基于空间尺度的黄河调水调沙.doc

基于空间尺度的黄河调水调沙　　摘要：黄河下游河道之所以发生严重淤积，主要是因为进入下游河道的天然水沙关系不协调所谓调水调沙，就是按照黄河下游河道冲淤规律，通过人工干预把进入黄河下游河道的不协调的水沙关系塑造为相协调的水沙关系，从而到达使下游河道减淤或冲刷的目的　　关键词：空间尺度黄河调水调沙　　黄河下游河道之所以发生严重淤积，主要是因为进入下游河道的天然水沙关系不协调所谓调水调沙，就是按照黄河下游河道冲淤规律，通过人工干预把进入黄河下游河道的不协调的水沙关系塑造为相协调的水沙关系，从而到达使下游河道减淤或冲刷的目的　　何为协调的水沙关系呢？分析１９６０～１９９９年进入黄河下游河道的４２２场实测洪水资料，发现使下游河道不淤积的水沙关系为：　　Ｓ＝０．０３０８ＱＰ１．５５１４〔１〕　　式中，Ｓ为花园口站含沙量，单位为公斤每立方米；　　Ｑ为花园口站流量，单位为立方米每秒，Ｑ＜３０００立方米；　　Ｐ为细沙占全沙比例，范围为２０～９２％　　按施行的途径不同，黄河调水调沙可分为两种类型，一种是基于小浪底水库单库运行的调水调沙方式，另一种就是本文将要详述的基于空间尺度的调水调沙方式　　一、基于小浪底水库单库运行的黄河调水调沙　　过去研究黄河调水调沙，是基于小浪底水库单库运行的水沙调节，如２００２年７月４日至１５日进展的黄河首次调水调沙试验。

这种调水调沙方式是根据黄河下游河道输沙才能，充分发挥水库自身的调节功能，利用调节库容适时蓄存或泄放水沙，将天然的入库水沙过程调整为协调的出库水沙过程　　二、基于空间尺度的黄河调水调沙　　利用小浪底水库不同泄水孔洞组合塑造一定历时和大小的流量、含沙量及泥沙颗粒级配过程，加载于小浪底水库下游伊洛河、沁河的“清水〞之上，并使其在花园口站准确对接，形成花园口站协调的水沙关系，实现既排出小浪底水库的淤积泥沙，又使小浪底～花园口区间“清水〞不空载运行，同时使黄河下游河道不淤积的目的这就是基于空间尺度的黄河调水调沙　　施行基于空间尺度的黄河调水调沙要重点解决三大关键问题，一是确定小浪底水库不同泄水孔洞组合，二是小浪底～花园口区间洪水、泥沙的准确预报，三是准确对接〔黄河干流〕小浪底、〔伊洛河〕黑石关、〔沁河〕武陟三站在花园口站的水沙过程　　〔一〕小浪底水库不同泄水孔洞的出流水沙特性　　小浪底水库排泄水沙的孔洞有：３条排沙洞，３条孔板洞，３条明流洞，６条发电洞其中，明流洞一般是清水，发电洞下泄水流含沙量较低，一般不超过５０～６０公斤每立方米，排沙洞下泄水流含沙量较大，一般达３００～４００公斤每立方米，控制这些泄水孔洞的不同组合可塑造不同流量和含沙量的水沙过程。

　　〔二〕小浪底～花园口区间洪水的水沙统计　　小浪底～花园口区间的水沙主要来源于伊洛河和沁河，两者均为“清水〞河流据１９６０～１９９６年实测资料统计，沁河武陟站多年平均水量７．６８亿立方米〔汛期占７１％〕，沙量０．０３９亿吨〔汛期占９０％〕，汛期平均含沙量仅为６．４８公斤每立方米伊洛河黑石关站多年平均水量２６．２８亿立方米〔汛期占５７％〕，沙量０．０９２亿吨〔汛期占８４％〕，汛期平均含沙量仅为５．１１公斤每立方米　　小浪底～花园口区间的“清水〞演进至花园口站时水流能量明显过剩，水流含沙量远小于其挟沙才能，致使黄河下游河道发生冲刷根据１９６０～１９９６年该区间发生超过１０００立方米每秒〔日平均流量〕的洪水资料，分别统计沙偏多情况〔Ｓ／Ｑ＞０．０１１〕、水沙平衡情况〔Ｓ／Ｑ＝０．００９～０．０１１〕和沙少水多情况〔Ｓ／Ｑ＜０．００９〕，结果是：演进到花园口站沙偏多情况占２２．１％，水沙平衡情况仅有８．７％，其余６９．２％属于沙少水多，为水流含沙量小于水流挟沙才能情况进一步分析１９６０～１９９６年小浪底～花园口区间的场次洪水，发现发生一定历时的较大洪水共有１０次，其中８次洪水的水流能量过剩，使黄河下游河道发生了冲刷。

　　〔三〕准确对接〔黄河干流〕小浪底、〔伊洛河〕黑石关、〔沁河〕武陟三站在花园口站的水沙过程　　根据小浪底～花园口区间黄河干流、伊洛河、沁河的水沙演进规律，实现伊洛河黑石关站流量过程传播至花园口站、沁河武陟站流量过程传播至花园口站、小浪底～花园口区间干流产生的洪水传播至花园口站三局部洪水在花园口站的叠加，使之在花园口站形成一定历时的水沙过程，其流量、含沙量、泥沙颗粒级配满足下游河道输沙要求　　根据三门峡水库泥沙淤积规律，水库回水区域泥沙分选性落淤细泥沙沉积后，由于粘性的存在，形成“胶泥坎〞，致使水库降水冲刷时很难启动为防止小浪底浑水水库细泥沙在调控退水期落在河槽内固结，造成下次洪水冲刷效率降低，同时考虑小浪底水库调控初期出库含沙量大的特点〔坝前淤积面高程１８２．８米〕，以及沙峰和洪峰的合理搭配，花园口含沙量过程的对接应为前大后校　　详细对接按输沙量平衡原理并按公式〔２〕进展分析计算　　Ｓ＊＝〔Ｑ１×Ｓ１＋Ｑ２×Ｓ２〕／〔Ｑ１＋Ｑ２〕〔２〕　　式中，Ｓ＊为要求的花园口站调控含沙量；　　Ｑ１为预报的小浪底～花园口区间在花园口站的流量；　　Ｓ１为预报的小浪底～花园口区间在花园口站的含沙量；　　Ｑ２为要求的小浪底水库出库流量；　　Ｓ２为计算的小浪底水库出库含沙量；　　根据公式〔２〕求出Ｓ２，并按公式〔３〕进展修正。

　　Ｓ２采用＝Ｓ２－ｋ×Ｓ２〔３〕　　式中，ｋ为实测小浪底～花园口区间冲刷量与小浪底出库沙量之比；Ｓ２采用为最终采用的小浪底水库出库含沙量，并据此调控小浪底水库不同泄水孔洞组合　　三、基于空间尺度的黄河调水调沙实例　　２００３年９月６日至１８日，黄河水利委员会开展了基于空间尺度的黄河调水调沙试验　　〔一〕试验目的　　〔二〕试验条件　　根据预报，９月５日至６日，山陕区间局部、汾河、北洛河大部地区有小到中雨；泾渭河大部地区有中到大雨，渭河局部有暴雨；三门峡～花园口区间将普降小到中雨，伊洛河个别站有大雨预估潼关站将来６天〔９月５～１０日〕径流量约１０．５亿立方米，小浪底～花园口区间９月５～１０日径流量４．３亿立方米，假设考虑近期伊洛河流域的降雨还将增加径流量约１．０亿立方米　　２００３年汛前对黄河下游河道２００个大断面进展了统测，据此分析，黄河下游河道的主河槽过洪才能仍然较低，其中夹河滩～艾山河段局部断面〔共１１个〕的平滩流量在２０００立方米每秒左右，最小为史楼和雷口断面，平滩流量只有１８００立方米每秒根据实际过洪才能检验，２００３年９月１日始伊洛河发生洪水，最大洪峰２２２０立方米每秒，花园口站２７８０立方米每秒，下游没有出现漫滩现象。

　　〔１〕黄河干流小浪底水库　　小浪底水库后汛期汛限水位为２４８米９月５日８时小浪底水库蓄水位已达２４４．４３米，相应蓄量５３．７亿立方米，距２４８米相应蓄量仅差６．２亿立方米假设后期继续来水，蓄水位将超过２５０米小浪底水库泄水建筑物闸前淤积面高程在９月５日到达１８２．８米，接近施行防淤堵排沙运用的１８３米条件，坝前浑水层厚度达２２．２米，为粒径小于０．００６米的超细泥沙　　〔２〕黄河干流三门峡水库　　继续按敞泄方式运用，直至潼关站流量降至２０００立方米每秒左右，北村水位降至３０９米左右时按控制坝前水位不超过３０５米运用　　〔３〕黄河支流伊河陆浑水库　　因其属病险库，按敞泄方式运用，同时要考虑下游河道过流才能为１０００立方米每秒　　〔４〕黄河支流洛河故县水库　　水库在９月２１日以前可以短期超汛限水位５２７．３米运行，洪水过后尽快回降至汛限水位５２７．３米，同时考虑下游河道过流才能为１０００立方米每秒　　９月５日陆浑、故县水库已达汛限水位，小浪底水库距汛限水位２４８米相应蓄量仅差６．２亿立方米，为此小浪底水库需要防洪预泄，并结合预泄施行一次小浪底、陆浑、故县、三门峡四库水沙结合调度的调水调沙试验。

　　〔三〕试验调控指标　　根据黄河干支流水沙预报，三门峡、小浪底、陆浑、故县水库运行要求，下游河道边界及排洪平安和输沙减淤才能等因素，充分考虑小浪底～花园口区间“清水〞资源、小浪底水库泄水建筑物闸前淤堵和浑水层泥沙运动特点，确定花园口站对接的三项调控指标：流量、含沙量和历时　　〔１〕研究认为，在水流含沙量２０公斤每立方米情况下，使下游河道全程冲刷的临界流量为花园口断面２６００立方米每秒，这在２００２年７月４日～１５日黄河首次调水调沙试验中得到检验　　〔２〕小浪底坝前有２２．２米厚的超细泥沙浑水层，因泥沙颗粒极细，用小于２６００立方米每秒的流量即可将其输送入海　　〔３〕汛前下游河道局部河段的过洪才能只有２０００立方米每秒左右，但通过一嘲清水〞洪水冲刷及检验，河道过洪才能有一定程度增加　　综合上述因素，确定调控流量为２４００立方米每秒　　小浪底水库运用初期异重流排沙或浑水水库排沙一般较细，只要有一定的流量，就可以将较大含沙量的超细颗粒泥沙输送入海假设按公式〔１〕计算，花园口站泥沙颗粒级配取实际发生的１０次小浪底～花园口区间洪水的平均值，即细沙占全沙的比例为５７％，那么花园口站流量２４００立方米每秒可携带细沙占５７％的泥沙３１公斤每立方米。

据此，确定花园口站调控含沙量为３０公斤每立方米　　根据水沙预报及各个水库调控后满足一定水量、水位要求进展推算，调控历时约１２日　　〔四〕试验过程　　Ｑ小＝调控流量－Ｑ小花〔４〕　　式中，Ｑ小为小浪底水库出库流量；　　Ｑ小花为预报的小浪底～花园口区间无工程控制区的来水流量〔含故县、陆浑水库下泄流量〕在花园口站的流量　　陆浑水库出库流量当库水位到达３１８．５米时，按进出库平衡方式运用　　故县水库出库流量当库水位到达５３４．３米时，按进出库平衡方式运用　　三门峡水库出库流量按敞泄运用　　４．含沙量对接　　按前大后小的原那么对含沙量过程进展控制，前１／３时段控制花园口站６０公斤每立方米，中间１／３时段控制花园口站２０公斤每立方米，后１／３时段控制花园口站１０公斤每立方米　　〔五〕试验结果　　９月６日９时至１８日１８时３０分进展了三门峡、小浪底、陆浑、故县四库水沙结合调度为做到精细调度，根据水文滚动预报，向四库实时发出调度指令　　本次调水调沙试验过程，共向小浪底水利枢纽建管局发出调令３８份，向三门峡水利枢纽管理局发出调令３份，向故县水利枢纽管理局发出调令４份，向陆浑水库管理局发出调令４份　　调水调沙试验最终到达的调控指标为：花园口站平均流量２３９４立方米每秒，设计值为２４００立方米每秒，误差０．２５％；平均含沙量３１．１公斤每立方米，设计值为３０公斤每立方米，误差３．６７％；历时１２．４日，设计值为１２日。

　　按照上述控制，９月６日～１８日，小浪底水库入库水量２４．２７亿立方米，出库水量１８．２５亿立方米，小浪底水库净蓄水６．０２亿立方米，库水位由９月６日８时的２４６．１米升至９月１８日２０时的２４９．０７米　　〔１〕充分利用异重流排沙和浑水水库排沙的特点，到达了小浪底水库拦沙初期“拦粗排细〞，减缓库区淤积的目的小浪底出库沙量０．７４亿吨，排沙比高达１０７％，排出的泥沙颗粒较细，中值粒径约０．００５～０．００７米米至９月１７日小浪底水库浑水层全部泄出，泄水建筑物闸前淤积面高程由１８２．８米降低至１７９米　　〔２〕利用小浪底～花园口区间的洪水资源，将小浪底水库异重流或浑水水库排出的细泥沙输送入海，并且不增加下游河道淤积，进步了水流的输沙效率本次调水调沙试验利用２７．１９亿立方米的水量输送了１．２０７亿吨的沙量，输沙用水量为２２．５立方米每吨，较２００２年７月首次调水调沙试验输沙用水量３９立方米每吨明显降低　　〔３〕实现了下游河道的减淤。