黃河中下游水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控

張金良,羅秋實(shí),陳翠霞,安催花

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

黃河水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào),導(dǎo)致下游河道泥沙淤積。利用黃河中下游干支流骨干水庫(kù)組成的洪水泥沙調(diào)控子體系協(xié)調(diào)水沙關(guān)系,是減輕下游河道淤積、保障黃河長(zhǎng)治久安、推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的重要措施[1]。開(kāi)展黃河中下游水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控研究,根據(jù)水庫(kù)和下游河道不同的沖淤狀態(tài),動(dòng)態(tài)優(yōu)化水庫(kù)運(yùn)行方式,充分發(fā)揮水庫(kù)群-河道聯(lián)合調(diào)控水沙的優(yōu)勢(shì)和潛力,對(duì)完善黃河水沙調(diào)控機(jī)制具有重要的意義。

黃河中下游水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合調(diào)控研究主要包括水庫(kù)群水沙時(shí)空對(duì)接模式、水沙調(diào)控指標(biāo)、水庫(kù)調(diào)度方式等,需要統(tǒng)籌考慮來(lái)水來(lái)沙條件變化、庫(kù)區(qū)和河道泥沙沖淤規(guī)律及狀態(tài)、水庫(kù)綜合利用效益等,是持續(xù)提升水沙調(diào)控體系運(yùn)行效果的關(guān)鍵和難點(diǎn)[2-4]。以往圍繞黃河中下游水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合調(diào)控開(kāi)展了諸多研究,如在水庫(kù)群水沙時(shí)空對(duì)接模式方面,創(chuàng)建了調(diào)水調(diào)沙3種基本模式和人工塑造異重流技術(shù)[5-8],開(kāi)展了古賢、三門峽和小浪底等骨干水沙調(diào)控工程聯(lián)合運(yùn)用等系列研究[9-11]；在水沙調(diào)控指標(biāo)方面[12-13],從協(xié)調(diào)下游河道水沙關(guān)系、減輕水庫(kù)和河道泥沙淤積、恢復(fù)中水河槽規(guī)模等[14-16]角度,利用多種方法研究確定了水沙調(diào)控的流量、歷時(shí)、水量和水位指標(biāo)[17]；在水庫(kù)調(diào)度方式方面,主要根據(jù)水庫(kù)的淤積狀態(tài)劃分水庫(kù)運(yùn)行階段,再確定不同運(yùn)行階段的調(diào)度方式[18]。以往研究成果應(yīng)用于黃河中游水庫(kù)群調(diào)度實(shí)踐,在黃河防洪減淤方面取得了很好的效果,小浪底水庫(kù)1999年投入運(yùn)用以來(lái),通過(guò)中游水庫(kù)群攔沙和調(diào)水調(diào)沙,截至2020年汛前,下游河道累計(jì)沖刷量為29.2億t,最小過(guò)洪能力由2002年汛前的1 800 m3/s恢復(fù)到5 000 m3/s,減輕了黃河下游防洪壓力。但是當(dāng)前中下游水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合調(diào)控研究,對(duì)下游河道沖淤狀態(tài)變化考慮不足,當(dāng)河道沖淤狀態(tài)變化較大時(shí),水庫(kù)仍采用相同的調(diào)控方式,無(wú)法充分發(fā)揮綜合利用效益。當(dāng)前黃河下游適宜的中水河槽規(guī)模已經(jīng)形成,同時(shí)伴隨著河床的粗化及沖刷效率的降低,下游河道減淤對(duì)水庫(kù)調(diào)度的要求應(yīng)由原來(lái)的“沖刷恢復(fù)河槽”轉(zhuǎn)向“水庫(kù)多排沙、下游河道多輸沙、維持適宜的中水河槽”,當(dāng)河道沖淤狀態(tài)發(fā)生較大變化時(shí),需要?jiǎng)討B(tài)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)控方式。此外,在水沙調(diào)控模擬技術(shù)方面,目前應(yīng)用的黃河流域水庫(kù)、河道和河口的水沙數(shù)學(xué)模型,均是單一模型[19-21],水庫(kù)水沙調(diào)控未能實(shí)時(shí)考慮下游河道及河口行洪輸沙需求,無(wú)法系統(tǒng)反映水庫(kù)調(diào)控與河道行洪輸沙之間的互饋關(guān)系,更無(wú)法回答水庫(kù)群調(diào)控作用下水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控效果。

本文以黃河中游水庫(kù)群和下游河道為研究對(duì)象,研究水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控方法,建立水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控互饋指標(biāo)和互饋模式,確立調(diào)控原則和調(diào)控方式,研發(fā)水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控模擬模型,分析黃河中下游現(xiàn)狀工程調(diào)控效果,為完善黃河水沙調(diào)控機(jī)制提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域

黃河干流全長(zhǎng)5 464 km,自河源至內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)為黃河上游,河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪為黃河中游,桃花峪以下至入?？跒辄S河下游。黃河中下游為黃河洪水泥沙的主要來(lái)源區(qū),本次研究區(qū)域?yàn)辄S河中下游,研究對(duì)象為三門峽、小浪底、陸渾、故縣及河口村等黃河現(xiàn)狀水沙調(diào)控工程和下游河道。黃河下游全長(zhǎng)786 km,由于泥沙淤積,現(xiàn)狀河床普遍高出兩岸地面4～6 m,部分河段達(dá)10 m以上,河道平均寬由上段(桃花峪至高村河段)的7.4 km減少到下段(高村以下河段)的2.7 km,平均比降由0.2‰降低到0.1‰。

圖1 研究區(qū)域概況Fig.1 Overview of the study area

1.2 水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控方法

1.2.1 聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控互饋指標(biāo)構(gòu)建

水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控首先需建立動(dòng)態(tài)調(diào)控互饋指標(biāo),反饋水庫(kù)群和河道的沖淤狀態(tài),然后根據(jù)沖淤狀態(tài)選擇適宜的調(diào)度方式(或調(diào)控指標(biāo))。黃河下游河道沖淤狀態(tài)指標(biāo)一般包括沖淤量指標(biāo)：總沖淤量、沖淤量空間分布(分河段、灘槽)、時(shí)間分布(年、汛期、非汛期)；河道形態(tài)指標(biāo)：平面形態(tài)(彎曲系數(shù))、縱剖面形態(tài)(河道比降)、橫斷面形態(tài)(斷面過(guò)水面積、過(guò)水寬度、水深)；行洪能力指標(biāo)：全斷面過(guò)流能力、最小平灘流量。

沖淤量指標(biāo)直接反應(yīng)河道的沖淤狀態(tài)。表1給出了黃河下游河道沖淤量統(tǒng)計(jì)表,可以看出:從沖淤量來(lái)看,黃河下游河道善沖善淤,年均沖淤量大,除水庫(kù)攔沙期和極端有利水沙條件下河道沖刷外,其他時(shí)段河道以淤積為主；從分河段沖淤來(lái)看,河段沖淤差異大,淤積時(shí)淤積主要發(fā)生在花園口—艾山河段,沖刷時(shí)沖刷主要發(fā)生在高村以上河段,高村至艾山河段泥沙易淤不易沖,也是黃河下游輸沙能力最小的卡口河段；從灘槽沖淤分布來(lái)看,不同時(shí)段灘槽沖淤差異大,且灘槽沖淤差異對(duì)平灘流量影響明顯,主槽淤積比大即主槽淤積量占全斷面總淤積量的比例大時(shí)平灘流量減小,主槽沖刷或淤積相對(duì)少時(shí)平灘流量增加。綜合考慮,選擇總沖淤量、高村至艾山河段沖淤量和主槽沖淤量作為河道沖淤狀態(tài)表征備選指標(biāo)。

表1 黃河下游河道沖淤量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of erosion and deposition of the lower reaches of the Yellow River

河道形態(tài)指標(biāo)主要反映泥沙沖淤對(duì)河道形態(tài)調(diào)整的影響。河道微觀尺度的沖淤變形受河道整治工程、水沙條件、局部河床邊界等多因素影響,異常復(fù)雜,目前的水庫(kù)群調(diào)控技術(shù)尚難以實(shí)現(xiàn)對(duì)河道形態(tài)指標(biāo)的精準(zhǔn)有效控制。因此,河道形態(tài)指標(biāo)不作為水庫(kù)群調(diào)度需要考慮的因素。

河道行洪能力指標(biāo)主要包括全斷面過(guò)流能力和最小平灘流量,反映泥沙淤積影響,是水庫(kù)群調(diào)度需要考慮的因素,可以作為下游河道沖淤狀態(tài)判別備選指標(biāo)。

對(duì)總沖淤量(或年均沖淤量)、全斷面過(guò)流能力2個(gè)備選指標(biāo),考慮全斷面過(guò)流能力和河道泥沙總沖淤量密切相關(guān),河道淤積一般都會(huì)導(dǎo)致河道過(guò)流能力減小,沖刷則會(huì)導(dǎo)致河道過(guò)流能力增大,為避免重復(fù)選擇,在兩者中選用總沖淤量作為表征指標(biāo)。對(duì)主槽沖淤量和最小平灘流量2個(gè)指標(biāo),黃河下游河道主槽沖淤量和最小平灘流量的年際變化相關(guān)性較好。鑒于最小平灘流量是評(píng)價(jià)河道行洪輸沙能力的主要指標(biāo),也是水庫(kù)群調(diào)度的重要參考指標(biāo),采用最小平灘流量作為主槽沖淤狀態(tài)表征指標(biāo)。根據(jù)上述分析,最終采用的河道沖淤狀態(tài)判別指標(biāo)包括總沖淤量(或年均沖淤量)、高村至艾山河段沖淤量及最小平灘流量。

水庫(kù)沖淤狀態(tài)表征指標(biāo)可采用水庫(kù)淤積量表示。三門峽水庫(kù)已基本沖淤平衡,可采用計(jì)算期內(nèi)的淤積量作為沖淤狀態(tài)反饋指標(biāo)；小浪底水庫(kù)可采用水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)的累計(jì)淤積量作為沖淤狀態(tài)反饋指標(biāo)。陸渾、故縣、河口村等支流水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題不嚴(yán)重,可以不反饋沖淤狀態(tài)指標(biāo)。

1.2.2 不同沖淤狀態(tài)下水庫(kù)群水沙調(diào)控原則

根據(jù)下游河道治理目標(biāo)和沖淤狀態(tài)不同,將下游河道劃分為沖刷狀態(tài)、平衡狀態(tài)和淤積狀態(tài),分析不同沖淤狀態(tài)下水沙調(diào)控需求,確定調(diào)度原則。當(dāng)黃河下游最小平灘流量Qbi>4 300 m3/s且河道繼續(xù)沖刷,說(shuō)明河道處于沖刷狀態(tài),為充分發(fā)揮中水河槽行洪輸沙能力,水沙調(diào)控應(yīng)該追求水庫(kù)多排沙、下游河道多輸沙,水庫(kù)應(yīng)采用較低的排沙水位,利用水庫(kù)群-河道聯(lián)合進(jìn)行泥沙的多年調(diào)節(jié)；當(dāng)3 700 m3/s≤Qbi≤4 300 m3/s,說(shuō)明河道處于平衡狀態(tài),水沙調(diào)控應(yīng)兼顧水庫(kù)河道減淤、維持河道中水河槽規(guī)模,水庫(kù)采用適宜的排沙水位,水庫(kù)排沙結(jié)束后,盡可能延長(zhǎng)出庫(kù)大流量過(guò)程,維持河道中水河槽規(guī)模；當(dāng)Qbi<3 700 m3/s,或淤積總量大,或高村至艾山河段淤積量大,說(shuō)明河道處于淤積狀態(tài),水沙調(diào)控應(yīng)以實(shí)現(xiàn)河道減淤、恢復(fù)中水河槽規(guī)模為目標(biāo),水庫(kù)多攔沙,塑造利于下游河道沖刷的大流量過(guò)程,沖刷恢復(fù)中水河槽規(guī)模。

1.2.3 水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控互饋模式

根據(jù)淤積狀態(tài)不同,小浪底水庫(kù)現(xiàn)狀運(yùn)行可劃分為攔沙初期、攔沙后期和正常運(yùn)行期,其中攔沙后期又分為3個(gè)階段。不同階段水庫(kù)都有相應(yīng)的運(yùn)行方式,例如當(dāng)前小浪底水庫(kù)已累計(jì)淤積泥沙32.8億m3,水庫(kù)運(yùn)行處于攔沙后期第一階段,根據(jù)本階段運(yùn)行方式水庫(kù)汛期按照防洪、攔沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)行,非汛期按照防斷流、灌溉、供水、發(fā)電要求進(jìn)行調(diào)節(jié),隨著水庫(kù)淤積逐步抬高汛限水位運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控,需要進(jìn)一步根據(jù)水庫(kù)河道沖淤狀態(tài)的不同,按照相應(yīng)的水沙調(diào)控原則,制定3種調(diào)控方式。考慮實(shí)際調(diào)度過(guò)程中,每年汛初、汛末都會(huì)對(duì)水庫(kù)河道的沖淤情況進(jìn)行統(tǒng)測(cè),并以此作為各類調(diào)度預(yù)案編制的依據(jù),為此水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控互饋模式應(yīng)首先在考慮水庫(kù)運(yùn)行階段互饋的基礎(chǔ)上,每年判斷一次河道沖淤狀態(tài),并選擇下一年的運(yùn)行方式。另外,考慮精準(zhǔn)控制、即時(shí)聯(lián)動(dòng)的需要,還需要逐日反饋河道沖淤狀態(tài),并根據(jù)河道沖淤狀態(tài)及時(shí)調(diào)整水庫(kù)群調(diào)度指令。水庫(kù)群水沙調(diào)控與河道沖淤互饋模式見(jiàn)圖2。

圖2 水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控互饋模式Fig.2 Reservoir group regulation and river channel erosion and deposition mutual feed

水庫(kù)群調(diào)控方式的主要差別是在汛期7月11日至9月10日期間的運(yùn)行。以小浪底水庫(kù)攔沙后期第一階段為例?，F(xiàn)狀水庫(kù)運(yùn)行方式如下:7月11日至9月10日,當(dāng)水庫(kù)蓄水加河道來(lái)水WKT>13億m3時(shí),水庫(kù)泄放花園口站流量(QHYK)3 700 m3/s以上至少5 d的大流量過(guò)程；當(dāng)WKT>6億m3且潼關(guān)和三門峽平均流量大于2 600 m3/s時(shí),水庫(kù)相機(jī)湊泄QHYK3 700 m3/s以上至少5 d大流量過(guò)程;當(dāng)WKT<6億m3且預(yù)報(bào)入庫(kù)流量Qin≥2 600 m3/s、含沙量Sin≥200 kg/m3時(shí),水庫(kù)啟動(dòng)高含沙調(diào)度,即提前2 d預(yù)泄或蓄水至3億m3后按進(jìn)出庫(kù)平衡運(yùn)用。

聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控互饋調(diào)度方式如下:下游河道處于沖刷狀態(tài),為充分發(fā)揮下游河道輸沙能力,減輕水庫(kù)淤積,當(dāng)Qin≥2 600 m3/s、Sin≥60 kg/m3時(shí),水庫(kù)即啟動(dòng)高含沙調(diào)度,另外連續(xù)2 dQin>2 600 m3/s時(shí)水庫(kù)啟動(dòng)降水沖刷指令；下游河道處于平衡狀態(tài),為了在兼顧水庫(kù)河道減淤的基礎(chǔ)上,盡可能發(fā)揮下游河道輸沙能力,當(dāng)Qin≥2 600 m3/s、Sin≥60 kg/m3時(shí)啟動(dòng)高含沙調(diào)度；下游河道處于淤積狀態(tài),水庫(kù)盡可能攔蓄洪水,多攔沙少排沙,盡快沖刷恢復(fù)河槽。不同沖淤狀態(tài)下小浪底水庫(kù)運(yùn)行方式見(jiàn)表2。

表2 不同沖淤狀態(tài)下小浪底水庫(kù)運(yùn)行方式(7月11日至9月10日)Table 2 Operation mode of Xiaolangdi Reservoir under different erosion and siltation states (July 11 to September 10)

1.2.4 水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控模擬模型

水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控模擬模型主要包括水庫(kù)群調(diào)度模塊和泥沙沖淤計(jì)算模塊。

(1)水庫(kù)群調(diào)度模塊的主要功能是根據(jù)來(lái)水來(lái)沙條件以及水庫(kù)和下游河道泥沙沖淤狀態(tài)不同,生成水庫(kù)群調(diào)度指令,為泥沙沖淤模塊提供水沙計(jì)算邊界條件。從精準(zhǔn)控制、即時(shí)聯(lián)動(dòng)的需要考慮,水庫(kù)群水沙調(diào)控和河道沖淤互饋應(yīng)逐日反饋水庫(kù)、河道沖淤狀態(tài),并根據(jù)沖淤狀態(tài)調(diào)整水庫(kù)群調(diào)控方式。考慮實(shí)際調(diào)度過(guò)程中無(wú)法獲取河道的逐日沖淤情況,應(yīng)每年判斷一次河道沖淤狀態(tài),并選擇下一年的運(yùn)行方式。水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控模擬模型運(yùn)行流程見(jiàn)圖3，其中Zdam為壩前水位，Sout為水庫(kù)出庫(kù)含沙量。

圖3 水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控模擬模型運(yùn)行流程Fig.3 Operation process of the calculation model for combined regulation of reservoir and river sediment

(2)泥沙沖淤模塊包括水庫(kù)泥沙沖淤和河道泥沙沖淤。模型集成了黃河中下游已建、在建和規(guī)劃建設(shè)的水沙調(diào)控工程。磧口水庫(kù)模型模擬范圍為磧口庫(kù)區(qū)；古賢水庫(kù)模型模擬范圍為磧口壩下—古賢壩址,考慮三川河、屈產(chǎn)河、無(wú)定河、清澗河、昕水河、延河等支流匯入；三門峽水庫(kù)模型為黃河干流龍門—三門峽壩前、渭河華縣以下,支流汾河、北洛河按點(diǎn)源考慮；小浪底水庫(kù)模型為三門峽壩下—小浪底壩前；黃河下游河道模型的模擬范圍為鐵謝—河口,支流伊洛河、沁河按點(diǎn)源考慮。水庫(kù)和河道泥沙沖淤均采用一維水動(dòng)力學(xué)模型,模型原理及基本控制方程見(jiàn)文獻(xiàn)[22]。

采用有限體積法對(duì)前述數(shù)學(xué)模型的控制方程進(jìn)行離散,基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法處理流量與水位的耦合關(guān)系,求解離散方程時(shí)在進(jìn)口給定流量和含沙量過(guò)程,出口給定河口平均潮位,挾沙力公式采用適用于高含沙水流計(jì)算的張紅武公式[23]。該模型經(jīng)過(guò)黃河小北干流、三門峽水庫(kù)、小浪底水庫(kù)和黃河下游及河口大量實(shí)測(cè)資料檢驗(yàn)[22],能夠準(zhǔn)確反映計(jì)算區(qū)域水沙輸移和泥沙沖淤特性。

2 結(jié)果及分析

基于水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控方法,以現(xiàn)狀黃河中下游水庫(kù)群(主要為干流的三門峽水庫(kù)和小浪底水庫(kù)[24])為研究對(duì)象,分析黃河中下游現(xiàn)狀工程調(diào)控效果,計(jì)算起始河道邊界條件為2017年4月。為便于分析水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控(考慮水庫(kù)群和河道沖淤的互饋,簡(jiǎn)稱互饋)與現(xiàn)有技術(shù)(簡(jiǎn)稱現(xiàn)狀)的差別,分別計(jì)算2種方案下黃河中游水庫(kù)沖淤、水庫(kù)調(diào)節(jié)對(duì)改善下游河道水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度的作用和下游河道沖淤的差異。三門峽水庫(kù)已達(dá)到?jīng)_淤平衡,2種情況下水庫(kù)沖淤的差別主要體現(xiàn)在小浪底水庫(kù)。水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[11],當(dāng)水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度大于1,河道呈現(xiàn)淤積狀態(tài),說(shuō)明水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)；當(dāng)水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度為0～1,河道呈現(xiàn)沖刷狀態(tài),說(shuō)明水沙關(guān)系協(xié)調(diào)。

2.1 水沙條件

黃河具有水少沙多、水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)、水沙異源、水沙年際變化大且年內(nèi)分配不均、不同地區(qū)泥沙顆粒組成不同等特點(diǎn)。黃河未來(lái)水沙量變化既受自然氣候因素的影響,又與流域水利工程、水土保持生態(tài)建設(shè)工程和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展等人類活動(dòng)密切相關(guān)。目前對(duì)未來(lái)黃河輸沙量的認(rèn)識(shí)范圍一般為3億～8億t,具體數(shù)字尚有分歧。本文采用黃河中游干流龍門站、支流渭河華縣站、支流汾河河津站、支流北洛河狀頭站4站合計(jì)來(lái)沙8億t、6億t、3億t 3種情景方案,分析未來(lái)黃河中游水庫(kù)及下游河道沖淤變化趨勢(shì)。研究采用的水沙系列,從平均水沙量盡可能接近設(shè)計(jì)值、系列盡可能連續(xù)的角度考慮,選取1959—2008年共50 a設(shè)計(jì)水沙系列循環(huán)1次組成100 a作為8億t、6億t情景方案的水沙代表系列；3億t情景方案,與2000—2013年4站實(shí)測(cè)沙量3.03億t接近,采用2000—2013年實(shí)測(cè)14 a系列連續(xù)循環(huán)作為水沙代表系列(見(jiàn)表3)。

表3 黃河中游不同水沙情景方案徑流量和輸沙量特征值Table 3 Runoff and sediment discharge characteristic values of different water and sediment scenarios in the Middle Yellow River

2.2 計(jì)算結(jié)果

2.2.1 三門峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)水沙動(dòng)態(tài)調(diào)控效果

1973年以來(lái)三門峽水庫(kù)已達(dá)到?jīng)_淤平衡。模型計(jì)算得到的不同水沙情景下水庫(kù)歷年沖淤量變化過(guò)程見(jiàn)圖4,可知在現(xiàn)狀水庫(kù)運(yùn)行方式下,未來(lái)水庫(kù)仍表現(xiàn)為有沖有淤,多年基本沖淤平衡。

圖4 不同水沙情景下三門峽水庫(kù)泥沙沖淤計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of sediment erosion and deposition of Sanmenxia Reservoir

2.2.2 小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)水沙動(dòng)態(tài)調(diào)控效果

黃河來(lái)沙8億t、6億t、3億t情景下小浪底水庫(kù)泥沙沖淤變化見(jiàn)圖5。各來(lái)沙情景下,現(xiàn)狀方案小浪底水庫(kù)攔沙庫(kù)容75.50億m3(即98.15億t)淤滿年限分別還有13 a(2030年淤滿)、20 a(2037年淤滿)、43 a(2060年淤滿)。互饋方案下,小浪底水庫(kù)兼顧水庫(kù)及河道減淤,下游河道處于沖刷狀態(tài)時(shí)小浪底水庫(kù)多排沙,庫(kù)區(qū)淤積慢,剩余攔沙庫(kù)容淤滿年限分別還有17 a(2034年淤滿)、26 a(2043年淤滿)、52 a(2069年淤滿),比現(xiàn)狀方案分別延長(zhǎng)4 a、6 a、9 a。

圖5 小浪底水庫(kù)泥沙沖淤計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation results of sediment erosion and deposition of Xiaolangdi Reservoir

2.2.3 黃河下游河道水沙動(dòng)態(tài)調(diào)控效果

(1)改善黃河下游水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度。計(jì)算黃河來(lái)沙8億t、6億t、3億t情景下,現(xiàn)狀、互饋方案進(jìn)入黃河下游的小浪底、黑石關(guān)、武陟三站(簡(jiǎn)稱小黑武站)的水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度,以分析水庫(kù)調(diào)控對(duì)改善黃河下游水沙關(guān)系的程度,見(jiàn)表4。由表4可知,各來(lái)沙情景下,現(xiàn)狀方案小浪底水庫(kù)剩余攔沙期內(nèi),通過(guò)水庫(kù)攔沙和調(diào)水調(diào)沙,平均水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度(即各年水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度的平均值)分別為1.36、1.22、0.61；互饋方案,水庫(kù)剩余攔沙期內(nèi)平均水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度為1.28、1.15、0.57,均比現(xiàn)狀方案小。水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度越小,說(shuō)明水沙關(guān)系越趨于協(xié)調(diào),即互饋方案在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)改善了進(jìn)入下游的水沙關(guān)系。水庫(kù)進(jìn)入正常運(yùn)行期后只有調(diào)水調(diào)沙作用,現(xiàn)狀方案和互饋方案調(diào)控方式相同,相應(yīng)的平均水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度相同。

表4 進(jìn)入黃河下游小黑武站的水沙關(guān)系協(xié)調(diào)度Table 4 Coordination degree of water-sediment relationship entering Xiaoheiwu Station on the Lower Yellow River

(2)下游河道沖淤變化。黃河來(lái)沙8億t、6億t、3億t情景下,下游河道泥沙沖淤和平灘流量變化見(jiàn)圖6。各來(lái)沙情景下,現(xiàn)狀方案,小浪底水庫(kù)淤滿后的50a內(nèi)下游河道年均淤積2.04億t、1.37億t、0.37億t,計(jì)算期末最小平灘流量將降低至2 440 m3/s、2 800 m3/s、3 640 m3/s；互饋方案,小浪底水庫(kù)攔沙期內(nèi)水庫(kù)排沙較多,河道沖刷量小于現(xiàn)狀方案，但由于水庫(kù)調(diào)控在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)改善了進(jìn)入下游的水沙關(guān)系,正常運(yùn)行期下游河道總淤積量小于現(xiàn)狀方案,計(jì)算期末最小平灘流量將降低至2 640 m3/s、3 050 m3/s、3 890 m3/s,比現(xiàn)狀方案大200～250 m3/s。

圖6 不同來(lái)沙情景下黃河下游河道累計(jì)沖淤量和平灘流量變化Fig.6 Cumulative erosion and deposition and changes on bank-full discharge in the Lower Yellow River under different scenarioes

3 結(jié) 論

(1)黃河中下游水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合調(diào)控研究,應(yīng)實(shí)時(shí)考慮下游河道邊界條件變化對(duì)水庫(kù)調(diào)度的要求,動(dòng)態(tài)優(yōu)化水庫(kù)調(diào)控方式。采用河道總沖淤量、高村至艾山河段沖淤量、最小平灘流量等作為黃河下游河道沖淤狀態(tài)反饋指標(biāo),采用累計(jì)沖淤量作為水庫(kù)沖淤狀態(tài)反饋指標(biāo)。

(2)制定了不同沖淤狀態(tài)下水庫(kù)群水沙調(diào)控原則,當(dāng)黃河下游處于沖刷狀態(tài)時(shí),水庫(kù)應(yīng)多排沙,下游河道多輸沙；當(dāng)黃河下游處于平衡狀態(tài),水沙調(diào)控應(yīng)兼顧水庫(kù)河道減淤、維持河道中水河槽規(guī)模,水庫(kù)排沙結(jié)束后盡可能延長(zhǎng)下泄的大流量過(guò)程；當(dāng)黃河下游處于淤積狀態(tài)時(shí),水庫(kù)應(yīng)多攔沙,塑造利于下游河道沖刷的大流量過(guò)程,沖刷恢復(fù)下游河槽。

(3)未來(lái)黃河來(lái)沙量8億～3億t情景下,水庫(kù)群-河道水沙聯(lián)合動(dòng)態(tài)調(diào)控方法可延長(zhǎng)小浪底水庫(kù)攔沙年限4～9 a,增大河槽最小平灘流量200～250 m3/s。