孫贊盈，劉彥暉，尚紅霞，張?jiān)h，魏 銘，肖千璐

（1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003；3.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

1 問(wèn)題的提出

1.1 近20 a 水沙變化特點(diǎn)

隨著黃河潼關(guān)以上干流水庫(kù)的建成和投入運(yùn)用，以及其他人類(lèi)活動(dòng)的影響，潼關(guān)斷面的來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生了巨大變化，突出表現(xiàn)在：1）大水大沙現(xiàn)象已不存在。例如，1960—1985 年，潼關(guān)斷面25%的來(lái)沙由流量大于4 000 m3／s 的水流挾帶；1986—1999 年，流量500～1 000 m3／s 的水流挾帶的沙量占18%，而流量大于4 000 m3／s 的水流挾帶的沙量只占9%；2000—2021 年，流量500～1 000 m3／s 的水流挾帶的沙量占26%，而流量大于4 000 m3／s 的水流挾帶的沙量減少到5%。2）來(lái)沙量大幅度減少。1960—1985 年，潼關(guān)斷面的年均來(lái)沙量為12.42 億t，1986—1999 年為7.77億t［1－2］，2000—2021 年減少到2.49 億t（相當(dāng)于1986—1999 年的1／3、1960—1985 年的1／5）。潼關(guān)斷面歷年沙量變化如圖1 所示。

1.2 小浪底水庫(kù)單庫(kù)水沙調(diào)控的技術(shù)問(wèn)題

大量研究成果表明，黃河下游河道的深槽淤積主要是小水挾沙淤積造成的［3－6］，大流量時(shí)期河槽淤積輕微甚至發(fā)生沖刷，黃河下游窄深河槽在大流量（流量大于2 000 m3／s）時(shí)期具有“多來(lái)多排”的輸沙特點(diǎn)［7－8］，水庫(kù)調(diào)控應(yīng)將泥沙調(diào)節(jié)到大流量時(shí)期輸送［9］。小浪底水庫(kù)出庫(kù)含沙量的高低首先取決于來(lái)水流量的大小，其次是壩前水位的高低和降幅。2000 年以來(lái)，小浪底水庫(kù)的實(shí)際調(diào)度運(yùn)用情況顯示，當(dāng)庫(kù)水位降低至庫(kù)區(qū)三角洲頂點(diǎn)高程以下時(shí)，發(fā)生溯源沖刷，出庫(kù)含沙量才開(kāi)始顯著增大，庫(kù)水位降低得越低、越快，庫(kù)區(qū)溯源沖刷越強(qiáng)烈，出庫(kù)含沙量越高。然而目前小浪底水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)用，在庫(kù)水位降低至三角洲頂點(diǎn)出露以后，后續(xù)的沖刷動(dòng)力及入庫(kù)流量過(guò)程幾乎完全取決于天然來(lái)水流量的大小［10－14］，因此小浪底水庫(kù)出庫(kù)最大含沙量很難與出庫(kù)最大流量相匹配，甚至有可能出現(xiàn)對(duì)下游河道最為不利的小水排沙現(xiàn)象。

綜上所述，雖然近年黃河來(lái)沙減少到年均2.49 億t，但這仍然是一個(gè)巨量的數(shù)字，黃河依然是含沙量最高的河流，如何將這些泥沙從水庫(kù)排除，并通過(guò)下游河道輸送入海，依然是黃河下游河道泥沙治理需要解決的首要問(wèn)題。如果在豐水年或較大流量時(shí)，使水庫(kù)排沙淤積在花園口以上平灘流量較大的寬河道，后續(xù)長(zhǎng)時(shí)期的清水過(guò)程再將這些淤積物沖刷帶走并輸送入海，不失為兼顧水庫(kù)排沙和下游河道減淤的現(xiàn)實(shí)舉措，這就是水庫(kù)河道泥沙跨年接續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)。水庫(kù)河道泥沙跨年接續(xù)調(diào)節(jié)需要具備兩個(gè)條件：第一，庫(kù)區(qū)三角洲距壩較近，水庫(kù)能夠集中排沙出庫(kù)；第二，下游河道近壩段平灘流量較大，具有一定的容沙能力，不至于因水庫(kù)排沙而造成下游河道淤積，發(fā)生諸如“96·8”洪水的小水大災(zāi)局面。目前，上述兩個(gè)條件已經(jīng)具備。

2 黃河水庫(kù)河道泥沙跨年接續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)

2018—2020 年是連續(xù)3 a 的豐水時(shí)段，小浪底水庫(kù)3 a 共排沙13.37 億t，是小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)排沙最多的3 a。本文基于這3 a 的水庫(kù)河道沖淤變化、同流量水位變化和黃河下游卡口河段平灘流量變化，來(lái)說(shuō)明水庫(kù)河道泥沙跨年接續(xù)調(diào)節(jié)技術(shù)的可行性。

2.1 水庫(kù)利用大水排沙增容

潼關(guān)站2018—2020 年汛期水量分別為265.6 億、228.4 億、284.9 億m3，為2000—2017 年汛期年均水量104.6 億m3的2.2～2.7 倍，這3 a 是1986 年以來(lái)汛期水量最大的3 a。2018—2020 年汛期沙量分別為3.42億、1.34 億、2.17 億t，平均2.31 億t，比2000—2017 年汛期年均1.94 億t 偏多19%。

2018—2020 年汛期，潼關(guān)站共來(lái)沙6.93 億t，小浪底水庫(kù)排沙13.37 億t，三門(mén)峽和小浪底水庫(kù)持續(xù)沖刷，不但將6.93 億t 來(lái)沙排出庫(kù)，庫(kù)區(qū)還沖刷了6.44億t，相當(dāng)于之前10 a 的淤積量，從而使累計(jì)淤積量恢復(fù)至2007 年水平，水庫(kù)庫(kù)容得以有效恢復(fù)。

2.2 利用近壩段寬河道滯沙

2.2.1 黃河下游夾河灘以上河段容沙量大

自1999 年10 月小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用到2018 年汛前，黃河下游汊3 以上河段主槽共沖刷21.541 億m3，其中利津以上沖刷20.920 億m3。沖刷主要集中在夾河灘以上河段，該河段長(zhǎng)度占全下游的26%，沖刷量為12.516 億m3，占全下游的58%；夾河灘以下河段長(zhǎng)度占全下游的74%，沖刷量為9.025 億m3，只占全下游的42%，沖刷量上多下少，沿程分布不均。從1999 年汛后以來(lái)各河段平均主槽沖淤面積來(lái)看，花園口以上河段沖刷4 548 m2，花園口—夾河灘河段沖刷6 823 m2，而艾山以下各河段不到1 000 m2，見(jiàn)表1［15］。

由表1 可知，各河段的沖刷強(qiáng)度上大下小，差別很大，夾河灘以上寬河道具有很大的容沙能力。截至2018年汛前，花園口以上河段的平灘流量在7 200 m3／s以上，而孫口附近卡口河段的平灘流量則只有4 200 m3／s。若考慮淤積使夾河灘以上河段的平灘流量減小至4 000 m3／s，估算的容沙量為花園口以上2.73 億m3、花園口至夾河灘河段2.89 億m3，合計(jì)5.62 億m3。

2.2.2 利用寬河道暫存泥沙

從表2 列出的2018—2020 年小浪底水庫(kù)出庫(kù)水沙條件來(lái)看，2 000～3 000 m3／s 流量的挾沙量為5.69億t，占比43%，小流量挾沙偏多。

2018—2020 年水庫(kù)排沙主要集中在5 場(chǎng)集中排沙洪水，見(jiàn)表3。5 場(chǎng)集中排沙洪水小浪底水庫(kù)共排沙11.694 億t，從場(chǎng)次洪水的河段沖淤量看，有5.681 億t的泥沙淤積在花園口以上河段（占水庫(kù)排沙量的49%），其次為花園口—高村河段的0.958 億t（占水庫(kù)排沙量的8%），高村以下河段的淤積量很少，說(shuō)明在集中排沙期下游河道的淤積主要發(fā)生在花園口或夾河灘以上的寬河段，在高村以下河段淤積量很小。

從汛期的沿程累計(jì)沖淤量（見(jiàn)圖2，斷面法計(jì)算結(jié)果）來(lái)看，2018 年汛期淤積集中在西霞院至郭莊（花園口以下40 km 處）河段；2019 年汛期高村以上河段連續(xù)淤積，但淤積主要集中在西霞院至于店（花園口以下59.3 km 處）河段，2019 年汛期淤積長(zhǎng)度較2018 年增加；2020 年汛期淤積集中在西霞院至秦廠（花園口上游20 km 處）河段。

圖2 2018—2020 年汛期沿程累計(jì)沖淤量

從沿程累計(jì)沖淤量過(guò)程線可以看出，除了連續(xù)淤積的河段，其下游的河段是沖刷的，這說(shuō)明，至少在排沙年份的汛期，淤積河段下游的河段能夠?qū)崿F(xiàn)凈沖刷，即使淤積河段長(zhǎng)度最大的2019 年汛期，高村以下河段也是凈沖刷的。

為分析槽寬對(duì)沖淤的影響，將夾河灘以上河段分為伊洛河口以上河段、伊洛河口—花園口河段和花園口—夾河灘河段，點(diǎn)繪2019 年排沙期各河段沖淤面積和槽寬的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，同一河段淤積面積隨槽寬的增大而增大；同樣的槽寬，越上游的河段淤積強(qiáng)度（單位河長(zhǎng)的淤積量）越大。

寬淺斷面往往是兩股或多股汊河，小浪底水庫(kù)排沙期的日均流量為1 600～4 200 m3／s，多股汊河使有限的流量產(chǎn)生分流，每股汊河的流量更小、流速更小，排沙水流在這樣的斷面上容易發(fā)生淤積。伊洛河口斷面2019 年7 月8 日測(cè)時(shí)水位為105.535 m，該水位下的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為4 356 m2，考慮洪水演進(jìn)和沿程坦化，推算當(dāng)時(shí)的流量為4 113 m3／s，則斷面平均流速為0.94 m／s，主槽流速明顯小于1.42 m／s［16］。流速小是排沙洪水發(fā)生河道淤積的原因。

2.3 后期逐漸沖刷恢復(fù)及其影響

小浪底大壩至夾河灘河道長(zhǎng)201 km，其中花園口以上河段長(zhǎng)118 km。小浪底水庫(kù)下泄的小流量清水也會(huì)對(duì)該河段產(chǎn)生沖刷，且主要在上游段，剛好是淤積量大的河段，從而使之前的淤積泥沙很容易被沖刷帶走。圖3 為2018—2020 年3 a 汛期和全年的沿程累計(jì)沖淤量，這3 a 汛期，柳園口以上河段淤積2.0 億m3，若考慮非汛期的清水沖刷0.6 億m3，則柳園口以上河段仍然凈淤積1.4 億m3，柳園口以下河段沖刷1.47億m3。

排沙期對(duì)卡口河段造成了淤積，但淤積不多，很容易沖刷恢復(fù)。2018 年排沙期，高村—艾山河段淤積0.072億t，在小浪底水庫(kù)排沙過(guò)后的清水過(guò)程發(fā)生沖刷，至2018 年9 月27 日沖刷完淤積量0.072 億t，歷時(shí)59 d，相應(yīng)小黑武（小浪底、黑石關(guān)和武陟三站之和，下同）水量99 億m3，見(jiàn)圖4（a）；2019 年排沙期，第1 場(chǎng)洪水沖刷0.107 億t，第2 場(chǎng)和第3 場(chǎng)共淤積0.034 億t，排沙期間河道凈沖刷0.073 億t；2020 年排沙期，高村—艾山河段淤積0.095 億t，在排沙過(guò)后的清水過(guò)程發(fā)生沖刷，至2020 年10 月4 日沖刷完淤積量0.095 億t，歷時(shí)49 d，相應(yīng)小黑武水量117 億m3，見(jiàn)圖4（b）。

圖4 高村—艾山河段沖刷恢復(fù)過(guò)程

黃河下游非汛期和小水期有“上沖下淤”的現(xiàn)象，但小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，“上沖下淤”的程度大大減輕。沙量法和斷面法的分析成果顯示，小浪底水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)，山東河道的臨界沖刷流量為1 500 m3／s［17－18］，而不是三門(mén)峽水庫(kù)下泄清水期的2 600 m3／s，并且小水期同樣的來(lái)水流量，在山東河道的淤積強(qiáng)度也明顯小于三門(mén)峽水庫(kù)攔沙期的。目前，800～1 500 m3／s 的流量容易引起山東河道淤積，這和三門(mén)峽水庫(kù)攔沙期的800～2 600 m3／s 差別很大。分析認(rèn)為，之所以800～1 500 m3／s的流量容易導(dǎo)致該河段淤積，原因是此流量級(jí)挾帶的來(lái)自該河段上游的泥沙較多，而該河段此流量級(jí)水流的挾沙能力不足以挾帶泥沙。三門(mén)峽水庫(kù)攔沙期，黃河下游寬河道擺動(dòng)、寬淺散亂，情況非常嚴(yán)重，而目前受高村以上寬河道整治工程的影響，與三門(mén)峽水庫(kù)攔沙期相比，寬河道的塌灘大幅度減少，從而使小水期水流挾帶至艾山斷面的泥沙大幅度減少。對(duì)比三門(mén)峽和小浪底水庫(kù)攔沙期0～800 m3／s 和800～1 500 m3／s 兩個(gè)流量級(jí)的含沙量，0～800 m3／s 流量級(jí)的含沙量，三門(mén)峽水庫(kù)攔沙期平均為5.44 kg／m3，而小浪底水庫(kù)攔沙期在2002 年為6.42 kg／m3，至2008 年降低為2.36 kg／m3，此后長(zhǎng)期維持在2 kg／m3左右，只有三門(mén)峽水庫(kù)攔沙期5.44 kg／m3的37%；800～1 500 m3／s 流量級(jí)的含沙量，小浪底水庫(kù)2008 年之后的攔沙期，為4.2 kg／m3左右，只有三門(mén)峽水庫(kù)攔沙期12.3 kg／m3的34%。顯然，更小的含沙量意味著河道淤積強(qiáng)度更低。此外，河道橫斷面形態(tài)的差別也是原因之一，1960—1964 年，在經(jīng)歷了包括1958 年的大水沖刷展寬后，河槽相對(duì)寬淺，而小浪底水庫(kù)運(yùn)用開(kāi)始的1999 年，經(jīng)過(guò)前期的長(zhǎng)期枯水，河槽相對(duì)窄深，這更利于減淤和輸沙，小流量時(shí)期淤積減少。

圖5 為黃河下游險(xiǎn)工水尺、水位站及水文站2020年最后一次出現(xiàn)3 000 m3／s 對(duì)應(yīng)水位和2018 年首次出現(xiàn)3 000 m3／s 對(duì)應(yīng)水位的差值。從沿程3 000 m3／s同流量水位變化可以看出，同流量水位連續(xù)抬高的河段為趙溝至棗樹(shù)溝長(zhǎng)約50 km 的河段。棗樹(shù)溝至夾河灘長(zhǎng)約120 km 的河段水位有升有降，總的來(lái)說(shuō)同流量水位變化不明顯。夾河灘以下長(zhǎng)約660 km 的河段，除個(gè)別站外，絕大多數(shù)河段的同流量水位是顯著下降的。

圖5 沿程3 000 m3／s 同流量水位變化

2018 年汛前，孫口上下的彭樓—陶城鋪河段為全下游主槽平灘流量較小的卡口河段，平灘流量的最小值為4 200 m3／s，斷面有徐沙洼、陳樓、龍灣（二）、大田樓和路那里［15］。2018—2020 年，黃河下游卡口河段仍為沖刷，卡口河段絕大多數(shù)斷面的平灘流量有不同程度的增大。據(jù)分析，2021 年汛前，黃河下游卡口河段最小平灘流量的位置在陳樓—北店子河段，平灘流量最小的斷面為陳樓、梁集、路那里和王坡斷面，平灘流量的最小值為4 600 m3／s［19］。也就是說(shuō)，3 a 排沙期黃河下游最小平灘流量仍增大400 m3／s，黃河下游河道的整體排洪能力非但沒(méi)有減小，反而顯著提高了。水庫(kù)排沙沒(méi)有引起高村以下（包括卡口河段）排洪能力降低。

3 討論

1）并非小浪底水庫(kù)排沙的所有年份黃河下游高村以下河道都會(huì)發(fā)生沖刷和同流量水位下降，同樣的水庫(kù)排沙量，如果遭遇枯水年，高村以下河道（包括卡口河段）不一定發(fā)生沖刷。此外，根據(jù)歷次排沙期黃河下游河道淤積量沿程分布的分析結(jié)果，水庫(kù)排沙造成的淤積，往往從縱比降突然變緩的下古街?jǐn)嗝骈_(kāi)始，沿程逐漸減弱。也就是說(shuō)，排沙期花園口以上河段的淤積強(qiáng)度從下古街開(kāi)始逐漸減弱，花園口以上河段雖然平灘流量較大，但沿程淤積分布并不均勻，而是集中在下古街（花園口上游97.4 km）往下不長(zhǎng)的河段。短期的大量水庫(kù)排沙很可能淤積在局部河段，引起水位陡漲。例如，2019 年集中排沙期，開(kāi)儀險(xiǎn)工水尺的3 000 m3／s 同流量水位一度抬高了1.82 m［16］，需要引起注意。

2）排沙期，為避免卡口河段發(fā)生漫灘，小浪底水庫(kù)應(yīng)按不大于4 000 m3／s 的流量下泄，流量不能再大。對(duì)排沙期間黃河下游河道在縱向和橫向的沖淤研究顯示，由于寬河道斷面寬淺及部分河段多股汊河的存在，流速不夠大，因此邊灘和深槽均發(fā)生淤積。目前，小浪底水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積物的三角洲頂點(diǎn)高程距壩僅6.54 km，很快就要抵達(dá)壩前，同樣的排沙流量，小浪底水庫(kù)排出的沙量將更多，若排沙則花園口以上寬河道的淤積量更大。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，要從根本上解決黃河下游河道的淤積問(wèn)題，還需要：1）繼續(xù)沖刷提高黃河下游卡口河段的排洪能力；2）抓緊修建古賢水庫(kù)，為三門(mén)峽和小浪底水庫(kù)沖刷提供后續(xù)動(dòng)力，排泄更多泥沙；3）將黃河下游寬河道縮窄，以期形成窄深河槽，并利用窄深河槽多來(lái)多排的輸沙特點(diǎn)，在洪水期直接輸沙入海。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了2018—2020 年3 a 排沙期庫(kù)區(qū)和下游河道沖淤變化，結(jié)果顯示，在排沙的3 a 內(nèi)：1）三門(mén)峽和小浪底水庫(kù)不但將來(lái)沙排出，還使庫(kù)區(qū)發(fā)生6.44億t 沖刷，相當(dāng)于之前10 a 的淤積量；2）從5 次集中排沙期下游河道各河段的沖淤量來(lái)看，有近50%的來(lái)沙淤積在花園口以上河段，高村以下河段淤積量很少；3）排沙期卡口河段所在高村—艾山河段的淤積泥沙會(huì)在排沙期或排沙結(jié)束后2 個(gè)月內(nèi)沖刷恢復(fù)（相應(yīng)小黑武的水量為99 億～117 億m3）；4）從3 a 的沖淤狀況來(lái)看，黃河下游高村以下河道仍?xún)魶_刷，卡口河段的最小平灘流量增大了400 m3／s，河道的排洪能力還有明顯提升。這表明，在目前小浪底水庫(kù)單庫(kù)運(yùn)用的情況下，水庫(kù)河道泥沙跨年接續(xù)調(diào)節(jié)是現(xiàn)實(shí)可行的，應(yīng)該在以后遇到類(lèi)似的來(lái)水來(lái)沙條件時(shí)繼續(xù)實(shí)施。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，要徹底解決黃河下游的泥沙淤積問(wèn)題，需要古賢水庫(kù)產(chǎn)生“人造洪水”提供后續(xù)動(dòng)力，增大小浪底水庫(kù)的沖刷效果，利用黃河下游河道窄深河槽的輸沙特點(diǎn)輸沙入海。