基于空间尺度的黄河调水调沙
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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。
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?出库平均含沙量为12．2公斤每立方米?并且以排细泥沙为主，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?细沙占全沙的比例为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?而实际的花园口站含沙量仅为13．3公斤每立方米?因此黄河下游河道冲刷了0．362亿吨。
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?超过了实际发生的每立方米35.6公斤?因此黄河下游河道发生了冲刷，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。
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?实现小浪底水库库区减淤，“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?充分利用小浪底～花园口区间洪水资源，避免该区间“清水”入黄后空载运行。
3?使下游河道不淤积，并力求使下游河道发生冲刷。
4?实现洪水资源化，为引黄济津和翌年农田灌溉储备水源。
5?进一步深化对黄河水沙规律的认识。
（二）试验条件
1?水沙条件
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?河道边界条件
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?四库运用条件
（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?调控流量
（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?调控含沙量
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?调控历时
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?充分考虑小浪底水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?利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?流量对接。小浪底水库出库流量。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?过程控制
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?指标控制
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107％?出库流量1690立方米每秒（占花园口站流量的71％），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?而实际的花园口站含沙量仅为31．1公斤每立方米?因此黄河下游河道发生了明显冲刷。
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。
3?试验结果
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。