基于空间尺度的黄河调水调沙(1)程力学毕业论

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，从而达到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，从而达到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％。

按实施的途径不同，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日进行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能力，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。

在２００２年７月开展的黄河首次调水调沙试验中，伊洛河的黑石关站和沁河的武陟站流量均较小，小浪底～花园口区间流量仅有５８立方米，仅占花园口站流量的２％，花园口站的水沙基本上为小浪底出库水沙演进而来。由于小浪底水库运用初期排沙以异重流运动为主，含沙量较低煶隹馄骄含沙量为１２．２公斤每立方米煵⑶乙耘畔改嗌澄主，细颗粒泥沙（ｄ＜０．０２５毫米）、中颗粒泥沙（０．０２５＜ｄ＜０．０５毫米）、粗颗粒泥沙（ｄ＞０．０５毫米）的排沙比分别为４５．５％、４．８％、１．６％，水沙演进至花园口站时含沙量为１３．３公斤每立方米熛干痴既沙的比例为５１％，平均流量２６４９立方米每秒，若按公式（１）计算，花园口站流量２６４９立方米每秒可携带这种泥沙（细沙占５１％）２９公斤每立方米煻实际的花园口站含沙量仅为１３．３公斤每立方米熞虼嘶坪酉掠魏拥莱逅⒘耍埃３６２亿吨。

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标。这就是基于空间尺度的黄河调水调沙。

实施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能力，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能力情况。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。

分析以上１０场小浪底～花园口区间洪水的特点，该区间平均流量１０８７立方米每秒，平均含沙量８．１公斤每立方米，平均历时１１天，加上干流水沙演进到花园口，花园口站平均流量４３７４立方米每秒，平均含沙量３５．６公斤每立方米，细沙占全沙比例为５７％，ｓ／ｑ＝０．００８，属于沙少水多情况，若按公式（１）计算，花园口流量４３７４立方米每秒可携带这种泥沙（细沙占５７％）５６公斤每立方米煶过了实际发生的每立方米３５.６公斤熞虼嘶坪酉掠魏拥婪⑸了冲刷，平均冲刷了０．３４７亿吨。

（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部分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。为避免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小。

具体对接按输沙量平衡原理并按公式（２）进行分析计算。

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）进行修正。

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。

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