。

３）根據(jù)水沙豐枯變化靈活運(yùn)用的調(diào)度策略相較于現(xiàn)狀策略，其減淤、興利、生態(tài)效益均有所提升，說明在多沙河流上水庫調(diào)水調(diào)沙策略和運(yùn)用方式的制定需要結(jié)合河流本身的自然特性，才能更好地發(fā)揮其綜合利用效益。

參考文獻(xiàn)：

［１］ 李國英．黃河調(diào)水調(diào)沙［Ｊ］．人民黃河，２００２，２４（１１）：１－４．

［２］ 李國英．基于水庫群聯(lián)合調(diào)度和人工擾動的黃河調(diào)水調(diào)沙［Ｊ］．水利學(xué)報(bào)，２００６，３７（１２）：１４３９－１４４６．

［３］ 安新代，石春先，余欣，等．水庫調(diào)水調(diào)沙回顧與展望：兼論小浪底水庫運(yùn)用方式研究［Ｊ］．泥沙研究，２００２，２７（５）：３６－４２．

［４］ 王婷，馬懷寶，王遠(yuǎn)見，等．小浪底水庫２０１８—２０２０ 年排沙運(yùn)用效果研究［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（２）：４７－５１．

［５］ 陳翠霞，安催花，羅秋實(shí)，等．黃河水沙調(diào)控現(xiàn)狀與效果［Ｊ］．泥沙研究，２０１９，４４（２）：６９－７４．

［６］ 劉曉燕．關(guān)于黃河水沙形勢及對策的思考［Ｊ］．人民黃河，２０２０，４２（９）：３４－４０．

［７］ 陳建國，周文浩，韓閃閃．黃河小浪底水庫攔沙后期運(yùn)用方式的思考與建議［Ｊ］．水利學(xué)報(bào)，２０１５，４６（５）：５７４－５８３．

［８］ 江恩慧，王遠(yuǎn)見，李軍華，等．黃河水庫群泥沙動態(tài)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究與展望［Ｊ］．人民黃河，２０１９，４１（５）：２８－３３．

［９］ 胡春宏，張雙虎，張曉明．新形勢下黃河水沙調(diào)控策略研究［Ｊ］．中國工程科學(xué)，２０２２，２４（１）：１２２－１３０．

［１０］ 高興，朱呈浩，劉俊秀，等．新時(shí)期黃河調(diào)水調(diào)沙思考與建議［Ｊ］．人民黃河，２０２３，４５（２）：４２－４６．

［１１］ 陳翠霞，盧嘉琪，吳默溪，等．基于下游河道中水河槽維持的小浪底水庫運(yùn)用方式研究［Ｊ］．人民黃河，２０２１，４３（１１）：３５－３９．

［１２］ 張金良，羅秋實(shí)，陳翠霞，等．黃河中下游水庫群－河道水沙聯(lián)合動態(tài)調(diào)控［Ｊ］．水科學(xué)進(jìn)展，２０２１，３２（５）：６４９－６５８．

［１３］ 張金良，魯俊，高興，等．增強(qiáng)小浪底調(diào)水調(diào)沙后續(xù)動力的三門峽水庫水位方案優(yōu)選［Ｊ］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，２０２１，３７（１５）：６０－６７．

【責(zé)任編輯 張 帥】

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（Ｕ２２４３２３７）；黃委優(yōu)秀人才科技項(xiàng)目（ＨＱＫ－２０２３１９）