基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙

1、基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙摘要：黃河下游河道之所以發(fā)生嚴(yán)重淤積，主要是因?yàn)檫M(jìn)入下游河道的天然水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)。所謂調(diào)水調(diào)沙，就是按照黃河下游河道沖淤規(guī)律，通過人工干預(yù)把進(jìn)入黃河下游河道的不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系塑造為相協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，從而達(dá)到使下游河道減淤或沖刷的目的。關(guān)鍵詞：空間尺度 黃河 調(diào)水 調(diào)沙黃河下游河道之所以發(fā)生嚴(yán)重淤積，主要是因?yàn)檫M(jìn)入下游河道的天然水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)。所謂調(diào)水調(diào)沙，就是按照黃河下游河道沖淤規(guī)律，通過人工干預(yù)把進(jìn)入黃河下游河道的不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系塑造為相協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，從而達(dá)到使下游河道減淤或沖刷的目的。何為協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系呢？分析年進(jìn)入黃河下游河道的場(chǎng)實(shí)測(cè)

2、洪水資料，發(fā)現(xiàn)使下游河道不淤積的水沙關(guān)系為： （）式中，為花園口站含沙量，單位為公斤每立方米；為花園口站流量，單位為立方米每秒，立方米；為細(xì)沙占全沙比例，范圍為。按實(shí)施的途徑不同，黃河調(diào)水調(diào)沙可分為兩種類型，一種是基于小浪底水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)行的調(diào)水調(diào)沙方式，另一種就是本文將要詳述的基于空間尺度的調(diào)水調(diào)沙方式。一、基于小浪底水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)行的黃河調(diào)水調(diào)沙過去研究黃河調(diào)水調(diào)沙，是基于小浪底水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)行的水沙調(diào)節(jié)，如年月日至日進(jìn)行的黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)。這種調(diào)水調(diào)沙方式是根據(jù)黃河下游河道輸沙能力，充分發(fā)揮水庫(kù)自身的調(diào)節(jié)功能，利用調(diào)節(jié)庫(kù)容適時(shí)蓄存或泄放水沙，將天然的入庫(kù)水沙過程調(diào)整為協(xié)調(diào)的出庫(kù)水沙過程。在年月開

3、展的黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)中，伊洛河的黑石關(guān)站和沁河的武陟站流量均較小，小浪底花園口區(qū)間流量?jī)H有立方米，僅占花園口站流量的，花園口站的水沙基本上為小浪底出庫(kù)水沙演進(jìn)而來。由于小浪底水庫(kù)運(yùn)用初期排沙以異重流運(yùn)動(dòng)為主，含沙量較低出庫(kù)平均含沙量為公斤每立方米并且以排細(xì)泥沙為主，細(xì)顆粒泥沙（毫米）、中顆粒泥沙（毫米）、粗顆粒泥沙（毫米）的排沙比分別為、，水沙演進(jìn)至花園口站時(shí)含沙量為公斤每立方米細(xì)沙占全沙的比例為，平均流量立方米每秒，若按公式（）計(jì)算，花園口站流量立方米每秒可攜帶這種泥沙（細(xì)沙占）公斤每立方米而實(shí)際的花園口站含沙量?jī)H為公斤每立方米因此黃河下游河道沖刷了億噸。二、基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙利

4、用小浪底水庫(kù)不同泄水孔洞組合塑造一定歷時(shí)和大小的流量、含沙量及泥沙顆粒級(jí)配過程，加載于小浪底水庫(kù)下游伊洛河、沁河的“清水”之上，并使其在花園口站準(zhǔn)確對(duì)接，形成花園口站協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，實(shí)現(xiàn)既排出小浪底水庫(kù)的淤積泥沙，又使小浪底花園口區(qū)間“清水”不空載運(yùn)行，同時(shí)使黃河下游河道不淤積的目標(biāo)。這就是基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙。實(shí)施基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙要重點(diǎn)解決三大關(guān)鍵問題，一是確定小浪底水庫(kù)不同泄水孔洞組合，二是小浪底花園口區(qū)間洪水、泥沙的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，三是準(zhǔn)確對(duì)接（黃河干流）小浪底、（伊洛河）黑石關(guān)、（沁河）武陟三站在花園口站的水沙過程。（一）小浪底水庫(kù)不同泄水孔洞的出流水沙特性小浪底水庫(kù)排泄水沙

5、的孔洞有：條排沙洞，條孔板洞，條明流洞，條發(fā)電洞。其中，明流洞一般是清水，發(fā)電洞下泄水流含沙量較低，一般不超過公斤每立方米，排沙洞下泄水流含沙量較大，一般達(dá)公斤每立方米，控制這些泄水孔洞的不同組合可塑造不同流量和含沙量的水沙過程。（二）小浪底花園口區(qū)間洪水的水沙統(tǒng)計(jì)小浪底花園口區(qū)間的水沙主要來源于伊洛河和沁河，兩者均為“清水”河流。據(jù)年實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，沁河武陟站多年平均水量?jī)|立方米（汛期占），沙量?jī)|噸（汛期占），汛期平均含沙量?jī)H為公斤每立方米。伊洛河黑石關(guān)站多年平均水量?jī)|立方米（汛期占），沙量?jī)|噸（汛期占），汛期平均含沙量?jī)H為公斤每立方米。小浪底花園口區(qū)間的“清水”演進(jìn)至花園口站時(shí)水流能量明顯過

6、剩，水流含沙量遠(yuǎn)小于其挾沙能力，致使黃河下游河道發(fā)生沖刷。根據(jù)年該區(qū)間發(fā)生超過立方米每秒（日平均流量）的洪水資料，分別統(tǒng)計(jì)沙偏多情況（）、水沙平衡情況（）和沙少水多情況（），結(jié)果是：演進(jìn)到花園口站沙偏多情況占，水沙平衡情況僅有，其余屬于沙少水多，為水流含沙量小于水流挾沙能力情況。進(jìn)一步分析年小浪底花園口區(qū)間的場(chǎng)次洪水，發(fā)現(xiàn)發(fā)生一定歷時(shí)的較大洪水共有次，其中次洪水的水流能量過剩，使黃河下游河道發(fā)生了沖刷。分析以上場(chǎng)小浪底花園口區(qū)間洪水的特點(diǎn)，該區(qū)間平均流量立方米每秒，平均含沙量公斤每立方米，平均歷時(shí)天，加上干流水沙演進(jìn)到花園口，花園口站平均流量立方米每秒，平均含沙量公斤每立方米，細(xì)沙占全沙比例為

7、，屬于沙少水多情況，若按公式（）計(jì)算，花園口流量立方米每秒可攜帶這種泥沙（細(xì)沙占）公斤每立方米超過了實(shí)際發(fā)生的每立方米.公斤因此黃河下游河道發(fā)生了沖刷，平均沖刷了億噸。（三）準(zhǔn)確對(duì)接（黃河干流）小浪底、（伊洛河）黑石關(guān)、（沁河）武陟三站在花園口站的水沙過程根據(jù)小浪底花園口區(qū)間黃河干流、伊洛河、沁河的水沙演進(jìn)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)伊洛河黑石關(guān)站流量過程傳播至花園口站、沁河武陟站流量過程傳播至花園口站、小浪底花園口區(qū)間干流產(chǎn)生的洪水傳播至花園口站三部分洪水在花園口站的疊加，使之在花園口站形成一定歷時(shí)的水沙過程，其流量、含沙量、泥沙顆粒級(jí)配滿足下游河道輸沙要求。根據(jù)三門峽水庫(kù)泥沙淤積規(guī)律，水庫(kù)回水區(qū)域泥沙分選性

8、落淤細(xì)泥沙沉積后，由于粘性的存在，形成“膠泥坎”，致使水庫(kù)降水沖刷時(shí)很難啟動(dòng)。為避免小浪底渾水水庫(kù)細(xì)泥沙在調(diào)控退水期落在河槽內(nèi)固結(jié)，造成下次洪水沖刷效率降低，同時(shí)考慮小浪底水庫(kù)調(diào)控初期出庫(kù)含沙量大的特點(diǎn)（壩前淤積面高程米），以及沙峰和洪峰的合理搭配，花園口含沙量過程的對(duì)接應(yīng)為前大后小。具體對(duì)接按輸沙量平衡原理并按公式（）進(jìn)行分析計(jì)算。（）（）（）式中，為要求的花園口站調(diào)控含沙量；為預(yù)報(bào)的小浪底花園口區(qū)間在花園口站的流量；為預(yù)報(bào)的小浪底花園口區(qū)間在花園口站的含沙量；為要求的小浪底水庫(kù)出庫(kù)流量；為計(jì)算的小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量；根據(jù)公式（）求出，并按公式（）進(jìn)行修正。采用（）式中，為實(shí)測(cè)小浪底花園口區(qū)

9、間沖刷量與小浪底出庫(kù)沙量之比；采用為最終采用的小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量，并據(jù)此調(diào)控小浪底水庫(kù)不同泄水孔洞組合。三、基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙 (第 2 頁(yè))實(shí)例年月日至日，黃河水利委員會(huì)開展了基于空間尺度的黃河調(diào)水調(diào)沙 (第 2 頁(yè))試驗(yàn)。（一）試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)實(shí)現(xiàn)小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)減淤，“攔粗排細(xì)”。解決小浪底水庫(kù)泄水建筑物閘前淤堵問題，將閘前淤泥層高程由米降至米，確保樞紐運(yùn)行安全。充分利用小浪底花園口區(qū)間洪水資源，避免該區(qū)間“清水”入黃后空載運(yùn)行。使下游河道不淤積，并力求使下游河道發(fā)生沖刷。實(shí)現(xiàn)洪水資源化，為引黃濟(jì)津和翌年農(nóng)田灌溉儲(chǔ)備水源。進(jìn)一步深化對(duì)黃河水沙規(guī)律的認(rèn)識(shí)。（二）試驗(yàn)條件水沙條件根據(jù)預(yù)報(bào)，月

10、日至日，山陜區(qū)間局部、汾河、北洛河大部地區(qū)有小到中雨；涇渭河大部地區(qū)有中到大雨，渭河局部有暴雨；三門峽花園口區(qū)間將普降小到中雨，伊洛河個(gè)別站有大雨。預(yù)估潼關(guān)站未來天（月日）徑流量約億立方米，小浪底花園口區(qū)間月日徑流量?jī)|立方米，若考慮近期伊洛河流域的降雨還將增加徑流量約億立方米。河道邊界條件年汛前對(duì)黃河下游河道個(gè)大斷面進(jìn)行了統(tǒng)測(cè)，據(jù)此分析，黃河下游河道的主河槽過洪能力仍然較低，其中夾河灘艾山河段部分?jǐn)嗝妫ü矀€(gè)）的平灘流量在立方米每秒左右，最小為史樓和雷口斷面，平灘流量只有立方米每秒。根據(jù)實(shí)際過洪能力檢驗(yàn)，年月日始伊洛河發(fā)生洪水，最大洪峰立方米每秒，花園口站立方米每秒，下游沒有出現(xiàn)漫灘現(xiàn)象。四庫(kù)運(yùn)

11、用條件（）黃河干流小浪底水庫(kù)小浪底水庫(kù)后汛期汛限水位為米。月日時(shí)小浪底水庫(kù)蓄水位已達(dá)米，相應(yīng)蓄量?jī)|立方米，距米相應(yīng)蓄量?jī)H差億立方米。如果后期繼續(xù)來水，蓄水位將超過米。小浪底水庫(kù)泄水建筑物閘前淤積面高程在月日達(dá)到米，接近實(shí)施防淤堵排沙運(yùn)用的米條件，壩前渾水層厚度達(dá)米，為粒徑小于米的超細(xì)泥沙。（）黃河干流三門峽水庫(kù)繼續(xù)按敞泄方式運(yùn)用，直至潼關(guān)站流量降至立方米每秒左右，北村水位降至米左右時(shí)按控制壩前水位不超過米運(yùn)用。（）黃河支流伊河陸渾水庫(kù)因其屬病險(xiǎn)庫(kù)，按敞泄方式運(yùn)用，同時(shí)要考慮下游河道過流能力為立方米每秒。（）黃河支流洛河故縣水庫(kù)水庫(kù)在月日以前可以短期超汛限水位米運(yùn)行，洪水過后盡快回降至汛限水位米

12、，同時(shí)考慮下游河道過流能力為立方米每秒。月日陸渾、故縣水庫(kù)已達(dá)汛限水位，小浪底水庫(kù)距汛限水位米相應(yīng)蓄量?jī)H差億立方米，為此小浪底水庫(kù)需要防洪預(yù)泄，并結(jié)合預(yù)泄實(shí)施一次小浪底、陸渾、故縣、三門峽四庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度的調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)。（三）試驗(yàn)調(diào)控指標(biāo)根據(jù)黃河干支流水沙預(yù)報(bào)，三門峽、小浪底、陸渾、故縣水庫(kù)運(yùn)行要求，下游河道邊界及排洪安全和輸沙減淤能力等因素，充分考慮小浪底花園口區(qū)間“清水”資源、小浪底水庫(kù)泄水建筑物閘前淤堵和渾水層泥沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，確定花園口站對(duì)接的三項(xiàng)調(diào)控指標(biāo)：流量、含沙量和歷時(shí)。調(diào)控流量（）研究認(rèn)為，在水流含沙量公斤每立方米情況下，使下游河道全程沖刷的臨界流量為花園口斷面立方米每秒，這在年月

13、日日黃河首次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)中得到檢驗(yàn)。（）小浪底壩前有米厚的超細(xì)泥沙渾水層，因泥沙顆粒極細(xì)，用小于 立方米每秒的流量即可將其輸送入海。（）汛前下游河道部分河段的過洪能力只有立方米每秒左右，但通過一場(chǎng)“清水”洪水沖刷及檢驗(yàn)，河道過洪能力有一定程度增加。綜合上述因素，確定調(diào)控流量為立方米每秒。調(diào)控含沙量小浪底水庫(kù)運(yùn)用初期異重流排沙或渾水水庫(kù)排沙一般較細(xì)，只要有一定的流量，就可以將較大含沙量的超細(xì)顆粒泥沙輸送入海。若按公式（）計(jì)算，花園口站泥沙顆粒級(jí)配取實(shí)際發(fā)生的次小浪底花園口區(qū)間洪水的平均值，即細(xì)沙占全沙的比例為，則花園口站流量立方米每秒可攜帶細(xì)沙占的泥沙公斤每立方米。據(jù)此，確定花園口站調(diào)控含沙量為

14、公斤每立方米。調(diào)控歷時(shí)根據(jù)水沙預(yù)報(bào)及各個(gè)水庫(kù)調(diào)控后滿足一定水量、水位要求進(jìn)行推算，調(diào)控歷時(shí)約日。（四）試驗(yàn)過程充分考慮小浪底水庫(kù)有較大調(diào)洪庫(kù)容的條件，以小浪底水庫(kù)出庫(kù)水沙為主要調(diào)控手段來實(shí)現(xiàn)花園口站協(xié)調(diào)的水沙過程，發(fā)揮故縣、陸渾水庫(kù)的調(diào)洪作用，使伊洛河黑石關(guān)站流量均勻保持一定量級(jí)的流量。利用黃河中游洪水預(yù)報(bào)數(shù)學(xué)模型、四庫(kù)聯(lián)調(diào)數(shù)學(xué)模型、中下游河道水沙演進(jìn)數(shù)學(xué)模型以及關(guān)鍵水文站的實(shí)時(shí)、滾動(dòng)水沙測(cè)報(bào)，推算出滿足花園口站水沙調(diào)控指標(biāo)的小浪底水庫(kù)出庫(kù)水沙過程。流量對(duì)接。小浪底水庫(kù)出庫(kù)流量。根據(jù)預(yù)報(bào)小浪底花園口區(qū)間洪水在花園口站的流量，繪制小浪底花園口區(qū)間預(yù)報(bào)流量過程和要求的調(diào)控流量過程的對(duì)照?qǐng)D，按公式（

15、）反推小浪底水庫(kù)的出庫(kù)流量。小調(diào)控流量小花（）式中，小為小浪底水庫(kù)出庫(kù)流量；小花為預(yù)報(bào)的小浪底花園口區(qū)間無工程控制區(qū)的來水流量（含故縣、陸渾水庫(kù)下泄流量）在花園口站的流量。陸渾水庫(kù)出庫(kù)流量。當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到米時(shí)，按進(jìn)出庫(kù)平衡方式運(yùn)用。故縣水庫(kù)出庫(kù)流量。當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到米時(shí)，按進(jìn)出庫(kù)平衡方式運(yùn)用。三門峽水庫(kù)出庫(kù)流量。按敞泄運(yùn)用。含沙量對(duì)接按前大后小的原則對(duì)含沙量過程進(jìn)行控制，前時(shí)段控制花園口站公斤每立方米，中間時(shí)段控制花園口站公斤每立方米，后時(shí)段控制花園口站公斤每立方米。（五）試驗(yàn)結(jié)果過程控制月日時(shí)至日時(shí)分進(jìn)行了三門峽、小浪底、陸渾、故縣四庫(kù)水沙聯(lián)合調(diào)度。為做到精細(xì)調(diào)度，根據(jù)水文滾動(dòng)預(yù)報(bào)，向四庫(kù)實(shí)時(shí)發(fā)出

16、調(diào)度指令。本次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)過程，共向小浪底水利樞紐建管局發(fā)出調(diào)令份，向三門峽水利樞紐管理局發(fā)出調(diào)令份，向故縣水利樞紐管理局發(fā)出調(diào)令份，向陸渾水庫(kù)管理局發(fā)出調(diào)令份。指標(biāo)控制此次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了空間水沙對(duì)接。小浪底花園口區(qū)間的伊洛河（黑石關(guān)站）和沁河（武陟站）發(fā)生了“清水”洪水，平均流量約立方米每秒（占花園口站流量的），平均含沙量?jī)H為公斤每立方米。小浪底水庫(kù)“攔粗排細(xì)”運(yùn)用，水庫(kù)排沙比出庫(kù)流量立方米每秒（占花園口站流量的），出庫(kù)為極細(xì)沙，平均含沙量公斤每立方米（約為花園口站倍）。小浪底水庫(kù)出庫(kù)的渾水與伊洛河、沁河的“清水”在花園口站匯合，花園口站水沙對(duì)接的平均流量立方米每秒，平均含沙量公斤每立方

17、米，平均細(xì)沙占全沙的比例為。若按公式（）計(jì)算，花園口站流量立方米每秒可攜帶這種泥沙（細(xì)沙占）公斤每立方米而實(shí)際的花園口站含沙量?jī)H為公斤每立方米因此黃河下游河道發(fā)生了明顯沖刷。調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)最終達(dá)到的調(diào)控指標(biāo)為：花園口站平均流量立方米每秒，設(shè)計(jì)值為立方米每秒，誤差；平均含沙量公斤每立方米，設(shè)計(jì)值為公斤每立方米，誤差；歷時(shí)日，設(shè)計(jì)值為日。試驗(yàn)結(jié)果按照上述控制，月日日，小浪底水庫(kù)入庫(kù)水量?jī)|立方米，出庫(kù)水量?jī)|立方米，小浪底水庫(kù)凈蓄水億立方米，庫(kù)水位由月日時(shí)的米升至月日時(shí)的米。（）充分利用異重流排沙和渾水水庫(kù)排沙的特點(diǎn)，達(dá)到了小浪底水庫(kù)攔沙初期“攔粗排細(xì)”，減緩庫(kù)區(qū)淤積的目的。小浪底出庫(kù)沙量?jī)|噸，排沙比高達(dá)，排出的泥沙顆粒較細(xì)，中值粒徑約米米。至月日小浪底水庫(kù)渾水層全部泄出，泄水建筑物閘前淤積面高程由米降低至米。（）利用小浪底花園口區(qū)間的洪水資源，將小浪底水庫(kù)異重流或渾水水庫(kù)排出的細(xì)泥沙輸送入海，并且不增加下游河道淤積，提高了水流的輸沙效率。本次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)利用億立方米的水量輸送了億噸的沙量，輸沙用水量為 立方米每噸，較年月首次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)輸沙用水量立方米每噸明顯降低。（）實(shí)現(xiàn)了下游河道的減淤與減災(zāi)的統(tǒng)一。塑造的花園口站流量接近平灘流量，其造床作用最大，加之泥沙較細(xì)，后期含沙量較低，水流沖刷造床能力較強(qiáng)，使花園口以下河道沖刷了億噸泥沙，各斷面的同流量水位較試驗(yàn)前明顯下降，花園口、夾河灘、