小浪底水庫運用階段的調沙問題

小浪底水庫運用階段的調沙問題

1小浪底水庫實際使用效果小浪底水庫于1999年竣工。開發(fā)任務為“防洪（包括防洪、民防）、減少淤泥和收集淤泥，同時考慮供水、灌溉、發(fā)電、除害和一般利用”?！毙±说姿畮煊?999年4月下閘蓄水。水庫設計總庫容126.5×108m3,長期保留有效庫容51×108m3,最終可攔沙100×108t,能減少下游河道淤積78×108t。自蓄水以來,至2006年10月,黃河下游利津以上累計沖刷13.23×108t。2002年至2004年進行了調水調沙試驗。2005年至2007年每年均在一段時間采用了調水調沙運用。調水調沙以來,至2006年使下游河道最小平灘流量已由1800m3/s增加至3500m3/s。調水調沙6年,效果顯著,超出了原來設計的要求,對處理泥沙而言,已不是當時要求的單純減淤,而是有效的改善了河道,僅從避免了中小洪水灘區(qū)淹沒看,已有明顯的減災效益,和降低了小浪底水庫中小洪水小蓄水帶來的風險。小浪底水庫7年的初期運用,盡管從水庫淤積的安排和下游河道沖刷的效果看,是頗有成效的。但是,也有一些不同看法,包括小浪底水庫是否按攔粗排細在運用:庫水位與原規(guī)劃偏高;初期運用是否應安排河道大幅度沖刷?調水調沙的作用怎樣?初期運用根據新的情況對原規(guī)劃進行一些調整是否正確或恰當。這些問題頗為復雜,彼此相互關聯,難以簡單說清。本文從較深層次上進行了研究,揭示了它們內在的、本質的聯系,從宏觀上給予定量的表達。因此,本文并不是爭論什么問題,而只是想揭示其本來面目,供大家正確認識有關問題和了解小浪底水庫運用與調水調沙是頗有成效的。2水庫攔粗排細的設計及結果分析攔粗排細的道理很簡單,在淤積過程中,顆粒粗,沉速大,沉降快,因而淤積多。對此我們曾建立了不同粗細泥沙在沉降過程中級配的變化公式Ρ4,l=Ρ4,l,0(1-λ)(ωlωm)n1-λ(1)其中P4.l.0、P4.l為進庫和出庫級配,λ為水庫淤積百分數,ωl為粒徑Dl的顆粒的沉速。n<1為指數,它反映粗細泥沙分布不均勻時的校正系數。例如對于一些緩流區(qū),和異重流倒灌范圍,往往只有細泥沙,因此淤積也僅限于這種顆數,而沒有粗沙淤積,致使n減小。ωm為分選時的平均沉速,它由∑Ρ4.l=∑Ρ4.l.0(1-λ)(ωlωm)n-1=1(2)確定。該式曾被丹江口水庫、三門峽水庫及其它水庫、放淤區(qū)大量資料證實是正確的。當λ為已知,ωm在滿足式(2)的條件下,通過試算確定。若不想試算,可采取下述方法進行。將式(1)寫成Ρ′4.l=Ρ4.l(1-λ)=Ρ4.l.0(1-λ)ωnlωnm(3)即Ρ′4.l=Ρ4.l(1-λ)=Ρ4.l.0[(1-λ)1ωnm]ωml=Ρ4.l.0ξωnl(4)此處ξ=(1-λ)1ωnm(5)為此,任設ξ<1,由(4)求出P′4.l,再求Ρ′4.l∑Ρ′4.l=Ρ4.l(1-λ)∑Ρ4.l(1-λ)=Ρ4.l.0ξωnl∑Ρ4.l.0ξωnl=Ρ4.l(6)以及λ=1-∑Ρ4.l.0ξωnl=1-η1(7)利用上式及涂啟華給出的進出庫級配資料得到表1。表中的n=0.3,而λ=0的P4.l就是進庫級配P4.l.0。不同的淤積百分數λ(相應的不同排沙比η1)條件下的級配P4.l也均列于表1其余各項。由表1的λ～P4.l的關系,插補排沙比η1等于一些特征值時的出庫級配如表2?，F在對比一下由公式(1)計算的攔粗排細的結果與實際測驗資料的對比。據文獻中給出的小浪底水庫歷年汛期出庫分組輸沙量為D1<0.025mm為3.35×108t,0.025mm≤D2<0.05mm為0.37×108t,D3≥0.05mm為0.25×108t,相應地平均出庫級配P1=0.844,P2=0.093,P3=0.063。此時歷年累計汛期入庫沙量為23.70×108t,出庫沙量為3.96×108t,淤積量為19.74×108t。而水庫排沙比η1=0.167時,由式(1)計算的各組泥沙級配(表2)分別為P1=0.861,P2=0.126,P3=0.013。實測與計算的對比后,可知對細沙的級配P1彼此很接近;對于中、粗沙由于絕對值太小,相對誤差較大,但能基本反映攔粗排細的作用。并且需要注意的是實際的攔粗排細作用較公式(1)計算的要小。小的原因是因為中細沙常常會在緩流區(qū)和異重流運行中及支流倒灌時淤積,而此時粗顆粒是不參預的,所以實際上的粗顆粒淤積少,出庫多。此外尚需要指出的是,這里雖然引用的汛期資料,但是由于在小浪底水庫運用時汛期入庫沙量占全年的92.9%,故仍然能代表全年的情況。以下將以公式(1)和表2分析水庫攔粗排細的作用和限制,及攔粗排細的合理指標,這一點在小浪底工程設計中,只有定性要求沒有定量的指標。第一,水庫淤積并不是先淤粗沙,后淤中沙,最后輪到細沙。而是粗沙、中沙、細沙均淤,只是粗沙淤積的多,細沙淤積的少。否則按表1的資料,進庫粗沙占26.7%,則當淤積百分數為26.7%(相應的排沙比為73.3%)時粗沙就會淤完,水庫僅蓄很少的水就夠了。實際上從表2看出,當排沙比達73.3%時,實際上出庫級配為P3=0.194,P2=0.277,P1=0.529,也就是說粗沙僅淤下46.7%,中沙淤下28.5%,細沙淤下13.6%。第二,從表2看出,要做到攔粗排細,水庫排沙比必須很小。由表中可見,如要求將粗沙(D≥0.05mm)顆粒絕大部分淤在水庫中,如要求粗顆粒剩下全沙的2.1%,則排沙比要小于0.20。即80%以上的泥沙要淤在水庫中才能將粗沙基本攔住。在淤積過程中各組沙包括細沙也均要淤下。事實上,當排沙比恰為0.2,淤積百分數為80%時,粗沙基本淤完外,同時細沙剩下83.3%,中沙仍剩下14.6%。第三,從泥沙淤積后挾沙能力加大看,若要達到下游河道有明顯沖刷的效果,以盡可能提前改善下游河床,也必須限于較小的排沙比。設下游河道進口建庫前挾沙能力為S*0=κ(V3ghω0)m≈κ(V3ghω0)0.92(8)則僅僅由于淤后的級配變細沉速減少,導致挾沙能力的變化為S*S*0=(ω0ω)0.92(9)此處ω為下游河道進口平均沉速,下標“0”表示修建水庫以前的,不加“0”表示修建水庫以后的。在表2中計算了(9)式?？梢姰斉派潮扔?.00減小至0.159時,S*S*0不斷增大,這反映了水庫的攔粗排細的作用。從中看出在η1=0.30至0.20間,S*S*0有迅速地變化。當η1≥0.30時,S*S*0≤2.74;而當η1≤0.20時,S*S*0≥5.23?？梢娨谒畮斐跗谶\用時使下游河道有明顯的沖刷,必須要減少排沙比至0.20左右,從而較早獲得擴大河槽的效果。3水庫聚集對減少下游河流的聚集或增加或減少影響3.1關于黃河下游排沙比的確定參數,其基本條件指出量計算我們曾經證明緊靠水庫的下游河道排沙比與水庫排沙比有密切關系,并且在一定條件下這種關系幾乎是單值的函數。事實上對于水庫的排沙比η1一般可寫成η1=S1S1.0=f′1(Q,Sl.0,Ρ4.l.0,ΔΗ)=f1[Q,S1.0,Ρ4.l.0,ΔΗ(η1)](10)此處S1.0、S1分別為水庫進出含沙量,Q為流量,P4.l.0為進庫級配,ΔH為水庫壅水高度,它決定了排沙比η1,或者反過來說也可將ΔH看成η1的函數。另一方面下游河道的排沙比為η2=S2S2.0=f′2(Q,S2.0,Ρ4.l,Ρ1.l)=f2[(Q,η1S1.0,Ρ4.l.0(η1)?Ρ1.l.0(η2)](11)其中S2.0為下游河道進入的含沙量,它顯然為水庫出庫含沙量S1=η1S1.0,下游河道進口級配就等于水庫出庫級配P4.l,而P4.l按式(1)決定于水庫進庫級配P4.l.0及水庫排沙比η1=1-λ;下游河道床沙級配P1.l,在沖刷過程中也是變化的,它決定于初始床沙級配P1.l.0及下游河道沖刷百分數λ2=(1-η2)或排沙比η2。這樣由式(11),當Q、P4.l.0、P1.l.0、S1.0固定,則有η2=f(η1)(12)當然Q、S1.0是變化的,但對于年平均或多年平均有一定的穩(wěn)定性,且它們對關系(12)作用小,故在一般條件下,只要河型沒有大的變化,式(12)也能近似滿足。實際上Q、P4.l.0、S1.0是變化的,但是若S1.0、P4.l.0均是Q的函數,且注意到P1.l.0不變,則(10)式和(11)式為η1=f1(Q)(13)η2=f2(Q,η1)(14)從而由式(13)得Q=f-11(η1),故將其代入式(14)仍有η2=f(η1)當然此時,式(12)的限制條件可以放寬,從而在滿足S1.0、P4.l.0是Q的函數,則式(12)應為單值的。需要強調指出的是,公式(12)的基本條件是入庫沙量基本是飽和的,即S1.0(ⅴ)S*0?；蛘呓咏嗄昶骄闆r。否則有一定誤差。首先檢驗上述論證的是圖1三門峽水庫排沙比與黃河下游排沙比的實測關系η2=0.743η-0.8331(15)可見η2=f(η1)幾乎是單值的。圖中所用的資料見表3。該式是我們于1982年得到1,后來載于《水庫淤積》中。需要指出的是,公式(12)具有一定的普遍性,并不限于三門峽水庫資料。我們曾分析了數學模型計算的三峽水庫淤積與下游河道沖刷資料,發(fā)現它們的關系也幾乎是單值的,并且符合η2=0.94η-0.351(16)與式(15)的曲線型式相同。3.2調沙過程在表4列出了有關小浪底水庫淤積與沖刷的3個資料。其中有涂啟華資料、“泥沙信息參閱”資料及黃河水利委員會《小浪底攔沙初期運用分析評估報告》中的資料。表中列出了在小浪底運用期間水庫實測總排沙比η1及下游河道排沙比η2和有關參數。同時表中也按三門峽水庫單獨運用期間η2與η1的關系式(15)計算了η2及下游河道沖刷量?？梢姀尿炞C下游河道排沙比看,資料1和資料2計算的η2與實測的符合好,資料1實測為3.58,計算為3.42,相對誤差為-4.5%。資料2,相對誤差為-4.2%。資料3誤差稍大,為-12.1%。這種精度作為一般分析,已經足夠。當然,從這三個資料綜合看,或者從權威的資料3看,按式(15)計算的河道排沙比η3及沖刷量略為偏小?？磥磔^三門峽水庫運用的η2稍有偏大的原因是,小浪底水庫在2003年8月底至9月初形成了渾水水庫,至9月3日,渾水面達到204.16m高程,厚度為22.2m,經估計,渾水水庫體積約為9×108m3,沙量最大達1.1×108t。接著開展了調水調沙,將渾水水庫泥沙絕大部分排出庫外,沙量達到0.815×108t(另一資料說0.740×108t),使出庫含沙量達40.55kg/m3,而河口利津含沙量也達44.39kg/m3,下游河道沖刷0.456×108t,是歷次調水調沙含沙量最大的。而且還應指出的是,在調沙期間,壩前水位是上升的,變化在240m～250m以上,是很高的。在所有5次調水調沙中唯獨這一次壩前水位是上升的。其余均是下降的。可見此時若不是渾水水庫排沙,出庫含沙量會很小,下游河道排沙比也會很小。事實上,除2002年因為調水調沙時水位特別低,水庫含沙量較大(12.2kg/m3)外,其余2004年、2005年、2006年三次的出庫沙量均小于0.084×108t,含沙量不超過1.53kg/m3。因此若按這三次估計,則2003年調水調沙由于渾水水庫的排沙加大出庫輸沙量約0.73×108t。由于這些細沙對下游河道輸沙能力影響很小,故可認為渾水水庫排沙對利津輸沙量也加大0.73×108t。這樣表4中的1至3的水庫排沙比η1分別修正為0.131,0.130,0.133;由此計算的下游河道排沙比η2分別為4.22、4.07、3.99,修正后相應淤“實測”排沙比η2為3.94、4.11、4.44,它們的相對誤差分別為7.1%、-0.97%、-10.1%。相應的由η′2計算的沖刷量分別為11.11×108t,11.21×108t,11.51×108t?？梢娪嬎愕臎_刷量與實際沖刷量之差較之表4更合理一些。若認為上述三項資料均有一定的誤差,則將它們平均后,得到的η1、η2也列入表4中。可見此時實測的η2=3.66,而由(13)式計算的η2=3.42,兩者的相對誤差為-6.56%,可見式(15)是可以接受的。同時若將上述去掉渾水水庫異重流排沙效果后的修正數據,經三次平均后分別為η1=0.131、實測η2=4.19、計算η2=4.04,可見η2的相對誤差為-3.6%。相應的計算W=11.30×108t與實測W=11.63×108t的相對誤差為-2.8%。由于資料3有分年的結果,我們也計算了各年的η1、η2、η′2等列入表5中。從中看出,除2003-2004年,2005-2006年η2的誤差大以外,其余各年的差別均很小,這也說明式(15)的經驗關系不是偶然的,對單年與多年資料能予以描述。而且對于2003-2004年,由于異重流細沙多排0.73×108t,若不考慮這種細沙由水庫排出,η1=0.217。3.3小浪底水庫的減淤能力設多年平均來沙量為Qs.0,出庫年沙量Qs.1,進入下游河道的沙量[包括小浪底出庫及伊洛河(黑石關)和沁河(武陟)沙量之和]Q′s.1,ΔQs則表示伊洛河和沁河的來沙量,利津年輸沙量為Q′s.2,水庫最終淤積量為Wc,它的淤積年限為t1;下游河道年沖淤量為ΔW,沖淤總量為W,減淤總量為V,減淤年限為t2,下游河道建庫前平均淤積量。對于小浪底水庫Wc=100×108t。則有如下關系Qs.1=η1Qs.0(17)Q′s.1=Qs.1+ΔQs=η1Qs.0+ΔQs(18)t1=Wc(1-η1)Qs.0(19)Qs.2=η2Q′s.1(20)ΔW=Q′s.1-Qs.2=Q′s.1-η2Q′s.1=(1-η2)Q′s.1(21)W=(1-η2)Q′s.1(1-η1)Qs.0Wc=(1-η2)Q′s.1t1(22)V=ΔV0t1-W=ΔV0t1+(η2-1)Q′s.1t1(23)t2=VΔV0=t1-WΔV0=t1+(η2-1)Q′s.0ΔV0(24)上述各式還可寫成相對值如下。排沙比η1=Qs.1Qs.0(25)水庫淤滿的相對時間t1Τ1=Wc(1-η1)Qs.0Τ1=1(1-η1)(26)下游河道相對沖刷總量(即沖刷總量占水庫淤積總量的比)WWc=(1-η2)Q′s.1t1Wc(27)下游河道相對減淤總量(相對于水庫淤積總量的下游河道減淤量)VWc=ΔV0t1Wc+(η2-1)Q′s.1t1Wc(28)可見上述所有相對的值,只決定于參數Qs.0、Wc、ΔV0,而式(25)作為定義,Τ1=WcQs.1為來沙全部淤在水庫的平衡時間。表5是作者根據式(15)、式(18)～式(24)在小浪底水庫淤積研究初期與世行美國專家卡爾·諾丁討論時計算的一個成果,后來寫在《水庫淤積》中。在表5中忽略了伊洛河和沁河的來沙,即ΔQs=0。表5除Ws=100×108t外僅采用了兩個數據,一是多年平均來沙量Qs.0=15.6×108t,另一是建庫前下游河道在自然條件下年平均淤積量3.87×108t。表中給出了水庫不同排沙比、下游河道排沙比、沖刷及減淤情況。從它可以明顯看出水庫排沙比對下游河道的影響。現在研究小浪底初期運用(2000年至2006年)水沙條件下的η2～η1的關系及下游河道沖刷和減淤情況。表6是在年平均來沙Qs.1=3.96×108t;下游河道年淤積量ΔV0=1.19×108t,小浪底水庫平衡淤積量為Wc=100×108t的條件下,計算的η2、下游河道沖刷量ΔW,減淤量V及減淤時間t2等與水庫排沙比η1的關系。由于伊洛河、沁河來沙可以忽略(見表4),仍取Q′s.1=Qs.1。從中能得出下述幾點認識。第一,下游河道沖淤分界的水庫排沙比仍為0.70,這是式(15)的參數0.743和0.833決定的。第二,水庫排沙比η2隨η1增加而減少,當η1<0.70時,η2>1,表示下游河道沖刷;當η1>0.70時,η2<1,表示下游河道淤積。第三,當要求下游河道沖刷明顯,η1應小于0.500。此時下游河道沖刷量僅及進入沙量的32%。第四,隨著η1增大,t1增加;W則減少,以至變?yōu)橛俜e;減淤年限t2和減淤量V則增加。第五,與表5不同,減淤總量、減淤時間沒有極大值。第六,由于表6年來沙量3.96×108t,僅為表5年來沙量15.6×108t的25.4%,故水庫淤積年限,下游河道減淤年限大幅度增加。第七,為了給予簡單的明確的概念,表5及表6中有的計算是按平均情況下的排沙比估計至最終。實際上,隨著水庫淤積,由于水庫及庫容的變化受限制,實際上排沙比不能固定,而是愈來愈大。這里的比較只是強調各種排沙比的相對差別。第八,當η1<0.2,則下游河道沖刷量約為水庫淤積46%,這與一般經驗(沖刷約占淤積的50%)符合。當0.2<η1<0.5,沖刷量約為淤積量的35%。第九,當η1≈0.1715時,下游河道沖刷總量取極大值46.11×108t。由式(22)及(19)知,下游河道沖刷量W=Wc=(0.743η1-0.833-1)η11-η1=0.743η10.167-η11-η1Wc(29)可以證明,W存在極大值。事實上,對上式求導,并令其為零,有dWdη1=[0.833×0.743η10.167+0.167×0.743η1-0.833-1](1-η1)2=0(30)即0.833η1.Μ0.167+0.167η1.Μ-0.833-0.743-1=0(31)即當η=η1.M=0.1715時,dWdη1=0,此時下游河道沖刷量獲極大值。由式(29)得極大值為46.11。為了對比年來沙量不同對減淤的影響,在表7中給出了年來沙量為10×108t,建庫前下游河道年淤積量3×108t條件下,小浪底水庫淤積與下游河道沖刷和減淤的關系。對比表6和表7,可知來沙量不同對水庫淤積年限和下游河道減淤年限影響大,因為據式(19)、(24),它們與年來沙量成正比。即將表6的t1、t2除以或乘以它們的來沙比3.96×108t/10×108t=0.396,即為表7的值。至于下游河道沖淤總量與減淤總量與年來沙量無關,僅決定水庫的攔沙總量,其兩表中的值幾乎一致。4高效建設和沙量數次調水調沙已有明顯的效果,這表現在沖刷加大了過水面積,增加了平灘流量;沖刷出的含沙量也達到了相應流量的含沙量平均水平。4.1水文的排沙能力第一,據涂啟華資料五次調水調沙總沖刷量2.764×108t,共91天,平均出庫流量小浪底2528m3/s,利津2425m3/s,平均含沙量小浪底5.94kg/m3,利津19.28kg/m3。按含沙量排沙比為3.25。其次據文獻汛期入庫沙量3.95×108t,則水庫排沙比為0.167,相應的由式(15)求出的下游河道排沙比為η2=3.30?？梢娕c調水調沙實際的排沙比η2=3.25是一致的。這表明調水調沙與三門峽水庫的排沙水平(公式(15)是由三門峽資料建立的)完全一致。第二,根據黃委設計院整理的黃河下游多年平均資料,當Q=2000m3/s～2500m3/s,共10場洪水(合計102天),三黑小(三門峽站、北洛河黑石關站、沁河小董站)含沙量8.93kg/m3,利津含沙量21.8kg/m3,沖起含沙量12.87kg/m3。五次調水調沙平均,三黑小含沙量為5.94kg/m3,利津含沙量19.28kg/m3,沖起含沙量13.34kg/m3。調水調沙出利津的含沙量雖然稍小,但沖起的含沙量稍多?？梢娨彩菍儆谕凰?調水調沙已達到了出口含沙量的要求。第三,小浪底水庫運用7年進入下游河道來水總量221.9×7=1553×108m3,總來沙量4.38×108m3,總沖刷量13.23×108t,每排1噸沙耗水88.2m3。而五次調水調沙利津總水量為191.8×108m3,沖刷量2.764×108t,利津輸沙量3.677×108t,每1噸沙耗水52.2m3。顯然調水調沙還是加大了沖刷,減少了耗水?？梢娝^調水調沙,用100m3水排1噸泥沙的說法不符合實際。此外上述7年總沖刷效果也包含了調水調沙,如果除去5次調水調沙,則總水量大體為1362×108m3,輸沙14.85×108t,故按細水長流,排走1噸沙耗水97.8m3,效率遠低于調水調沙的52.2m3。4.2水位流量關系調水調沙的最大效果還不僅多輸走了3.677×108t泥沙,而在大流量沖刷改善了河道,使平灘流量大幅增加(表8),有利于后來大水時進一步沖刷,不受制生產堤防洪要求的限制。更主要的是減少了為保灘區(qū)安全而不得不采取的小洪峰蓄水,從而加大了小浪底水庫防洪運用的安全。從花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山、利津六站水位流量關系看,沖刷明顯地擴大了斷面,加大了平灘流量。如圖2至圖7。從表2至表7看出,2002年汛初即調水調沙前,最小平灘流量為高村的1800m3/s。經過調水調沙至2006年初,最小平灘流量已達3500m3/s。平均而言,各站流量約增加了1000m3/s～2000m3/s。這是非常大的效益,否則,若不調水調沙,不排泄大流量,主槽斷面就難以擴大。從圖2看出,在小浪底水庫蓄水后至調水調沙前,即1999年至2002年,按細水長流運用,除花園口水位下降,及夾河灘基本不變外,其余各站在1999年至2002年,水位流量關系是抬高的,從而不可能擴大河槽斷面。必須指出的是,如果河槽斷面不擴大,當來了2000m3/s～8000m3/s時,從以人為本考慮,為保護灘地農田和人民,就可能蓄水,這種條件蓄水,如果再來了大流量怎么辦?這種調度會給小浪底水庫防洪運用帶來很大的風險,大大降低了其防洪效益。4.3流量水位對比調水調沙運用后,黃河下游全河段均出現沖刷,水位也相應的降低,其特點如下:第一,1999年至2002年,除花園口水位有所降低、夾河灘在此期間變化不大外,以下四站均是1999-2002年同流量水位抬高,2002年以后,水位流量關系才開始降低。這說明1999-2002年,按設計小流量細水長流沖刷,對水位流量關系的影響僅及夾河灘。只有2002年以后調水調沙出現大流量沖刷,同流量水位降低才迅速向下游發(fā)展。第二,花園口從1999年至2006年同流量水位降低約1.5m。以下各站從2002年至2006年依次水位降低為:夾河灘1.0-1.5m;高村1.2-1.5m;孫口0.8-1.0m;艾山1.0-1.2m;利津0.8-1.0m?？梢?002年后才大幅度降低。第三,除孫口外,其它5站2006年在流量3000m3/s以上,水位流量關系迅速平緩,同高程流量迅速加大。這正是加大造床流量的效果。第四,還需要指出的是,三門峽水庫在1960年9月至1964年10月,水庫淤積45.91×108t,下游河道沖刷23.12×108t,但是至1964年汛后Q=3000m3/s的洪水位降低并不多,如表9?？梢娀▓@口降低1.32m,夾河灘降低1.32m,高村降低1.32m,孫口降低1.56m,艾山降低0.76m,利津無變化。而小浪底水庫在初期運行7年,水庫淤積23.28×108t,下游河道沖刷13.23×108t,3000流量水位降低由圖2知:花園口1.3m,夾河灘1.4m,高村1.3m,孫口0.75m,艾山至少1.0m,利津也接近1.0m。盡管三門峽水庫下泄清水期,下游河道沖刷量幾乎大1倍,但是其3000m3/s的水位降低除孫口外,其它均與小浪底水庫初期運用時下游各站水位降低相近和低於后者。顯然這是由于三門峽初期運用時,系自然蓄水和滯洪,流量不穩(wěn)定,變幅大,沖刷主要表現在岸灘崩塌,而主槽沖深占的比例小,特別是下段山東河道沖刷少(利津水位未見降低),上、下游沖刷不連通,故大流量時水位降低少。而小浪底初期運用調水調沙時,控制了流量,沖刷主要發(fā)生在主槽中,而且山東河段沖刷也很多,致使全河道貫通,故水位降低多。4.4山東非采用沖淤情況根據文獻,當流量小于2500m3/s時,山東河段是淤積的,而當流量大于2500m3/s時,山東河段是沖刷的。可見如果扣去400m3/s至2500m3/s的淤積,則山東河道將轉為沖刷。更有說服力的資料可見表10。這是據文獻中列出1960-1996年的資料按36年平均的。從中看出如下幾點。第一,汛期大流量,艾山以上河段是淤積的,艾山至利津是沖刷的;非汛期中小流量,高村以上是沖刷的,高村至艾山、艾山至利津是淤積的。第二,艾山至利津河段(非汛期)枯水期的淤積,超過了汛期的沖刷。若人為的將非汛期去掉,則山東河段將是沖刷的。第三,從非汛期全河看,基本是平衡,花園口至高村年均沖刷0.795×108t,而高村以下淤0.681×108t,即沖淤基本相等。這正是沖河南淤山東的根據。當然這只是在非汛期。第四,小浪底水庫調水調沙盡量避免了500m3/s～2000m3/s,從而大大的改寫了黃河下游河床演變的歷史,大幅度增加了山東河道沖刷的比例。自1999年10月至2006年10月,艾山至利津汛期合計沖2.47×108t,非汛期淤0.61×108t,兩相抵銷沖1.86×108t,占全河沖刷量13.25×108t的14.03%。終于實現了山東河道明顯沖刷。而且艾山至利津沖刷占全河的比例大于三門峽水庫1960年至1964年清水下泄時的9.13%。5黃河下游河道的第二造床流量小浪底水庫經7年運行(特別是2002-2006年5年運行)后,平灘流量明顯加大,河段最小值已從1800m3/s增加至3500m3/s左右。最近1-2年,要求進一步增加至4000m3/s左右。是否可能?增加后是否能維持?現予以研究和討論。(1)平灘流量與造床流量是兩個不同的概念。造床流量是從河流在一定坡降條件,由來水來沙過程經過沖淤使縱、橫剖面達到平衡時的流量。而實際的主槽的滿槽流量稱為平灘流量。造床流量應是相對穩(wěn)定的,而平灘流量是經過沖淤后的滿槽流量?；蛘哒f,平灘流量因沖淤圍繞造床流量波動。對于造床流量,過去沒有嚴格的定義,大都采用經驗的方法或所謂造床作用最大(即輸沙能力最大)的概念建立。但是造床的作用如何表達?它與輸沙能力的聯系又怎樣,并沒被闡述。其次,實際的變動流量過程的造床作用用一個固定流量來代表,顯然只能代表造床作用的某個方面,而不能代表所有的主要造床作用。因此一個造床流量來代表河流的造床作用也是不夠的。為了代表一個變動流量過程的造床作用,我們曾提出了兩個造床流量:第一造床流量與第二造床流量。前者是在相同坡降下,用該流量代替一個變動流量過程,恰好輸走全部來沙的流量,即塑造縱剖面的代表流量。后者是塑造橫剖面主槽的代表流量。我們曾證明黃河第一造床流量Q1=[∑i=1ΝQin+1tiΤ]1n+1=[∑i=1ΝQin+1Ρi]1n+1(32)此處Qi為Δti時段的平均流量,T為時段總長,Τ=∑i=1Νti?Ρi=tiΤ為頻率,對黃河游蕩河段,n=0.805,山東河段n=0.872。式(32)中方括號內的符號表示決定輸沙量的平均流量的n+1次冪。設Si=KiQin,則輸沙率Qs,i=QiSi=K1Qin+1,而一段時間(如1年)的輸沙量為∑i=1ΝQs,i=∑i=1ΝQsSi=Κ1Τ∑i=1ΝQin+1Ρi=Κ1ΤQ1n+1可見Q1是代表輸走全部來沙∑i=1ΝQs,i的代表流量?；蛘哒f在坡降不變的條件下,用固定流量Q1來代替變動流量過程,它可以達到輸沙縱向平衡。這個代表流量就是塑造縱剖面的第一造床流量。對第二造床流量則表示為∑Q=QmQ=Q2(Si-Κ2Qin)QiΔti∑Q=QmQ=QΜ(Si-Κ2Qin)QiΔti=12(33)Κ2=∑i=1ΝSiQiΔti∑i=1ΝQin+1Δti(34)或Si*=Κ2Qin=f(Qi)(35)其中Qm是洪峰到來開始沖刷的流量,QM是沖刷階段的最大流量。上式是根據沖積河道洪峰期沖刷的一般規(guī)律提出的。該式的物理意義是洪峰沖刷量達到一半的流量就是第二造流量。對于堆積性河流的特例,若洪水期是淤積的,上式則表示淤積至一半的流量。尚需要補充說明的是式中KQin=S*i,表示挾沙能力。當實測資料系列接近平衡時,可用(34)式反求K;若有較可靠的挾沙能力公式,采用已有的(35)式亦可。在本文中對式(35)中的挾沙能力暫取文獻的表2-3-2中的黃河下游河道各站的經驗公式轉換。它們?yōu)镼s=ΚQαS上βΡ*γ(36)Qs=ΚQαS上β(37)(35)式適用于花園口,(36)式適用于高村、艾山和利津。式中Qs及Q為本站懸移質輸沙率及流量,S上為上游站的含沙量,P*為來沙中小于0.05mm泥沙所占的權重。各站的K、α、β、γ取值如表11。(2)文獻及利用各站多年資料求出的黃河下游四站挾沙能力經驗公式,得到的它們的第二造床流量如表12所示。同表還列出了第一造床流量?？梢姷诙齑擦髁恳话爿^第一造床流量大3-4倍?，F在將文獻提出的平灘流量與第二造床流量進行對比。表中平灘流量以前的各列取至文獻,而第二造床流量則取至表12中,高村及艾山兩站的平均值。這是因為這兩站資料最全,且分別代表游蕩河段與彎曲河段。至于為什么采用不同河段平均值是由于盡管它們的河型不同,但第二造床流量均差別不大(見表12),而且文獻給出的平灘流量也是全黃河下游的。如果分段,無法與實際的平灘流量對比。為了使讀者對沖淤引起主槽過水面積及平灘流量變化有明確的概念,在表中給出了一些估計值。估計的有關參數為平均流速V=2.00m/s,主槽平均寬度按800m,灘面平均寬度按800m,河段長按900km。同時主槽的淤積與沖深還考慮了灘地的淤積。顯然主槽灘槽差的變化δ=δ2-δ1其中δ2為灘面沖淤厚度,δ1為主槽沖深厚度。淤積為正,沖刷為負。而主槽的過水面積變化為δ×800m2,相應的平灘流量按下式估計。Q′2≈Q′2.0+800m×δ×2.0m/s=Q′2.0+800δ(m3/s)(38)其中Q′2.0為時段開始的平灘流量,即上一時段的平灘流量,800m為全河主槽平均寬度,2.0m/s為平均流速。此外表13中2000年至2006年帶*的數字是由2000年至2003年資料得到的。從表12、表13及圖8-10可看出如下幾點:第一,由于第一造床流量是流量的較高方次的平均值,故它總是大于年平均流量。而且起伏愈大,它大于平均值的幅度愈大。這正是人造洪峰加大輸沙量的道理。所以第一造床流量是水流輸沙能力的一種量度。這一點從圖8中年輸沙量與造床流量關系密切可看出。第二,在坡降不變的條件下,造床流量Q1、Q2決定于來水和來沙過程。在表中給出的第一造床流量較為可靠,而第二造床流量由于引進了一個經驗的挾沙能力公式,可靠性稍差一些,但基本合理。第三,從表12中可見第二造床流量由于來水來沙的變化,特別是來水的變化,使它變化的幅度很大,在黃河下游(表12)可從6202m3/s變至1535m3/s。對于一般情況,最大為最小的3～4倍左右。第四,平灘流量主要決定于第二造床流量和沖淤。從表13可見,據此估計的平灘流量與實際的基本符合。特別是估算的2006年底平灘流量與實際也基本一致。這表明只要河勢能基本控制,岸壁沒有大的崩塌,則平灘流量的加大與減少可由沖淤實現。表中1960年至1964年間,三門峽水庫蓄水與滯洪,下游河道沖刷時大量塌灘,即灘面也發(fā)生了沖刷。據分析,灘面沖刷占46%。即槽中沖刷占0.54%。其次表13中1964.11至1973.10淤積資料較為反常,不知其原因。第五,在灘槽均淤的條件下,主槽斷面也可能擴大,平灘流量也可能加大。如表13,1950.7-1960.6主槽年淤積0.084m,灘上年淤積0.144m,10年灘槽差擴大了0.600m,相應的過水面積增加480m2,而平灘流量加大960m3/s。第六,第二造床流量可以大于、小于或接近平灘流量(圖9)。大于平灘流量的情況很少,多半屬于大水年,特別是大洪峰年,如圖中1958年、1982年等。大多數情況是第二造床流量小于平灘流量,主要原因是從60年代開始,年徑流量總的趨勢是減小,致使第二造床流量達不到滿槽,而小于平灘流量。當然也有相當一部分資料是第二造床流量與平灘流量相近的?？傊?平灘流量是圍繞第二造床流量波動的,并通過沖淤來實現。第七,對于黃河而言,最大連續(xù)五天日平均流量與第二造床流量關系密切,貢獻最大。圖10顯示了這種關系。不論花園口、高村、艾山、利津連續(xù)五天最大日平均流量與第二造床流量的相關關系數r在0.951-0.982之間,而且當第二造床流量在5000m3/s以下時,兩者非常接近,圖10是一個例子。這表明黃河下游最大洪峰幾乎決定了第二造床流量,也表明它對塑造橫剖面的決定性的貢獻。(3)近期2-3年內平灘流量加大的可能性。目前有的河段最小平灘流量約為3500m3/s,要求主槽達到4000m3/s平灘流量。如要加大到4000m3/s,按上述估計方法,大體要使主槽沖刷3.00×108m3,則可增加過水面積333m2,增加主槽流量666m3/s。但是由于目前第二造床流量太小(2000年至2003年高村與艾山平均水量為195×108m3),據表12估計第二造床流量才2540m3/s。因此平灘流量要達到4000m3/s后,還要使下游河道微沖,才有可能。6實際運用的水位小浪底水庫泥沙在規(guī)劃設計中的一些水庫運用情況和泥沙參數在實際水庫運用中已有所調整,這究竟是必須的,還是應回歸原規(guī)劃設計?對此有不同看法,為此,要澄清以下幾點。(1)規(guī)劃設計中的水沙參數及計算的一些結果不一定符合實際。這里指的不是進庫條件等數據的不一致,而是一些規(guī)律性的關系有差別。例如表14系在小浪底水庫設計階段,計算的小浪底水庫不同起始運行水位庫區(qū)淤積,下游河道沖刷及減淤的參數。從該表可看出當時的有一些結果和結論有不夠符合實際的地方,有修改的必要?，F列出如下幾點。①當壩前水位由205m～245m,即變化40m的條件下,水庫淤積僅加大0.02×108t,相當加大0.077%?，F在我們不討論這個成果的可靠程度,即令完全正確,也表明在上述范圍內采取什么樣的水位,對淤積影響很小;即令會將水位抬高至245m,對淤積也不會有什么明顯差別。因此不能由所述結果得出結論,說實際運行水位高于設計的就加大了淤積。②表中計算的排沙比偏小。據表5的“1”、“2”、“3”號資料,小浪底水庫實際運行的水位高于表14的,但是其實際排沙比在0.159～0.160之間,均大于表14中的0.059～0.130。而排沙比的這種差別顯然應與來沙數量關系不大。由此可看出如按水庫設計排沙比要求,小浪底水庫實際運用的水位不是高了,而是低了。③按照表14,小浪底水庫在水位200m時,下游河道沖刷對水庫淤積的沖淤比為6.89/23.95=0.288;當水位245m時,沖淤比為7.5/25.88=0.290,遠小于三門峽水庫1960-1964年的23.12/45.91=0.504和小浪底水庫實際運用的13.23/23.28=0.568。其實若按排沙比為0.059～0.130,據式(15),則對應表14下游河道沖刷量應為10.88×108t至11.10×108t,則沖淤比應為10.88/23.95=0.454至11.10/25.58=0.433?？梢姴徽搹哪姆矫婵?表14的下游河道沖刷量是偏小的。④按照表14,規(guī)劃設計的初期三年,水庫來沙量為27.5×108t相當于小浪底水庫初期運用7年的來沙量27.71×108t。但是表14中給出的水庫淤積量為25.88×108t,而小浪底水庫7年淤積量為23.28×108t。另一方面表14給出的下游河道三年沖刷量7.5×108t,而實際沖刷量為13.23×108t。既然小浪底水庫實際運用的水庫淤積量較設計小2.6×108t,而下游河道沖刷則大5.73×108t,那么這不表明小浪底實際運用效果比設計更好嗎?設計的數據既然不夠正確,不應再作為依據來要求。(2)對于攔粗排細和下游河道減淤,原規(guī)劃在初期運用并沒有一個具體定量標準,例如要求粗沙淤積多少?(其淤積百分數為何?)以及出庫后進入下游河道的挾沙能力降低多少?或者更進一步對下游河道減淤如何安排,特別是在開始階段需不需要擴大下游河道主槽?擴大多少?由于設計中主要關注的是運用水位、調控流量及減淤量,因此對攔粗排細只是定性的要求,對下游河道除減淤量外是否需要先集中一段時間沖刷河道等也無明確要求,以致各人有不同的理解,很容易出現爭論。特別是當初期運用壩前水位遠超過設計中的數值后,就會有人認為沒有按設計運用。小浪底水庫實際運用后,考慮下游水資源需要和保證黃河不斷流,以及從以人為本,有時小流量也要攔蓄等新的情況和新的認識,適當改變運用參數是允許的,也是必須的。下面僅從下游河道減淤,特別是沖刷主槽的需要對實際運用的調整和效果予以分析,明確這種調整是正確和必要的。①當小浪底水庫開始運用,下游河道最小平灘流量僅1800m3/s(表8)。如要小浪底水庫排泄較大洪水,漫灘后可能有破生產堤的危險。從以人為本出發(fā),生產堤在一定條件下,也應保護。從而形成了防洪的一個怪圈:小浪底水庫主要是保護大堤,當流量大于8000m3/s才開始蓄水,現在若保生產堤,流量2000m3/s以上就要蓄水。這樣若河槽缺乏大流量沖刷,平灘流量不可能加大,甚至進一步縮小。另一方面,水庫蓄小洪水,來了更大的洪水怎么辦?這是泄洪沖沙、調水調沙的一個瓶頸。因此沖刷主槽,擴大平灘流量至少達到了3500m3/s～4000m3/s,成了小浪底初期運用的一個主要任務。按下游河道沖刷長900km,平均流速2.0m/s,若要擴大1700流量,即使最小平灘流量達3500m3/s左右,需加大過水面積850m2,全河需沖刷900×1000×850=7.65×108m3,相當于10.33×108t。小浪底實際運用7年,下游河道沖刷13.23×108t,最小平灘流量也達到了3500m3/s(表8),完全滿足了要求。②按照沖刷量約10.33×108t,7年來沙27.71×108t,如按表4或式(15)。當水庫排沙比0.160,下游河道排沙比3.42,沖刷11.08×108t;當水庫排沙比0.059,下游河道排沙比7.85,沖刷量11.20×108t?？梢娕派潮仍傩?下游河道沖刷量也達不到13×108t。小浪底水庫實際在水庫排沙比0.16的條件下沖刷13.23×108t,大于公式(15)計算的,也超出了三門峽水庫經驗,這正是調水調沙起的作用。③按照水庫排沙比0.16,則攔粗排細已有相當作用,此時粗沙已淤下95.5%,由于出庫泥沙變細,而進入河道的挾沙能力較之天然將加大7.54倍,屬于效率最高的區(qū)域。這將保證下游河道的沖刷能力。從所述三點分析,可見小浪底初期運用及調水調沙的實踐,強調了初期沖刷擴大下游河道斷面,便于今后行洪和調水調沙