基于空间尺度的黄河调水调沙(1)程力学毕业论(2)

三、基于空间尺度的黄河调水调沙实例

２００３年９月６日至１８日，黄河水利委员会开展了基于空间尺度的黄河调水调沙试验。

（一）试验目标

１笔迪中±说姿库库区减淤，“拦粗排细”。解决小浪底水库泄水建筑物闸前淤堵问题，将闸前淤泥层高程由１８２．８米降至１７９米，确保枢纽运行安全。

２背浞掷用小浪底～花园口区间洪水资源，避免该区间“清水”入黄后空载运行。

３笔瓜掠魏拥啦挥倩，并力求使下游河道发生冲刷。

４笔迪趾樗资源化，为引黄济津和翌年农田灌溉储备水源。

５苯一步深化对黄河水沙规律的认识。

（二）试验条件

１彼沙条件

根据预报，９月５日至６日，山陕区间局部、汾河、北洛河大部地区有小到中雨；泾渭河大部地区有中到大雨，渭河局部有暴雨；三门峡～花园口区间将普降小到中雨，伊洛河个别站有大雨。预估潼关站未来６天（９月５～１０日）径流量约１０．５亿立方米，小浪底～花园口区间９月５～１０日径流量４．３亿立方米，若考虑近期伊洛河流域的降雨还将增加径流量约１．０亿立方米。

２焙拥辣呓缣跫

２００３年汛前对黄河下游河道２００个大断面进行了统测，据此分析，黄河下游河道的主河槽过洪能力仍然较低，其中夹河滩～艾山河段部分断面（共１１个）的平滩流量在２０００立方米每秒左右，最小为史楼和雷口断面，平滩流量只有１８００立方米每秒。根据实际过洪能力检验，２００３年９月１日始伊洛河发生洪水，最大洪峰２２２０立方米每秒，花园口站２７８０立方米每秒，下游没有出现漫滩现象。

３彼目庠擞锰跫

（１）黄河干流小浪底水库

小浪底水库后汛期汛限水位为２４８米。９月５日８时小浪底水库蓄水位已达２４４．４３米，相应蓄量５３．７亿立方米，距２４８米相应蓄量仅差６．２亿立方米。如果后期继续来水，蓄水位将超过２５０米。小浪底水库泄水建筑物闸前淤积面高程在９月５日达到１８２．８米，接近实施防淤堵排沙运用的１８３米条件，坝前浑水层厚度达２２．２米，为粒径小于０．００６米的超细泥沙。

（２）黄河干流三门峡水库

继续按敞泄方式运用，直至潼关站流量降至２０００立方米每秒左右，北村水位降至３０９米左右时按控制坝前水位不超过３０５米运用。

（３）黄河支流伊河陆浑水库

因其属病险库，按敞泄方式运用，同时要考虑下游河道过流能力为１０００立方米每秒。

（４）黄河支流洛河故县水库

水库在９月２１日以前可以短期超汛限水位５２７．３米运行，洪水过后尽快回降至汛限水位５２７．３米，同时考虑下游河道过流能力为１０００立方米每秒。

９月５日陆浑、故县水库已达汛限水位，小浪底水库距汛限水位２４８米相应蓄量仅差６．２亿立方米，为此小浪底水库需要防洪预泄，并结合预泄实施一次小浪底、陆浑、故县、三门峡四库水沙联合调度的调水调沙试验。

（三）试验调控指标

根据黄河干支流水沙预报，三门峡、小浪底、陆浑、故县水库运行要求，下游河道边界及排洪安全和输沙减淤能力等因素，充分考虑小浪底～花园口区间“清水”资源、小浪底水库泄水建筑物闸前淤堵和浑水层泥沙运动特点，确定花园口站对接的三项调控指标：流量、含沙量和历时。

１钡骺亓髁

（１）研究认为，在水流含沙量２０公斤每立方米情况下，使下游河道全程冲刷的临界流量为花园口断面２６００立方米每秒，这在２００２年７月４日～１５日黄河首次调水调沙试验中得到检验。

（２）小浪底坝前有２２．２米厚的超细泥沙浑水层，因泥沙颗粒极细，用小于２６００ 立方米每秒的流量即可将其输送入海。

（３）汛前下游河道部分河段的过洪能力只有２０００立方米每秒左右，但通过一场“清水”洪水冲刷及检验，河道过洪能力有一定程度增加。

综合上述因素，确定调控流量为２４００立方米每秒。

２钡骺睾沙量

小浪底水库运用初期异重流排沙或浑水水库排沙一般较细，只要有一定的流量，就可以将较大含沙量的超细颗粒泥沙输送入海。若按公式（１）计算，花园口站泥沙颗粒级配取实际发生的１０次小浪底～花园口区间洪水的平均值，即细沙占全沙的比例为５７％，则花园口站流量２４００立方米每秒可携带细沙占５７％的泥沙３１公斤每立方米。据此，确定花园口站调控含沙量为３０公斤每立方米。

３钡骺乩时

根据水沙预报及各个水库调控后满足一定水量、水位要求进行推算，调控历时约１２日。

（四）试验过程

１背浞挚悸切±说姿库有较大调洪库容的条件，以小浪底水库出库水沙为主要调控手段来实现花园口站协调的水沙过程，发挥故县、陆浑水库的调洪作用，使伊洛河黑石关站流量均匀保持一定量级的流量。

２崩用黄河中游洪水预报数学模型、四库联调数学模型、中下游河道水沙演进数学模型以及关键水文站的实时、滚动水沙测报，推算出满足花园口站水沙调控指标的小浪底水库出库水沙过程。

３绷髁慷越印Ｐ±说姿库出库流量。根据预报小浪底～花园口区间洪水在花园口站的流量，绘制小浪底～花园口区间预报流量过程和要求的调控流量过程的对照图，按公式（４）反推小浪底水库的出库流量。

ｑ小＝调控流量－ｑ小花（４）

式中，ｑ小为小浪底水库出库流量；

ｑ小花为预报的小浪底～花园口区间无工程控制区的来水流量（含故县、陆浑水库下泄流量）在花园口站的流量。

陆浑水库出库流量。当库水位达到３１８．５米时，按进出库平衡方式运用。

故县水库出库流量。当库水位达到５３４．３米时，按进出库平衡方式运用。

三门峡水库出库流量。按敞泄运用。

４．含沙量对接

按前大后小的原则对含沙量过程进行控制，前１／３时段控制花园口站６０公斤每立方米，中间１／３时段控制花园口站２０公斤每立方米，后１／３时段控制花园口站１０公斤每立方米。

（五）试验结果

１惫程控制

９月６日９时至１８日１８时３０分进行了三门峡、小浪底、陆浑、故县四库水沙联合调度。为做到精细调度，根据水文滚动预报，向四库实时发出调度指令。

本次调水调沙试验过程，共向小浪底水利枢纽建管局发出调令３８份，向三门峡水利枢纽管理局发出调令３份，向故县水利枢纽管理局发出调令４份，向陆浑水库管理局发出调令４份。

２敝副昕刂

此次调水调沙试验实现了空间水沙对接。小浪底～花园口区间的伊洛河（黑石关站）和沁河（武陟站）发生了“清水”洪水，平均流量约７３９立方米每秒（占花园口站流量的２８％），平均含沙量仅为１．４１公斤每立方米。小浪底水库“拦粗排细”运用，水库排沙比１０７％煶隹饬髁浚保叮梗傲⒎矫酌棵耄ㄕ蓟ㄔ翱谡玖髁康模罚保ィ，出库为极细沙，平均含沙量４０．５公斤每立方米（约为花园口站１．３倍）。

小浪底水库出库的浑水与伊洛河、沁河的“清水”在花园口站汇合，花园口站水沙对接的平均流量２３９４立方米每秒，平均含沙量３１．１公斤每立方米，平均细沙占全沙的比例为８５％。若按公式（１）计算，花园口站流量２３９４立方米每秒可携带这种泥沙（细沙占８５％）５７．３公斤每立方米煻实际的花园口站含沙量仅为３１．１公斤每立方米熞虼嘶坪酉掠魏拥婪⑸了明显冲刷。

调水调沙试验最终达到的调控指标为：花园口站平均流量２３９４立方米每秒，设计值为２４００立方米每秒，误差０．２５％；平均含沙量３１．１公斤每立方米，设计值为３０公斤每立方米，误差３．６７％；历时１２．４日，设计值为１２日。

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按照上述控制，９月６日～１８日，小浪底水库入库水量２４．２７亿立方米，出库水量１８．２５亿立方米，小浪底水库净蓄水６．０２亿立方米，库水位由９月６日８时的２４６．１米升至９月１８日２０时的２４９．０７米。

（１）充分利用异重流排沙和浑水水库排沙的特点，达到了小浪底水库拦沙初期“拦粗排细”，减缓库区淤积的目的。小浪底出库沙量０．７４亿吨，排沙比高达１０７％，排出的泥沙颗粒较细，中值粒径约０．００５～０．００７米米。至９月１７日小浪底水库浑水层全部泄出，泄水建筑物闸前淤积面高程由１８２．８米降低至１７９米。

（２）利用小浪底～花园口区间的洪水资源，将小浪底水库异重流或浑水水库排出的细泥沙输送入海，并且不增加下游河道淤积，提高了水流的输沙效率。本次调水调沙试验利用２７．１９亿立方米的水量输送了１．２０７亿吨的沙量，输沙用水量为２２．５ 立方米每吨，较２００２年７月首次调水调沙试验输沙用水量３９立方米每吨明显降低。

（３）实现了下游河道的减淤与减灾的统一。塑造的花园口站流量接近平滩流量，其造床作用最大，加之泥沙较细，后期含沙量较低，水流冲刷造床能力较强，使花园口以下河道冲刷了０．３８８亿吨泥沙，各断面的同流量水位较试验前明显下降，花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、洛口和利津断面的２０００立方米每秒水位分别下降了０．２２、０．３０、０．３１、０．２０、０．４５、０．４０和０．４０米。调水调沙试验期间，流量基本控制在不漫滩的条件下运行，将花园口站有可能出现的超４０００立方米每秒洪峰流量削减至平均流量２４００立方米每秒（陆浑水库和故县水库分别将入库洪峰１４４０立方米每秒和１３１０立方米每秒削减至最大出库流量５５０立方米每秒和７４０立方米每秒），避免了大的漫滩损失。

（４）小浪底水库存蓄了６．０２亿立方米水量，为引黄济津和翌年农田灌溉储备了水源。

总之，通过基于空间尺度的调水调沙试验，进一步深化了对黄河水沙规律的认识，探索了人工调控黄河洪水流量、含沙量、泥沙颗粒级配等协调水沙关系的可行性，为充分利用自然力量治理黄河泥沙寻找了一条新的途径。

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