黄河规划设计

黑山峡水库对黄河下游河段减淤作用初步研究

段高云刘　军张淑英 (规划处)(水工处)(郑州市水利建筑工程局)[摘　要] 黄河上游龙刘(龙羊峡、刘家峡)水库修建后，改变了天然的水沙条件，导致黄河下游淤积加重，本文根据黄河下游在天然情况下的水沙比关系和冲淤比关系得出了减淤到天然情况下的淤积水平所需要的水量。[关键词] 龙刘水库水沙条件冲淤变化还原减淤黄河上游的龙刘(龙羊峡、刘家峡)水库修建后，特别是龙羊峡水库1986年10月蓄水运用后，由于改变了天然的水沙条件，汛期大流量天数和水量减少，在一定程度上导致黄河宁蒙河段、龙潼河段与及黄河下游淤积加重，而在龙刘水库的下游黑山峡修建反调节水库，对被龙刘水库改变的水沙条件进行反调节，则能有效缓解黄河下游河道的淤积。1 黄河下游近期冲淤变化分析1.1 河段概况黄河下游指从花园口上游30km处的桃花峪至河口，全长约880km，由于淤积严重，形成了地上河，河道普遍高出背河地面3m ～5m，最高达10m，而且仍在继续抬高。黄河下游为典型的冲积性河段，比降约1%oo～2%oo，河宽约0.4km ～20km，沙质河床，流路散乱，河势游荡多变，主流摆动频繁，易出现横河、斜河，90年代以来汛期来水量持续减少，致使局部河段“二级悬河”发展加剧，遇大洪水，将造成洪水直冲大堤的危险局面。1.2 水沙概况黄河下游河段来水来沙特点首先为水沙异源，水量主要来源于河口镇以上的黄河上游，而来沙量仅占龙门、华县、河津、状头(以下简称“四站”)输沙总量的9%(1919年7月～1995年6月系列)。上游河段的径流又集中于流域面积仅占全河18%的兰州以上，其天然径流量占花园口的58.3%；沙量主要来源于河口镇至潼关河段，此区间来沙量占四站来沙量的91%，而来水量只占花园口的32.2%。其次为沙量主要集中在汛期，根据花园口站的实测资料，汛期沙量占全年沙量的83%，而水量只站54%。花园口站实测资料表明，黄河下游河段在龙刘水库蓄水运用后，汛期水少沙多的不利状况更加恶化。1960～1968年花园口站年均来水量为530.22亿m3，汛期来水量为305.08亿m3，汛期占全年58%，年均来沙量为11.23亿t，汛期来沙量为8.68亿吨，汛期占全年77%。1968年刘家峡水库蓄水运用后到1985年，花园口站年均来水量为408.07亿m3，汛期来水量为236.23亿m3，汛期占全年58%，年均来沙量为11.16亿t，汛期来沙量为9.50亿t，汛期占全年85%，由于刘家峡水库的蓄水运用，花园口站汛期来水量减少，而沙量却增多。1986年龙羊峡水库蓄水运用后，花园口站年均来水量为287亿m3，汛期来水量为135.85亿m3，汛期占全年47%，年均来沙量为7.96亿t，汛期来沙量为6.78亿t，汛期占全年85%。由于龙羊峡水库汛期蓄水运用，水沙情况在刘家峡水库蓄水运用的基础上进一步恶化，年均和汛期来水量锐减，汛期只占47%，沙量尽管也有减少，但是跟水量相比明显偏小，年均水量比1960～1968年减少了46%，而沙量只减少了29%，尤其是汛期水量比1960～1968年减少了55%，而沙量只减少了22%。花园口站水沙特征值见表1-1。表1-1花园口站水沙特征值时段水量(108m3)沙量(亿t)全年汛期(7~10月)汛期占全年%全年汛期(7~10月)汛期占全年%1960~1968530.22305.080.5811.238.680.771969~1985408.07236.230.5811.169.500.851986~1997287.00135.850.477.966.780.851960~1997398.77220.840.5510.248.490.83 龙刘水库的蓄水运用后，黄河下游有利于输沙的大流量出现天数及水量锐减，尤其是挟沙力大的大于4000m3/s的流量在1968年刘家峡水库的蓄水运用到1985年期间出现的天数为1960～1968年的47%，水量为39%，1986年龙羊峡蓄水后，出现的天数仅为1960～1968年的10%，水量仅为6%，而三门峡水库在1973年以后进行蓄清排浑运用，经过两次改建，泄流规模增大，5000m3/s以下的流量几乎不滞洪，所以1973年以后下游大于4000m3/s的流量的出现天数的减少与三门峡水库关系不大。黄河下游各时期流量特征值见表1-2。表1-2黄河下游河道各时期流量特征表时段流量2000～3000m3/s流量3000～4000m3/s流量＞4000m3/s年均天数年均水量(亿m3)年均天数年均水量(亿m3)年均天数年均水量(亿m3)1961～196833.578.52371.531149.51969～198525.853.513.939.914.758.61986～19961427512391.3 河段淤积特性黄河下游河道为典型的冲积性河道，由于黄河水少沙多，从长时间来看，下游河床不断淤积上升，使地上河愈演愈烈，尤其是龙刘水库修建后，淤积形势越发严重。黄河下游河道的冲淤特性是大水冲，小水淤，洪水期尽管防洪上比较紧张，但是洪水流量大，流速大，水流挟沙力大，输沙能力大，冲刷力强，主槽刷深，行洪能力反而加大，所以说在黄河来沙量大的汛期加大流量，将大大有利于河槽减淤，反之汛期不利的小水大沙的水沙组合，将大大加重河道的淤积。刘家峡水库1968年运用以来到龙羊峡蓄水运用前，汛期平均蓄水26.7m3方，占花园口站同时段汛期平均来水量的11%，其中1969、1978、1979、1981年汛期蓄水量在35～40亿m3之间，占这4年汛期平均来水量的16%。1986年龙羊峡蓄水运用后，龙刘水库的联合蓄水运用，汛期蓄水量进一步加大，1987～1997年龙羊峡水库年均汛期蓄水量32.3亿m3，刘家峡水库蓄水8.54亿m3，两库合计蓄水40.84亿m3，占花园口站同时段汛期平均来水量的30%，尤其1992年，两库合计蓄水97亿m3，占当年花园口站汛期来水量的70%。龙刘水库汛期蓄水的直接后果就是洪峰流量被削减，削峰比一般为40%～70%，汛期出库流量减小，中水历时加长。1987～1997年龙羊峡汛期入库平均流量为946m3/s，出库平均流量为644m3/s，刘家峡入库平均流量为960m3/s，出库平均流量为781m3/s。由于龙刘水库汛期蓄水运用，黄河下游河道淤积情况越发严重。1960～1968年，全下游有冲有淤，由于来水量大，再加上三门峡水库拦沙运用，平均下来还略有微冲。1968年刘家峡蓄水运用后到1985年，三门峡水库经过两次大的改建，泄流能力增大，1973年后水库又改为蓄清排浑运用，三门峡汛期下泄下泄水量较1960～1968减少了约17%，而沙量增加了约30%，使下游河道淤积明显加重，年均淤积1.7亿t，淤积大部分位于艾山以上河段，花园口~艾山年均淤积量为1.5亿t，占全下游88%。1986年龙羊峡蓄水后，淤积进一步加重，尽管本时段与1968～1985年相比，来沙量有明显减小，只占1968～1985年年均来沙量的71%，但是淤积量却相差不大，为1.65亿t，淤积还是大部分位于艾山以上河段，花~艾河段年均淤积量为1.32亿t，占全下游80%。黄河下游冲淤量见表1-3(表中数据采用《小浪底水库运用方式研究专题报告之二——黄河下游冲淤特性研究》报告中的黄河下游各河段冲淤分析成果)。表1-3黄河下游各河段历年冲淤量(亿t)时段汛期花～高高～艾艾～利花～利1960~1968-0.60-0.35-0.56-1.511969~19851.160.31-0.271.201986~19951.480.08-0.071.49　非汛期　花～高高～艾艾～利花～利1960~1968-0.090.160.550.621969~1985-0.320.340.480.511986~1995-0.400.120.410.13　全年　花～高高～艾艾～利花～利1960~1968-0.68-0.19-0.01-0.891969~19850.850.650.211.701986~19951.130.190.331.65 黄河下游横断面多为主槽(包括深槽和嫩滩)与滩地组成的复合断面，滩地阻力大，洪水期尽管过水面积大，但流速低，过流能力小，只起到过洪的辅助部分；深槽阻力小，曼宁糙率系数一般在0.01左右，流速大，过流能力可占全断面的80%以上，例如1958年花园口站全断面流量由11500m3/s增加到17200m3/s时，深槽过流比由86%增至92%，所以说深槽是河道泄洪排沙的主要通道。深槽的平滩过水面积是反映深槽宽度与深度的一个综合要素，也是反映河道泄洪排沙能力的一个基本指标。黄河下游主要断面的深槽平滩过水面积均由于龙刘水库的汛期蓄水运用而迅速减小，跟龙刘水库运用前的1960年相比，平均减少了约50%。以花园口断面为例，花园口断面1960年深槽过水面积为4010m2,由于三门峡水库的初期拦沙运用，下游淤积有所缓解，1964年10月过水面积增大到5080 m2，但是1968年刘家峡蓄水运用后，由于刘家峡水库的汛期蓄水，使下游汛期来水量减少，而沙量主要来自黄河的中游，致使下游淤积加重，到龙羊峡水库蓄水前，深槽面积减小到了3200 m2。1986年龙羊峡蓄水后，由于龙羊峡也是汛期蓄水运用，深槽的过水面积进一步减少，到1997年10月只剩1006 m2。黄河下游主要断面不同时期深槽过水面积见表1-4。2 黄河下游对黑山峡水库减淤库容要求龙刘水库修建后，特别是龙羊峡水库1986年10月蓄水运用后，平均每年汛期蓄水约40亿m3，丰水年多达近100亿m3，汛期水库大量拦洪蓄水，在非汛期增加流量，均匀发电，改变径流年内分布，使汛期进入下游的排沙流量显著减小，导致河道淤积萎缩。维持黄河必需的泄洪输沙功能是保持黄河生命的条件，进行径流反调节，使龙刘水库蓄水改变的天然径流和水沙条件反调节过来，是黑山峡水库径流反调节的基本目标，这样就可以在一定程度上还原天然情况下汛期大水大沙的有利水沙条件来泄洪输沙，顺应河流自身生存发展的自然规律。在天然大流量过程减少和调节库容不断减小的情况下，下游已建的小浪底和中游规划的古贤与碛口水库要想充分发挥调水调沙作用，也要求上游水库能相机补水排沙。黑山峡水库入库泥沙较少，可以较长时期保持较大的调水调沙库容，利用死水位与汛限水位之间的调节库容，当中下游骨干工程汛期联合调度排沙减淤时集中下泄，对充分发挥干流骨干工程调水调沙作用无疑是有利的。龙刘水库修建后，天然径流过程被改变，致使中下游河段的淤积加重，其中黄河下游河段的淤积最为严重，所以反调节到天然情况下所需的减淤水量最多，黄河下游河段的三黑小三站在修建刘家峡水库之前天然情况下(1950~1959年)汛期来水来沙比为19.3，刘家峡水库蓄水后来水来沙比为20.3，龙羊峡水库蓄水后来水来沙比为17.7，如果均按天然情况下的水沙比19.3计算来水量，则三黑小在刘家峡水库蓄水后年均来水量还多了11.2亿m3，在龙羊峡水库蓄水后年均来水量少了12.4亿m3，进一步根据天然情况下淤积量和来沙量的比例，则黄河下游河段在刘家峡水库蓄水后年均淤积量应该为1.36亿t，实际为2.08亿t，多淤0.72亿吨，在龙羊峡水库蓄水后年均淤积量应该为0.98亿t，实际为2.56亿t，多淤1.57亿t。根据龙羊峡水库蓄水后三黑小汛期来水来沙、天然情况下的水沙比计算，输走一亿吨沙需水26.2亿m3，则输走刘家峡水库蓄水后年均较天然情况下多淤的0.72亿t泥沙需水18.9亿m3，减去较天然情况下的水沙比多出的来水量，则需水7.7亿m3；输走龙羊峡水库蓄水后年均较天然情况下多淤的1.57亿t泥沙需水41.3亿m3，加上较天然情况下的水沙比不足的水量，则需水53.62亿m3；所以龙羊峡水库蓄水后,从黄河下游河段减淤达到天然情况淤积水平的角度分析，减淤水量至少需53.62亿m3。表5 三黑小三站水沙特征值时段汛期水量(亿m3)汛期沙量(亿t)水沙比淤积量(亿t)输1亿吨沙所需水量(亿m3)1952~1959295.815.319.31.922.11969~1986223.311.020.32.125.11987~1995140.77.917.72.626.23 结语黑山峡水库对黄河下游河段的减淤作用非常复杂，水库下泄的减淤水量流经宁蒙河段和龙潼河段后含沙量会有所增加，对下游的减淤作用将会减弱，不过令人欣慰的是在不远的将来，西线南水北调完成后，每年会给黄河调来多达195亿m3 的水量，这将会大大发挥黑山峡水库对下游河道的减淤作用。