小浪底水庫運(yùn)用階段的調(diào)沙問題

小浪底水庫運(yùn)用階段的調(diào)沙問題

1小浪底水庫實(shí)際使用效果小浪底水庫于1999年竣工。開發(fā)任務(wù)為“防洪（包括防洪、民防）、減少淤泥和收集淤泥，同時(shí)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(shè)計(jì)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(jì)沖刷13.23×108t。2002年至2004年進(jìn)行了調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)。2005年至2007年每年均在一段時(shí)間采用了調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用。調(diào)水調(diào)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(diào)水調(diào)沙6年,效果顯著,超出了原來設(shè)計(jì)的要求,對處理泥沙而言,已不是當(dāng)時(shí)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(zāi)效益,和降低了小浪底水庫中小洪水小蓄水帶來的風(fēng)險(xiǎn)。小浪底水庫7年的初期運(yùn)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(xì)在運(yùn)用:庫水位與原規(guī)劃偏高;初期運(yùn)用是否應(yīng)安排河道大幅度沖刷?調(diào)水調(diào)沙的作用怎樣?初期運(yùn)用根據(jù)新的情況對原規(guī)劃進(jìn)行一些調(diào)整是否正確或恰當(dāng)。這些問題頗為復(fù)雜,彼此相互關(guān)聯(lián),難以簡單說清。本文從較深層次上進(jìn)行了研究,揭示了它們內(nèi)在的、本質(zhì)的聯(lián)系,從宏觀上給予定量的表達(dá)。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(rèn)識有關(guān)問題和了解小浪底水庫運(yùn)用與調(diào)水調(diào)沙是頗有成效的。2水庫攔粗排細(xì)的設(shè)計(jì)及結(jié)果分析攔粗排細(xì)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(xì)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(jìn)庫和出庫級配,λ為水庫淤積百分?jǐn)?shù),ωl為粒徑Dl的顆粒的沉速。n<1為指數(shù),它反映粗細(xì)泥沙分布不均勻時(shí)的校正系數(shù)。例如對于一些緩流區(qū),和異重流倒灌范圍,往往只有細(xì)泥沙,因此淤積也僅限于這種顆數(shù),而沒有粗沙淤積,致使n減小。ωm為分選時(shí)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(shí)是正確的。當(dāng)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(jìn)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(shè)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(jìn)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(jìn)庫級配P4.l.0。不同的淤積百分?jǐn)?shù)λ(相應(yīng)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(xiàng)。由表1的λ～P4.l的關(guān)系,插補(bǔ)排沙比η1等于一些特征值時(shí)的出庫級配如表2。現(xiàn)在對比一下由公式(1)計(jì)算的攔粗排細(xì)的結(jié)果與實(shí)際測驗(yàn)資料的對比。據(jù)文獻(xiàn)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(yīng)地平均出庫級配P1=0.844,P2=0.093,P3=0.063。此時(shí)歷年累計(jì)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(shí),由式(1)計(jì)算的各組泥沙級配(表2)分別為P1=0.861,P2=0.126,P3=0.013。實(shí)測與計(jì)算的對比后,可知對細(xì)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(xì)的作用。并且需要注意的是實(shí)際的攔粗排細(xì)作用較公式(1)計(jì)算的要小。小的原因是因?yàn)橹屑?xì)沙常常會在緩流區(qū)和異重流運(yùn)行中及支流倒灌時(shí)淤積,而此時(shí)粗顆粒是不參預(yù)的,所以實(shí)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(yùn)用時(shí)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(xì)的作用和限制,及攔粗排細(xì)的合理指標(biāo),這一點(diǎn)在小浪底工程設(shè)計(jì)中,只有定性要求沒有定量的指標(biāo)。第一,水庫淤積并不是先淤粗沙,后淤中沙,最后輪到細(xì)沙。而是粗沙、中沙、細(xì)沙均淤,只是粗沙淤積的多,細(xì)沙淤積的少。否則按表1的資料,進(jìn)庫粗沙占26.7%,則當(dāng)淤積百分?jǐn)?shù)為26.7%(相應(yīng)的排沙比為73.3%)時(shí)粗沙就會淤完,水庫僅蓄很少的水就夠了。實(shí)際上從表2看出,當(dāng)排沙比達(dá)73.3%時(shí),實(shí)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(xì)沙淤下13.6%。第二,從表2看出,要做到攔粗排細(xì),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(xì)沙也均要淤下。事實(shí)上,當(dāng)排沙比恰為0.2,淤積百分?jǐn)?shù)為80%時(shí),粗沙基本淤完外,同時(shí)細(xì)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(dá)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(shè)下游河道進(jìn)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(xì)沉速減少,導(dǎo)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(jìn)口平均沉速,下標(biāo)“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(jì)算了(9)式?？梢姰?dāng)排沙比由1.00減小至0.159時(shí),S*S*0不斷增大,這反映了水庫的攔粗排細(xì)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(dāng)η1≥0.30時(shí),S*S*0≤2.74;而當(dāng)η1≤0.20時(shí),S*S*0≥5.23?？梢娨谒畮斐跗谶\(yùn)用時(shí)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(kuò)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(guān)于黃河下游排沙比的確定參數(shù),其基本條件指出量計(jì)算我們曾經(jīng)證明緊靠水庫的下游河道排沙比與水庫排沙比有密切關(guān)系,并且在一定條件下這種關(guān)系幾乎是單值的函數(shù)。事實(shí)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(jìn)出含沙量,Q為流量,P4.l.0為進(jìn)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(shù)。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(jìn)入的含沙量,它顯然為水庫出庫含沙量S1=η1S1.0,下游河道進(jìn)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(jìn)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?jǐn)?shù)λ2=(1-η2)或排沙比η2。這樣由式(11),當(dāng)Q、P4.l.0、P1.l.0、S1.0固定,則有η2=f(η1)(12)當(dāng)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(guān)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(shí)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(shù),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(dāng)然此時(shí),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(shù),則式(12)應(yīng)為單值的。需要強(qiáng)調(diào)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(yàn)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(shí)測關(guān)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(shù)學(xué)模型計(jì)算的三峽水庫淤積與下游河道沖刷資料,發(fā)現(xiàn)它們的關(guān)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(diào)沙過程在表4列出了有關(guān)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(yùn)用分析評估報(bào)告》中的資料。表中列出了在小浪底運(yùn)用期間水庫實(shí)測總排沙比η1及下游河道排沙比η2和有關(guān)參數(shù)。同時(shí)表中也按三門峽水庫單獨(dú)運(yùn)用期間η2與η1的關(guān)系式(15)計(jì)算了η2及下游河道沖刷量?？梢姀尿?yàn)證下游河道排沙比看,資料1和資料2計(jì)算的η2與實(shí)測的符合好,資料1實(shí)測為3.58,計(jì)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(jīng)足夠。當(dāng)然,從這三個資料綜合看,或者從權(quán)威的資料3看,按式(15)計(jì)算的河道排沙比η3及沖刷量略為偏小?？磥磔^三門峽水庫運(yùn)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(dá)到204.16m高程,厚度為22.2m,經(jīng)估計(jì),渾水水庫體積約為9×108m3,沙量最大達(dá)1.1×108t。接著開展了調(diào)水調(diào)沙,將渾水水庫泥沙絕大部分排出庫外,沙量達(dá)到0.815×108t(另一資料說0.740×108t),使出庫含沙量達(dá)40.55kg/m3,而河口利津含沙量也達(dá)44.39kg/m3,下游河道沖刷0.456×108t,是歷次調(diào)水調(diào)沙含沙量最大的。而且還應(yīng)指出的是,在調(diào)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(diào)水調(diào)沙中唯獨(dú)這一次壩前水位是上升的。其余均是下降的?？梢姶藭r(shí)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(shí)上,除2002年因?yàn)檎{(diào)水調(diào)沙時(shí)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(jì),則2003年調(diào)水調(diào)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(xì)沙對下游河道輸沙能力影響很小,故可認(rèn)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(jì)算的下游河道排沙比η2分別為4.22、4.07、3.99,修正后相應(yīng)淤“實(shí)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(yīng)的由η′2計(jì)算的沖刷量分別為11.11×108t,11.21×108t,11.51×108t?？梢娪?jì)算的沖刷量與實(shí)際沖刷量之差較之表4更合理一些。若認(rèn)為上述三項(xiàng)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(shí)實(shí)測的η2=3.66,而由(13)式計(jì)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(shí)若將上述去掉渾水水庫異重流排沙效果后的修正數(shù)據(jù),經(jīng)三次平均后分別為η1=0.131、實(shí)測η2=4.19、計(jì)算η2=4.04,可見η2的相對誤差為-3.6%。相應(yīng)的計(jì)算W=11.30×108t與實(shí)測W=11.63×108t的相對誤差為-2.8%。由于資料3有分年的結(jié)果,我們也計(jì)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(jīng)驗(yàn)關(guān)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(xì)沙多排0.73×108t,若不考慮這種細(xì)沙由水庫排出,η1=0.217。3.3小浪底水庫的減淤能力設(shè)多年平均來沙量為Qs.0,出庫年沙量Qs.1,進(jìn)入下游河道的沙量[包括小浪底出庫及伊洛河(黑石關(guān))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(guān)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(shí)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(shù)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(shí)間。表5是作者根據(jù)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(shí)計(jì)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(shù)據(jù),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?，F(xiàn)在研究小浪底初期運(yùn)用(2000年至2006年)水沙條件下的η2～η1的關(guān)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(jì)算的η2、下游河道沖刷量ΔW,減淤量V及減淤時(shí)間t2等與水庫排沙比η1的關(guān)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(diǎn)認(rèn)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(shù)0.743和0.833決定的。第二,水庫排沙比η2隨η1增加而減少,當(dāng)η1<0.70時(shí),η2>1,表示下游河道沖刷;當(dāng)η1>0.70時(shí),η2<1,表示下游河道淤積。第三,當(dāng)要求下游河道沖刷明顯,η1應(yīng)小于0.500。此時(shí)下游河道沖刷量僅及進(jìn)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(shí)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(jì)算是按平均情況下的排沙比估計(jì)至最終。實(shí)際上,隨著水庫淤積,由于水庫及庫容的變化受限制,實(shí)際上排沙比不能固定,而是愈來愈大。這里的比較只是強(qiáng)調(diào)各種排沙比的相對差別。第八,當(dāng)η1<0.2,則下游河道沖刷量約為水庫淤積46%,這與一般經(jīng)驗(yàn)(沖刷約占淤積的50%)符合。當(dāng)0.2<η1<0.5,沖刷量約為淤積量的35%。第九,當(dāng)η1≈0.1715時(shí),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(shí)上,對上式求導(dǎo),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(dāng)η=η1.M=0.1715時(shí),dWdη1=0,此時(shí)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(guān)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?yàn)閾?jù)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(guān),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(shè)和沙量數(shù)次調(diào)水調(diào)沙已有明顯的效果,這表現(xiàn)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(dá)到了相應(yīng)流量的含沙量平均水平。4.1水文的排沙能力第一,據(jù)涂啟華資料五次調(diào)水調(diào)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(jù)文獻(xiàn)汛期入庫沙量3.95×108t,則水庫排沙比為0.167,相應(yīng)的由式(15)求出的下游河道排沙比為η2=3.30?？梢娕c調(diào)水調(diào)沙實(shí)際的排沙比η2=3.25是一致的。這表明調(diào)水調(diào)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(jù)黃委設(shè)計(jì)院整理的黃河下游多年平均資料,當(dāng)Q=2000m3/s～2500m3/s,共10場洪水(合計(jì)102天),三黑小(三門峽站、北洛河黑石關(guān)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(diào)水調(diào)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(diào)水調(diào)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(diào)水調(diào)沙已達(dá)到了出口含沙量的要求。第三,小浪底水庫運(yùn)用7年進(jìn)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(diào)水調(diào)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(diào)水調(diào)沙還是加大了沖刷,減少了耗水?？梢娝^調(diào)水調(diào)沙,用100m3水排1噸泥沙的說法不符合實(shí)際。此外上述7年總沖刷效果也包含了調(diào)水調(diào)沙,如果除去5次調(diào)水調(diào)沙,則總水量大體為1362×108m3,輸沙14.85×108t,故按細(xì)水長流,排走1噸沙耗水97.8m3,效率遠(yuǎn)低于調(diào)水調(diào)沙的52.2m3。4.2水位流量關(guān)系調(diào)水調(diào)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(shí)進(jìn)一步?jīng)_刷,不受制生產(chǎn)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(yùn)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(guān)系看,沖刷明顯地?cái)U(kuò)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(diào)水調(diào)沙前,最小平灘流量為高村的1800m3/s。經(jīng)過調(diào)水調(diào)沙至2006年初,最小平灘流量已達(dá)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(diào)水調(diào)沙,不排泄大流量,主槽斷面就難以擴(kuò)大。從圖2看出,在小浪底水庫蓄水后至調(diào)水調(diào)沙前,即1999年至2002年,按細(xì)水長流運(yùn)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(guān)系是抬高的,從而不可能擴(kuò)大河槽斷面。必須指出的是,如果河槽斷面不擴(kuò)大,當(dāng)來了2000m3/s～8000m3/s時(shí),從以人為本考慮,為保護(hù)灘地農(nóng)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(diào)度會給小浪底水庫防洪運(yùn)用帶來很大的風(fēng)險(xiǎn),大大降低了其防洪效益。4.3流量水位對比調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用后,黃河下游全河段均出現(xiàn)沖刷,水位也相應(yīng)的降低,其特點(diǎn)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(guān)系才開始降低。這說明1999-2002年,按設(shè)計(jì)小流量細(xì)水長流沖刷,對水位流量關(guān)系的影響僅及夾河灘。只有2002年以后調(diào)水調(diào)沙出現(xiàn)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。可見2002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(guān)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(yùn)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(yùn)用時(shí)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(yùn)用時(shí),系自然蓄水和滯洪,流量不穩(wěn)定,變幅大,沖刷主要表現(xiàn)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(shí)水位降低少。而小浪底初期運(yùn)用調(diào)水調(diào)沙時(shí),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(jù)文獻(xiàn),當(dāng)流量小于2500m3/s時(shí),山東河段是淤積的,而當(dāng)流量大于2500m3/s時(shí),山東河段是沖刷的?？梢娙绻廴?00m3/s至2500m3/s的淤積,則山東河道將轉(zhuǎn)為沖刷。更有說服力的資料可見表10。這是據(jù)文獻(xiàn)中列出1960-1996年的資料按36年平均的。從中看出如下幾點(diǎn)。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(jù)。當(dāng)然這只是在非汛期。第四,小浪底水庫調(diào)水調(diào)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(jì)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(shí)現(xiàn)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(shí)的9.13%。5黃河下游河道的第二造床流量小浪底水庫經(jīng)7年運(yùn)行(特別是2002-2006年5年運(yùn)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(jìn)一步增加至4000m3/s左右。是否可能?增加后是否能維持?現(xiàn)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(jīng)過沖淤使縱、橫剖面達(dá)到平衡時(shí)的流量。而實(shí)際的主槽的滿槽流量稱為平灘流量。造床流量應(yīng)是相對穩(wěn)定的,而平灘流量是經(jīng)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(yán)格的定義,大都采用經(jīng)驗(yàn)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(dá)?它與輸沙能力的聯(lián)系又怎樣,并沒被闡述。其次,實(shí)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(shí)段的平均流量,T為時(shí)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(nèi)的符號表示決定輸沙量的平均流量的n+1次冪。設(shè)Si=KiQin,則輸沙率Qs,i=QiSi=K1Qin+1,而一段時(shí)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(dá)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(jù)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(dá)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(bǔ)充說明的是式中KQin=S*i,表示挾沙能力。當(dāng)實(shí)測資料系列接近平衡時(shí),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(xiàn)的表2-3-2中的黃河下游河道各站的經(jīng)驗(yàn)公式轉(zhuǎn)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(zhì)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(quán)重。各站的K、α、β、γ取值如表11。(2)文獻(xiàn)及利用各站多年資料求出的黃河下游四站挾沙能力經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)在將文獻(xiàn)提出的平灘流量與第二造床流量進(jìn)行對比。表中平灘流量以前的各列取至文獻(xiàn),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?yàn)檫@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(xiàn)給出的平灘流量也是全黃河下游的。如果分段,無法與實(shí)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(jì)值。估計(jì)的有關(guān)參數(shù)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(shí)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(fù)。而主槽的過水面積變化為δ×800m2,相應(yīng)的平灘流量按下式估計(jì)。Q′2≈Q′2.0+800m×δ×2.0m/s=Q′2.0+800δ(m3/s)(38)其中Q′2.0為時(shí)段開始的平灘流量,即上一時(shí)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(shù)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(diǎn):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(diǎn)從圖8中年輸沙量與造床流量關(guān)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(jìn)了一個經(jīng)驗(yàn)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(jù)此估計(jì)的平灘流量與實(shí)際的基本符合。特別是估算的2006年底平灘流量與實(shí)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(shí)現(xiàn)。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(shí)大量塌灘,即灘面也發(fā)生了沖刷。據(jù)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(kuò)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(kuò)大了0.600m,相應(yīng)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(shù)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(dá)不到滿槽,而小于平灘流量。當(dāng)然也有相當(dāng)一部分資料是第二造床流量與平灘流量相近的。總之,平灘流量是圍繞第二造床流量波動的,并通過沖淤來實(shí)現(xiàn)。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(guān)系密切,貢獻(xiàn)最大。圖10顯示了這種關(guān)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(guān)關(guān)系數(shù)r在0.951-0.982之間,而且當(dāng)?shù)诙齑擦髁吭?000m3/s以下時(shí),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(xiàn)。(3)近期2-3年內(nèi)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(dá)到4000m3/s平灘流量。如要加大到4000m3/s,按上述估計(jì)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(jù)表12估計(jì)第二造床流量才2540m3/s。因此平灘流量要達(dá)到4000m3/s后,還要使下游河道微沖,才有可能。6實(shí)際運(yùn)用的水位小浪底水庫泥沙在規(guī)劃設(shè)計(jì)中的一些水庫運(yùn)用情況和泥沙參數(shù)在實(shí)際水庫運(yùn)用中已有所調(diào)整,這究竟是必須的,還是應(yīng)回歸原規(guī)劃設(shè)計(jì)?對此有不同看法,為此,要澄清以下幾點(diǎn)。(1)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的水沙參數(shù)及計(jì)算的一些結(jié)果不一定符合實(shí)際。這里指的不是進(jìn)庫條件等數(shù)據(jù)的不一致,而是一些規(guī)律性的關(guān)系有差別。例如表14系在小浪底水庫設(shè)計(jì)階段,計(jì)算的小浪底水庫不同起始運(yùn)行水位庫區(qū)淤積,下游河道沖刷及減淤的參數(shù)。從該表可看出當(dāng)時(shí)的有一些結(jié)果和結(jié)論有不夠符合實(shí)際的地方,有修改的必要?，F(xiàn)列出如下幾點(diǎn)。①當(dāng)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(dāng)加大0.077%?，F(xiàn)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(nèi)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(jié)果得出結(jié)論,說實(shí)際運(yùn)行水位高于設(shè)計(jì)的就加大了淤積。②表中計(jì)算的排沙比偏小。據(jù)表5的“1”、“2”、“3”號資料,小浪底水庫實(shí)際運(yùn)行的水位高于表14的,但是其實(shí)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(yīng)與來沙數(shù)量關(guān)系不大。由此可看出如按水庫設(shè)計(jì)排沙比要求,小浪底水庫實(shí)際運(yùn)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(shí),下游河道沖刷對水庫淤積的沖淤比為6.89/23.95=0.288;當(dāng)水位245m時(shí),沖淤比為7.5/25.88=0.290,遠(yuǎn)小于三門峽水庫1960-1964年的23.12/45.91=0.504和小浪底水庫實(shí)際運(yùn)用的13.23/23.28=0.568。其實(shí)若按排沙比為0.059～0.130,據(jù)式(15),則對應(yīng)表14下游河道沖刷量應(yīng)為10.88×108t至11.10×108t,則沖淤比應(yīng)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(shè)計(jì)的初期三年,水庫來沙量為27.5×108t相當(dāng)于小浪底水庫初期運(yùn)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(shí)際沖刷量為13.23×108t。既然小浪底水庫實(shí)際運(yùn)用的水庫淤積量較設(shè)計(jì)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(shí)際運(yùn)用效果比設(shè)計(jì)更好嗎?設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)既然不夠正確,不應(yīng)再作為依據(jù)來要求。(2)對于攔粗排細(xì)和下游河道減淤,原規(guī)劃在初期運(yùn)用并沒有一個具體定量標(biāo)準(zhǔn),例如要求粗沙淤積多少?(其淤積百分?jǐn)?shù)為何?)以及出庫后進(jìn)入下游河道的挾沙能力降低多少?或者更進(jìn)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(kuò)大下游河道主槽?擴(kuò)大多少?由于設(shè)計(jì)中主要關(guān)注的是運(yùn)用水位、調(diào)控流量及減淤量,因此對攔粗排細(xì)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(shí)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(xiàn)爭論。特別是當(dāng)初期運(yùn)用壩前水位遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)中的數(shù)值后,就會有人認(rèn)為沒有按設(shè)計(jì)運(yùn)用。小浪底水庫實(shí)際運(yùn)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(shí)小流量也要攔蓄等新的情況和新的認(rèn)識,適當(dāng)改變運(yùn)用參數(shù)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(shí)際運(yùn)用的調(diào)整和效果予以分析,明確這種調(diào)整是正確和必要的。①當(dāng)小浪底水庫開始運(yùn)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(chǎn)堤的危險(xiǎn)。從以人為本出發(fā),生產(chǎn)堤在一定條件下,也應(yīng)保護(hù)。從而形成了防洪的一個怪圈:小浪底水庫主要是保護(hù)大堤,當(dāng)流量大于8000m3/s才開始蓄水,現(xiàn)在若保生產(chǎn)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(jìn)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(diào)水調(diào)沙的一個瓶頸。因此沖刷主槽,擴(kuò)大平灘流量至少達(dá)到了3500m3/s～4000m3/s,成了小浪底初期運(yùn)用的一個主要任務(wù)。按下游河道沖刷長900km,平均流速2.0m/s,若要擴(kuò)大1700流量,即使最小平灘流量達(dá)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(dāng)于10.33×108t。小浪底實(shí)際運(yùn)用7年,下游河道沖刷13.23×108t,最小平灘流量也達(dá)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(dāng)水庫排沙比0.160,下游河道排沙比3.42,沖刷11.08×108t;當(dāng)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(dá)不到13×108t。小浪底水庫實(shí)際在水庫排沙比0.16的條件下沖刷13.23×108t,大于公式(15)計(jì)算的,也超出了三門峽水庫經(jīng)驗(yàn),這正是調(diào)水調(diào)沙起的作用。③按照水庫排沙比0.16,則攔粗排細(xì)已有相當(dāng)作用,此時(shí)粗沙已淤下95.5%,由于出庫泥沙變細(xì),而進(jìn)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(diǎn)分析,可見小浪底初期運(yùn)用及調(diào)水調(diào)沙的實(shí)踐,強(qiáng)調(diào)了初期沖刷擴(kuò)大下游河道斷面,便于今后行洪和調(diào)水調(diào)沙