黄河第三次调水调沙试验的总体设计与实施效果

口 李国英

　　一、调水调沙方案的设计思路及预期目标

　　1.设计思路

　　利用水库蓄水，充分而巧妙地借助自然的力量，通过精确调度万家寨、三门峡、小浪底等水利枢纽工程，辅以人工扰动措施，在小浪底库区塑造人工异重流，调整其库尾段淤积形态，并加大小浪底水库排沙量；同时，利用进入下游河道水流富余的挟沙能力，在黄河下游“二级悬河”及主槽淤积最为严重的卡口河段实施河床泥沙扰动，扩大主槽过洪能力。

　　2.预期目标

　　本次调水调沙试验要实现以下四项主要目标：

　　1)调整小浪底库尾泥沙淤积形态及排沙出库。通过三门峡、万家寨水库泄水的水流动力冲刷和库区人工扰沙措施，消除小浪底水库尾部占用长期有效库容的淤积部位，并利用水库异重流运动，尽可能多地排沙出库，以减少库区淤积。

　　2)增大下游河道两处卡口河段的过洪能力。通过水流动力冲刷和在卡口河段实施人工扰沙措施，消除前期不利的“驼峰”淤积形态，扩大主槽过流断面。

　　3)通过干流水库群的联合调度，塑造具有“和谐”水沙关系的人造洪峰，使黄河下游河道主河槽全线冲刷并输沙人海。

　　4)通过人工异重流的塑造、库区及河道水沙演进和空间对接、人工扰动加沙使水沙平衡等过程的实现，进一步深化对黄河水沙运动规律的认识并上升为理论，以此指导今后的治黄实践。

　　二、试验过程及其效果

　　试验分两个阶段：第一阶段为6月19日9时至29日0时，利用小浪底水库泄流辅以人工扰动扩大下游河道主槽行洪能力；第二阶段为7月2日12时至13日8时，干流水库群联合调度辅以人工扰动调整小浪底库尾淤积形态，塑造人工异重流并实现排沙出库。

　　1.利用小浪底水库清水泄流辅以人工扰动，扩大下游河道主槽行洪能力

　　(1)小浪底水库清水泄流时机
　　根据防汛要求，小浪底、三门峡和万家寨水库水位须降至汛限水位以下。考虑到干支流加水和区间引水，若按控制花园口流量2600m³/s，调水调沙时间需要20天以上，则要求小浪底水库6月20日之前泄水。同时，考虑黄河下游滩区麦收完毕时间在6月15日左右。综合考虑，调水调沙试验开始时间定为6月19日。

　　(2)下泄流量
　　根据一般含沙洪水下游河道不淤积的水沙关系，若实现下游河道全线冲刷，则要控制花园口流量不低于2600m³/s。根据2004年汛前大断面测验资料，徐码头、雷口附近河段的卡口处平滩流量仅2300m³/s左右。考虑洪水演进过程的沿程衰减及能量损失，试验开始时控制花园口流量2600m³/s。

　　(3)扰动河段
　　选取扰动河段遵循两个原则：一是“二级悬河”最发育的河段，二是平滩流量最小的河段。根据汛前大断面测验，徐码头和雷口附近河段的“二级悬河”最为严峻，滩唇比两岸滩地高1-3m，横比降5-22，是黄河下游平滩流量最小的部位(平滩流量仅为2260-2390m³/s)。因此，选择徐码头河段、雷口河段两个卡口段为扰动河段。

　　(4)扰动措施
　　根据冲沙效果和投资限度，经过反复研究，并进行了必要的现场试验，确定下游扰沙主要采用抽沙扬散和水下射流相结合的措施。

　　在徐码头河段布置扰沙作业平台11个，其中80t自动驳2艘，200t双体自动驳1艘，120型挖泥船2艘，民船1艘，各船配置射流设备和潜水渣浆泵。

　　在雷口河段布置扰沙作业平台15个，其中自动驳2艘，移动承压舟2艘，浮桥浮体组合式工作平台11个，各船配置射流设备。

　　(5)扰动指挥
　　在徐码头、雷口河段设立现场扰动指挥部，在调水调沙试验总指挥部的统一指挥下，负责各自作业区的指挥、组织、设备、后勤保障和安全工作。为了科学配置扰沙区的加沙量和泥沙颗粒级配，设立监测水沙因子的前置站和反馈站，扰沙区上游前置站设在距徐码头扰沙点76km的高村水文站，在雷口扰沙点下游51km艾山水文站设立反馈站。

　　(6)扰动时间
　　根据高村前置站和艾山反馈站水沙过程，通过实时加沙系统计算，本次扰动共分两个阶段：第一阶段为6月22日12时至30日8时，计188小时；第二阶段为7月7日7时至13日6时，计143小时。两个阶段总计331小时。

　　(7)扰动效果
　　经过扰沙，一是扰沙区下游含沙量得到增加，二是卡口段过洪能力得到增大。

　　根据两个河段投入的设备数量和性能，不考虑因扰动增加的冲刷量，计算实际扰起的泥沙量为164.13万m³。

　　扰沙前徐码头断面平滩流量为2260m³/s，雷口断面为2390m³/s。试验过程中，高村水文站流量2900m³/s时扰沙河段未出现漫滩，说明扰沙河段的平滩流量已提高至2900m³/s。扰沙前后平滩流量增加了510-640m³/s。

　　2.干流水库群联合调度辅以人工扰动，调整小浪底库尾淤积形态，塑造人工异重流并将其排出库外

　　(1)小浪底库尾段的泥沙扰动
　　库区泥沙扰动投入船舶8艘，其中扰动船4艘，测量及后勤保障船4艘，扰动船上装载高压射流设备，作业适应水深l-10m，射流速度23m/s。扰沙作业河段在库区34-40断面(距坝57.00-69.34km)进行，分6月19日-29日和7月3日-10日两个阶段完成。泥沙扰动累计作业886小时，施测库区断面60个(次)，采取河床质沙样80个。

　　(2)三门峡、万家寨水库联合调度，冲刷小浪底库尾段淤积三角洲，塑造人工异重流
　　①异重流形成条件及其运动规律

　　根据小浪底水库自然发生的异重流资料，可分析出小浪底水库形成异重流并持续运动的临界条件，即在满足洪水历时且入库细泥沙的沙重百分数约50%的条件下，还要满足下列条件之一：入库流量大于2000m³/s且含沙量大于40kg/m³；入库流量大于500m³/s且含沙量大于220kg/m³；流量为500-2000m³/8时，所相应的含沙量应满足：

式中：S为人库含沙量，单位kg/m³；Q为人库流量，单位m³/s。

　　②人工异重流塑造

　　一是三门峡出库流量的确定。综合考虑，确定三门峡水库泄水时机为7月5日15时，出库流量2000m³/s，当7月8日8时万家寨水库下泄水流到达三门峡时，加大三门峡水库泄流。

　　二是水流泥沙含量的配置。小浪底水库人工异重流的沙源有两个：一个是小浪底水库尾部的淤积三角洲，要靠三门峡水库下泄较大清水流量进行冲刷，并辅以人工扰动措施使之进入水流；另一个是三门峡水库槽库容里的细泥沙，要靠万家寨水库泄流在三门峡水库低水位时冲刷排出。

　　三是万家寨水库与三门峡水库泄流的对接。万家寨水库泄流与三门峡库水库水位对接的目标，是万家寨水库泄流在三门峡水位下降至310m及其以下时演进至三门峡水库，以最大程度冲刷三门峡水库泥沙，为小浪底水库异重流提供连续的水源动力和充足的细泥沙来源。确定万家寨水库于7月2日12时即先于三门峡水库泄流时机5日15时开始泄流，下泄流量1200m³/s。

　　(3)试验效果
　　①小浪底库尾淤积形态得到调整

　　通过小浪底库尾扰动及水流自然冲刷，小浪底水库尾部淤积三角洲顶点由距坝70km下移至距坝47km，三角洲洲面比扰动前下降4m左右，使小浪底库区淤积三角洲冲刷泥沙1.329亿m³，设计淤积平衡纵剖面以上淤积的3850万m³泥沙全部冲刷消除，小浪底库尾淤积形态得到合理调整。

　　②人工异重流的塑造及排沙出库

　　人工异重流塑造分两个阶段。一是7月5日15时始，三门峡水库按2000m³/s流量下泄，小浪底水库淤积三角洲发生了强烈冲刷，7月5日18时30分，异重流在库区34断面(距坝约57km)潜入，并持续向坝前推进。二是7月7日8时万家寨水库泄流和三门峡水库泄流对接后冲刷三门峡库区淤积的泥沙，并加大三门峡水库泄水流量，同日14时10分出现5130m³/s的洪峰流量，14时开始排沙至20时达到446kg/m³，较高含沙量洪水继续冲刷小浪底库区淤积三角洲，并形成异重流的后续动力推动异重流向小浪底坝前运动。7月8日13时50分，小浪底库区异重流排沙出库，排沙洞水流平均含沙量约70kg/m³,7月9日2时，异重流沙峰出库，异重流水体含沙量最大时达126kg/m³，浑水持续历时约80小时。异重流运动中，小浪底水库出库泥沙0.0437亿t。

　　3.进入下游水沙量及河道冲淤变化

　　从2004年6月19日9时开始，至7月13日8时结束，历时34天，扣除6月29日0时至7月3日21时小流量下泄的5天，实际历时19天。

　　试验期间小浪底水库下泄水量4526亿m³，沙量0.0437亿t；花园口站水量46.05亿m³，沙量0.2079亿t，平均含沙量451kg/m³；利津人海水量4539亿m³，沙量0.6859亿t，平均含沙量15.12kg/m³。

　　试验期间，利津以上各河段均发生冲刷，小浪底—利津共冲刷0.6422亿t，其中，小浪底—花园口冲刷0.1642亿t，花园口—高村冲刷0.1403亿t，高村-艾山冲刷0.1928亿t，艾山—利津冲刷0.1449亿t。

　　三、认识与体会

　　1.黄河的主要问题是水沙不平衡，水库汛前泄流必须同时考虑泥沙问题

　　黄河的水沙不平衡，空间分布不平衡，时间分布不平衡，输沙用水常常得不到满足。小浪底水库等工程建成后，遇一般年份均可在非汛期蓄存一定水量，在汛期到来之前利用工程调节水沙关系，避免清水空载运行，将弃水改为输沙用水，尽最大可能消除黄河水沙时空的不平衡性和输沙用水的不足，实现水沙关系“和谐”。

　　2.充分利用水流能量，相机辅以人工扰动，可以收到事半功倍的减淤效果

　　在黄河第三次调水调沙试验中，所用资源主要是水库蓄存的水，在汛期之前要弃掉，冲刷下游河道的主要力量就是这些弃水的能量，如果这时在卡口段辅以人工措施清淤，可使下游河道行洪能力全线得到提高。本次试验从河床冲刷泥沙0.6422亿t，这些泥沙若用人工去挖，按每吨10元钱计算，则需6.422亿元。若再考虑运输和堆放的场所，则所需费用更多。

　　3.水库淤积形态可以调整

　　水库在自然淤积过程中，当形成不利地形时会影响水库排沙，加重水库淤积。本次试验说明，水库自然淤积形成的不利形态可借助自然力量和人工措施加以调整改善，大大增强了小浪底水库运用的灵活性。

　　4.水库人工异重流的塑造成功是对其运动规律认识并掌握的主要标志

　　过去，人们对于水库异重流仅限于观测和研究，本次试验以人工的方式塑造异重流，并取得成功，说明我们已经掌握了水库异重流的运动规律，这将使今后小浪底水库恢复部分拦沙库容，延长小浪底水库拦沙年限成为可能。

　　5.在调水调沙中不可忽视泥沙颗粒级配

　　在本次调水调沙试验中，从水库异重流的塑造、库区淤积三角洲的扰沙，到下游河道两处卡口河段的扰动河床补沙，泥沙颗粒级配均是重要因子。同时，河道输沙能力不仅与水流悬沙级配有关系，还与床沙级配有关系，因为床沙也是河道水流泥沙的一个来源。

　　6.“三条黄河”联动保障试验成功

　　在本次调水调沙试验中，利用振动式测沙仪、多普勒流速仪及激光粒度仪等现代化测验设备，及时取得了“原型黄河”的测验数据，为调度决策提供了实时信息依据。泥沙数学模型和实体模型试验，为坝区水流流态和泥沙运动、下游扰沙段水沙演进规律、人工扰沙监控指标确定及实时调度提供了技术支持。“三条黄河”联动确保了试验成功。

　　7.发展了调水调沙运用模式

　　黄河已经开展的3次调水调沙试验基本涵盖了黄河调水调沙的不同类型，为以后调水调沙由试验转向生产实践提供了坚实基础。

　　8.建设完整的黄河水沙调控体系势在必行

　　试验中发现，虽然万家寨水库和三门峡水库参与了联合调度，但明显地暴露出这两座水库的缺陷：一是两座水库的库容偏小，蓄水量十分有限，作为小浪底水库人工异重流持续稳定的后续动力仍显不足，否则就会有更多的泥沙从小浪底库区排出。二是万家寨水库距三门峡水库太远，联合精确调度困难较大。因此，若能在黄河北干流修建古贤或碛口水库，就可以与三门峡、小浪底水库组成黄河中游完善的水沙调控体系，实现泥沙的多年调节，进而实现水库减淤和河道减淤的双重目标。

　　9.通过调水调沙显著扩大了主槽过洪能力，说明“稳定主槽、调水调沙，宽河固堤、政策补偿”的黄河下游治河方略有望实现

　　2002年7月，黄河首次调水调沙试验前，黄河下游河道主河槽过流能力只有1800m³/s，连续实施3次调水调沙试验后黄河下游河道主河槽过流能力已增加至2900m³/s。通过若干次调水调沙，将在黄河下游河道塑造出一个相对窄深的主河槽，在河道控导工程的约束下，河势稳定，一般的中常洪水经中游水库调节其水沙关系后在主河槽中运行，水流不漫滩，滩区老百姓安居乐业。当黄河下游发生大洪水或特大洪水时，漫滩行洪，淤滩刷槽，以标准化堤防约束洪水，不致决口成灾，在滩区造成的灾情，国家给予政策性补偿。

　　10.调水调沙是维持黄河健康生命最有效的措施之一

　　黄河治理的终极目标是维持黄河健康生命，这个目标确定后，所有的治河手段都要为实现这个目标服务。由于近十几年要么流量过小，水沙不协调持续淤积主槽，要么流量过大，大面积漫滩造成灾情，要么清水运行空载人海，造成水流的能量与资源浪费，长此以往，黄河下游的健康生命形态不可能得以塑造和维持。而通过调水调沙塑造“和谐”的流量、含沙量和泥沙颗粒级配的水沙过程，则可以遏制黄河下游河道形态持续恶化的趋势，进而逐渐使其恢复健康生命形态，并最终得以良性维持。　■

参考文献：

1 李国英.黄河首次调水调沙.科学，2003.1
2 李国英.黄河中下游水沙的时空调度理论与实践.水利学报，2004.8

(作者为水利部黄河水利委员会主任)
责任编辑 李计初