小浪底水库对水沙的调控及下游河道响应

1小浪底水库对水沙的调控及下游河道响应苏运启尚红霞李勇郑艳爽（黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州450003）摘要：冲积性河流上修建水库后，由于对水沙的调节，下游河道将发生相应调整，直至和新的水沙条件相适应。小浪底水库位于控制黄河水沙的关键部位，1999年10月25日下闸蓄水，目前水库仍处于拦沙初期的运用阶段，五年来以水库异重流排沙为主，期间进行了三次调水调沙试验，绝大多数中粗泥沙拦在库内，进入下游的水沙量和过程均发生了显著变化，主要表现为：下泄水流含沙量低、泥沙颗粒较细、洪峰调平、汛期（7～10月）水量减少、非汛期水量增大。在这种水沙条件下，黄河下游河道持续冲刷，平滩流量增大，河槽趋于窄深、河床粗化，河势发生调整。关键词小浪底水库；水沙；调控；河道；响应中图分类号:文献标识码：A文章编号：1前言多沙河流上修建水库后改变了下游河道的来水来沙过程，河床会发生一系列变化，河床的调整程度与水库运用及其对水沙的调节能力等有关[1][2]。小浪底水库位于控制黄河水沙的关键部位，1999年10月25日下闸蓄水，目前水库仍处于拦沙初期的运用阶段，五年来以水库异重流排沙为主，下泄水流含沙量低、泥沙颗粒较细、洪峰调平、汛期水量减少、非汛期水量增大，显著改变了出库水沙过程。下游河道发生相应调整，主要表现为河道持续冲刷，平滩流量增大，河槽趋于窄深、河床粗化。小浪底水库1999年10月25日下闸蓄水至2004年10月31日，水库累计蓄水37.77亿m3，其中汛期增加蓄水量99.21亿m3，非汛期泄水量61.44亿m3，蓄水量增加最多的是2003年汛期，达70.71亿m3，水库泄水最多的是2004年非汛期，泄水达53.71亿m3。水库最高运用水位为265.58m，最大蓄水量94.9亿m3（2003年10月15日）。2小浪底水库对水沙的调控2.1改变了水量的年内分配由五年来进出库水量情况（表1），可以看出五年入库平均水量171.17亿m3，其中汛期占年水量的45％，而经过水库调节后，出库平均水量182.67亿m3，其中汛期占年水量为36％，即进出库水量不仅总量发生变化，而且年内分配也发生了较大变化，汛期占年水量平均减少了9％。除2002年汛期外，其余年份出库水量汛期占年水量百分比均较入库水量的百分比小10％左右。表1五年实测进出库水量变化Table1Varietyofthemeasuredwatervolumein-outreservoirforfiveyears年份年水量/亿m3汛期水量/亿m3汛期占年/％入库出库入库出库入库出库2000166.6141.1567.2339.0540282001134.76165.6353.8342.0340252002158.5194.6250.4386.8732452003217.69160.15146.9488.0167552004178.3251.7865.8669.1337275年平均171.17182.6776.8665.0245362.2水库运用调节流量过程小浪底水库非汛期蓄水拦沙运用，根据下游河道冲淤、防凌和灌溉需要泄水。汛期则通过水库调节，使流量两极分化。分析小浪底水库汛期各级日均流量进出库历时和水量变化情况见表2。可以看出2000～3000m3/s流量级平均由入库的35天，增加到出库的44天，水量占汛期比例由入库的10％，增加到出库的14％，增加了4％；1000m3/s以下的流量级平均由入库的500天，增加到出库的543天，水量占汛期比例由入库的52％，增加到出库的61％，增加了9％；而1000～1500m3/s流量级平均调节力度最大，由入库的52天，减小到出库的10天，水量占汛期比例由入库的13.9％，减小到出库的3.3％，减少了210.3％；大于3000m3/s流量级全部被调节为3000m3/s以下下泄。表2五年汛期各级流量下的历时和水量统计Table2Thestatisticsofdurationandwatervolumeunderthedifferentdischargersinflood-seasonforfiveyears项目站流量级500500～10001000～15001500～20002000～25002500～30003000历时/天入库285215521920159出库357186101825190水量/亿m3入库69.5130.353.828.738.636.227.1出库87.7109.510.727.246440统计小浪底水库进出库洪水特征值可以看出，五年来入库日均最大流量大于1500m3/s的洪水共12场，而小浪底水库出库洪水完全受人为控制，共有6次洪水过程，其中2002年7月、2003年9月初、2004年7月初小浪底水库进行了三次调水调沙试验，第三次调水调沙分为两个洪水过程，另加2003年的秋汛洪水下泄，2004年8月份的洪水水库排沙。五年来入库洪水最大洪峰流量为5130m3/s（2004年7月7日），而相应出库最大流量为2940m3/s。由于水库的控制运用使干流洪水和伊洛河、沁河洪水错峰，使花园口最大洪峰流量由6000m3/s左右减小为2700m3/s。2.3水库运用调整了水沙搭配关系分析不同流量级进出库沙量情况（表3），可以看出由于小浪底水库处于拦沙初期，水库以拦沙为主，各级流量级相应的沙量都明显小于入库沙量。汛期入库泥沙主要集中在500m3/s以上的流量排出。其中500～1000m3/s级流量和2000～2500m3/s级流量入库沙量相对较多，分别为3.815亿t和6.105亿t，平均含沙量分别29.29kg/m3和158.16kg/m3；该级流量下水库排沙量为0.425亿t和1.246亿t，平均含沙量分别3.88kg/m3和27.07kg/m3。汛期出库沙量主要集中在1500～2500m3/s级流量，相应沙量2.298亿t，占汛期沙量的64％，改变了小水带大沙的不利局面。表3五年汛期各级流量下携带沙量统计Table3Thestatisticsofsediment–ladenloadunderthedifferentdischargersinflood-seasonforfiveyears项目站流量级500500～10001000～15001500～20002000～25002500～30003000沙量/亿t入库1.7503.8152.1952.4656.1051.9301.710出库0.3850.4250.1551.051.2450.360含沙量/kg/m3入库78.6029.2840.8085.89158.1653.3163.10出库21.283.8814.4938.6027.078.1802.4小浪底水库排出库外的泥沙较细[3]小浪底水库运用初期均为异重流排沙，出库泥沙颗粒较细，分析表明进库小于0.025mm细泥沙占全沙46％，出库占全沙88％；而进库大于0.05mm的粗泥沙占全沙25％，出库占全沙5％。特别是进库小于0.01mm极细泥沙占全沙24％，出库占全沙66％。3下游河道响应3.1河床全线冲刷，上段冲刷逐渐减弱五年来黄河下游河道实现全程冲刷，冲刷泥沙6.515亿m3（表4），高村以上河段和艾山以下河段冲刷较多，高村～艾山河段冲刷比较少。其中高村以上河段冲刷5.215亿m3，占冲刷总量的80％，特别是夹河滩以上河段冲刷量达4.699亿m3，占冲刷总量的72％；艾山以下河段冲刷0.964亿m3，占冲刷总量的15％；而高村～孙口河段仅冲刷0.336亿m3，占冲刷总量的5％。从冲刷时间分布看，冲刷主要发生在汛期，汛期五年总冲刷量4.283亿m3，占全年冲刷量的66％。从年际冲刷量看，2003年冲刷量最大，为2.62亿m3。3从冲刷沿程分布来看，2001年以前下泄流量较小，随着上段河床的粗化，冲刷逐渐减弱，冲刷最强列的河段不断下移，2000年冲刷发展到夹河滩河段；2001年冲刷主要发生在高村以上河段，较2000年冲刷距离有所增加。2002年调水调沙期间高村河段发生漫滩，滩地发生淤积，夹河滩～高村滩地淤积0.169亿m3，高村～孙口滩地淤积0.176亿m3，2002年全年主槽均发生冲刷，夹河滩～高村、高村～孙口主槽分别冲刷0.036亿m3、0.128亿m3。2003年汛期下游水量相对较丰，由于调水调沙和东平湖加水，实现了全线冲刷，冲刷分布表现为两头多，中间少的格局。表4小浪底水库运用后下游各河段断面法冲淤量的时空分布单位：亿m3Table4Thedistributionoftime-spaceofscouring-depositingvolumeofthesectionmethodineachreachofthelowerYellowRiveraftertheoperationoftheXiaolangdiReservoirUnit:108cubicmetre时段白～花花～夹夹～高高～孙孙～艾艾～泺泺～利白～利2000年-0.659-0.4350.0540.1330.0060.110.038-0.7532001年-0.473-0.315-0.1000.071-0.017-0.0030.021-0.8162002年-0.304-0.3970.1330.048-0.003-0.040-0.185-0.7482003年-0.648-0.698-0.319-0.300-0.108-0.228-0.319-2.6202004年-0.382-0.388-0.284-0.105-0.061-0.149-0.209-1.578合计-2.466-2.233-0.516-0.153-0.183-0.310-0.654-6.515从白鹤～花园口、夹河滩～高村河段单位水量冲刷情况（图1）来看，白鹤～花园口河段除2003年水量较丰，下泄流量较大，冲刷量增加较多外，其他年份冲刷强度逐渐减弱，而夹河滩～高村河段单位水量冲刷量逐渐增大。-7-6-5-4-3-2-10122000年2001年2002年2003年2004年年份单位水量冲淤量（kg/m3）白鹤～花园口夹河滩～高村图1不同河段单位水量冲刷量Fig.1Thescouringvolumewithwaterindifferentreaches进一步分析全下游河道冲淤量和进入下游水量及流量大于2000m3/s的水量之间的关系可以得出关系式：Ws(1-W2000/W)=-0.0055W+0.0572式中Ws为冲淤量；W2000为大于2000m3/s的水量；W为进入下游水量。可以得出，在同样水量情况下，改变水流过程可以增大主槽的冲刷。3.2主槽断面形态调整小浪底水库运用后，黄河下游各河段纵横断面得到相应调整。表5为小浪底水库运用五年后，黄河下游各河段主槽断面形态变化统计表，可以看出，高村以上河段的主槽断面形态调整基本以展宽和下切并举，高村以下河段主槽是以下切为主。花园口以上主槽下切幅度最大，平均达1.51m，花园口～夹河4滩河段主槽展宽比较大，平均达403m，孙口～艾山河段主槽下切幅度小，仅0.6m。河相系数HB/2004年汛后与小浪底水库运用前相比，各河段沿程均有所减小，横断面趋于窄深，其中孙口以上河段减小幅度较大。从主槽断面形态变化来看，主槽的冲深与展宽和河道整治和冲刷历时有关[4]，花园口以上河段和高村河段河道整治工程较完善，河势较稳定，冲刷以冲深为主，花园口～夹河滩河段河道整治工程较差，河势摆动幅度较大，展宽较明显。同时从分析看出，随着冲刷的发展，河床逐渐粗化，河底泥沙补给受到限制，将出现塌滩现象，冲刷将向展宽方向发展。3.3河床粗化阻力增加小浪底水库运用五年来，随着河道冲刷，河床逐渐粗化，1999年汛后和2004年7月黄河下游主槽河床质级配变化（图2），可以看出，2004年7月与1999年汛后相比比，全下游主槽河床质均发生粗化，花园口以上粗化最为明显，中值粒径由原来的0.061mm增大为0.272mm，夹河滩以下变化基本一致。从实测资料分析，1999年10月到2003年10月，白鹤～官庄