水库调水调沙发展过程的回顾与瞻望.docx

水库调水调沙发展过程的回顾与瞻望摘要在小浪底水库最低泄空水位已经确定的情况下，则水库前期淤积量越大，水库的调沙作用应好些。而用小浪底水库有限的拦沙库容对无限的来沙总是无出路的，泥沙多年调节的目的是充分利用河道输沙潜力输沙，使黄河有限的水资源得到合理的利用，充分发挥水库的综合作用。关键词水库 调水调沙 发展 回顾与瞻望着名治黄专家王化云在1987出版的“我的治河实践”一书序言中指出：“调水调沙治河思想虽然处于发展过程中，已有实践经验也不完全，但我认为这种思想更科学，更符合黄河的实际情况，未来黄河的治理与开发，很可能由此而有所突破”。正如黄委会主任李国英最近指出的，我们将由传统治黄进入调水调沙科学治理黄河的新时代。在当前应理清调水调沙思路，明确主攻方向，找出最有效的技术途径。最早提出水库调沙设想1，是美国学者葛罗同，萨凡奇在1946年治理黄河初步报告中提出，利用八里胡同水库控制洪水并发电，坝底设有排沙设备，每年放空排沙一次。下游河道之设计应能承受水库下泄洪水和泥沙，设计成宽500m，深5m的河道，可输送含沙量高达20(500kg/m3)的河水。60年代三门峡水库泥沙问题暴露之后，也有人提出利用小浪底水库进行泥沙反调节的设想。由于对河道输沙规律的认识不断深入，调水调沙的理论也在不断地发展与完善。回顾过去的发展过程，不断总结经验，有利于充分发挥小浪底水库的调水调沙作用。一、人造洪峰在河道输沙公式QsKQM中，m值一般为2，根据这一特点，人们提出利用人造洪峰排沙入海的设想，认为把小流量的水量集中起来，用大流量集中放，可以多输沙入海。为此1963年曾利用三门峡水库进行两次人造洪峰试验，结果冲刷效果不好。在冲刷平均流量1477和1870m3/s，最大流量分别为3260和2900 m3/s的情况下，冲刷只发展到艾山以上河段，艾山以下河段还发生淤积，从下游河床中冲刷入海1吨泥沙的用水量分别为81m3和58m3，详见表1。结果表明沿程冲刷过程中含沙量迅速恢复,冲刷速率降低，而发生塌滩展宽对下游河道的冲刷作用并不利。流量小时，还会出现上冲下淤，并且需要耗用大量宝贵的清水资源，才有一定的减淤效果。如在小浪底水库的规划设计阶段，曾设想在丰水年非汛期相机造峰，平均3年进行一次,用水量40亿m3，造峰流量5000m3/s，全下游减淤约亿t，平均年减淤亿t,用67亿m3水量输1亿t沙入海。人造洪峰减淤效果不好的原因，是其依据的河道输沙公式中没有考虑上站含沙量的影响。忽略了黄河河道具有多来多排的输沙特性,不仅全沙如此,属于造床质的粗泥沙也具有同样的输沙特性。考虑上站来沙的影响，河道输沙公式应为QSKQaS上,流量方次a为，远小于2。由于今后黄河水资源更加贫乏，这一调水调沙措施将逐渐失去意义。二、“蓄清排浑”在三门峡水库蓄水运用后库区淤积严重，潼关河床大幅度抬高，严重影响渭河。在不改建不行的压力下，基于黄河泥沙多，在年内分配不均匀，泥沙又主要集中在汛期，非汛期来水较清，及艾山以下河道流量大于3000m3/s，河道输沙特性呈现“多来多排”基本不淤,提出把非汛期的泥沙调到汛期排,利用非汛期来水含沙量低，蓄水拦沙发电、防凌，并进行水量调节尽可能满足下游灌溉用水需求。在汛初降低坝前水位，利用汛期流量大，冲刷能力强，把汛期来沙连同非汛期淤在库内的泥沙全部排出库外，达到年内冲淤平衡。三门峡水库改建后，从1973年开始蓄清排浑运用，利用潼关以下槽库容进行调沙，因受到潼关高程及库区条件的限制，不能进行大幅度调节。每年汛初不管来水情况如何，都把运用水位降低，因此经常出现小水排沙，形成小水带大沙 造成黄河下游主槽强烈淤积的不利局面。据1974年1986年的资料统计，有26的泥沙由流量小于2000m3/s排出，而龙羊峡水库投入运用后，因汛期大量蓄水，自1987-2000年却有48%的泥沙由流量小于2000m3/s排出。详见表2。1974-1986年小于2000m3/s出现的天数年均307天，占全年的84%，而1987-2000年小于20003/s出现的天数年均351天，占全年的96%，只有14天流量大于2000m3/s，而前者为58天应当指出蓄清排浑的运用方式，是针对三门峡水库特定条件下形成的，在推广应用时应注意其特殊性。三门峡水库改建成功，说明通过汛期降低坝前水位,可以保持平滩以下的槽库容。对下游河道的减淤作用在改建时并没有进行过多的考虑，实际运用结果表明，虽然没有明显增加下游河道淤积，但下游河道的减淤效果不理想。随着龙羊峡等大型水库投入运用，汛期的基流与洪峰流量均在减小，冲刷能力减弱，三门峡水库的运用面临汛期“无水”排沙的新情况，既使是再降低水库的运用水位，也很难保持库区冲淤平衡，且利用小流量排沙会使下游河道进一步恶化，对防洪极为不利。由于三门峡水库蓄清排浑运用方式，是在特殊情况下形成的，其调节能力十分有限，不可能获得较大的调节库容和较强的泄空冲刷条件，使出库的含沙量的增幅受到限制，无法充分利用下游河道可能达到的输沙能力输沙入海，使黄河水资源的利用受到限制。三、利用来沙系数SQ与河段排沙比关系调沙从艾山以上洪峰时段的河段排沙比与流量及三、黑、小来沙系数间的关系可知,在各级来沙系数情况下，流量在5000m3/s6000m3/s时排沙比均最大。而在流量一定时，随着来沙系数SQ值的增大，河段的排沙比逐渐降低。在流量为5000m3/s6000m3/s时，若来沙系数在时(含沙量150kg/m3180kg/m3)，三门峡至艾山河段的排沙比只有50多；当来沙系数减为(含沙量40kg/m350kg/m3)时,河段的排沙比达120；在来沙系数约为时,河段的排沙比为100。从黄河下游河道应保持“微冲微淤”状态出发，有人提出把泥沙调成来沙系数为左右输送的设想。其实河段排沙比为100，只说明进出河段的沙量平衡,并不能说明泥沙在断面上冲淤情况。在黄河下游不论含沙量高低，洪水漫滩后均会造成滩地淤积,含沙量越高淤积越严重,但主槽往往会产生强烈冲刷。河段排沙比为100,只说明滩地淤积量与主槽的冲刷量相等。并不表示河流输沙的力学关系，只表示不同的水沙搭配时,河段滩地淤积量与主槽冲刷量间的比例。以河段排沙比100作为控制条件进行泥沙调节，要提高排沙水流含沙量只有增大流量，流量增加漫滩后又使河道排沙比降低，因此，不会取得显着的减淤效果。造成上述SQ与河段排沙比之间的特有规律，主要是洪水漫滩的结果，若能控制水流在窄深主槽中输送，则河道的输沙效率就会提高。四、以调水为主的调水调沙运用方式经分析研究，在21世纪来水减得多，来沙减得少，尤其是汛期水少沙多不利条件下，拟定10月6月为蓄水径流调节期,7月9月以调水为主的调水调沙运用方式提高枯水流量，保证发电流量400m3/s，改善河道基流和保护水质条件。在来水为400m3/s800m3/s时，水库全部泄放不调节,满足下游用水要求。避免平水，若来水为800m3/s2000m3/s时，只泄800m3/s，消除下游河道平水淤积和上冲下淤的不利现象。增加中水3000m3/s以上流量和形成5000m3/s小洪水，发挥下游河道3000m3/s以上流量和接近平滩流量的输沙能力,提高全下游减淤效益。控制水库低壅水，调蓄库容不大于3亿m3,保持调水调沙拦沙运用中水库有较大的平均排沙比，拦粗排细。调节高含沙洪水，避免对下游不利影响。滞蓄洪水，上游来沙多时，保持10000m3/s以下洪水淤滩刷槽机遇，上游来沙少时按下游保滩流量8000m3/s下泄。上述运用方式结合水库兴利，考虑了目前下游艾山河道的冲淤特性与输沙特性，但未能考虑河槽的调整对输沙的影响，即充分利用下游河道可能达到的输沙潜力输沙的可能性。五、水库合理拦沙为了更有效地利用水库的拦沙库容，水库应避免拦截粒径小于的冲泻质，尽量少拦的中颗粒泥沙，只拦大于粗沙，则可充分发挥水库的拦沙减淤作用。黄河泥沙的粗细年内季节性变化很大，汛期洪水时泥沙来自流域侵蚀，泥沙颗粒较细，非汛期来自干支流河道冲刷，颗粒比较粗。如潼关站悬沙中大于的粗泥沙，汛期一般占30,而非汛期却占60%70%，相对于汛期来说，非汛期拦沙就接近拦粗排细的情况。从黄河下游不同河段的冲淤情况可知，在河槽中淤积的粗泥沙主要是小水时造成的，而在流量较大时，河床中的粗沙也可被冲刷下移。因此，水库拦粗沙主要拦截小水时的粗泥沙，排沙则要利用大流量。要想作到合理拦沙，就要与调水调沙相结合，充分利用河道可能达到的输沙能力输沙。拦沙与输沙是一个事物的两个方面，拦沙的最终目的是为了减淤，因此充分利用河道输沙，是合理拦沙的基础。六、窄深河槽具有的输沙潜力为水库调水调沙展现广阔的应用前景黄河下游艾山以下属窄深河槽，具有很强的输沙能力，当床面形态进入高输沙动平整状态时，将形成粗泥沙(D=)也能输送的“多来多排”的水力条件。实测含沙量200kg/m3，在流量大于3000m3/s时，河段的排沙比达100%。考虑到含沙量增大，流体的粘性增加，会使泥沙颗粒的沉速大幅度降低，含沙量大于300kg/m3时输送反而更容易，与艾山以下河型相似的渭河、北洛河下游、三门峡库区窄深河槽实测高含沙洪水，含沙量变化对泥沙在垂线上分布特性的影响，在流量较大时，含沙量800900kg/m3的水流也可顺利输送。经分析计算艾山以下河道在流量大于3000m3/s时，可顺利输送含沙量高达800kg/m3。造成窄深河槽输沙能力大的主要原因，是随着含沙量的增加，粘性增大，粗颗粒的沉速降低，更容易悬浮，而河床对水流的阻力并没有改变，可用曼宁公式进行水力计算，即同样的比降、水深条件下流速不会减小，因此造成高含沙水流可以在较弱的水流条件下输送大量泥沙，利用高含沙水流输沙入海是一种理想的技术途径。七、瞻望众所周知，冲积河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和尺寸，及河床组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和尺寸，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性。对于一定尺寸的河槽形态，小水淤积、大水冲刷分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束作用不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性与水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素综合的结果，是河流演变、输沙特性的集中反映。河道的输沙特性与演变特性间存在着密切的联系，其原因是它们都受河槽形态和尺寸的控制。不同河型的主要差别是因为它们具有不同的河槽形态，具有窄深河槽的河流，不仅输沙能力强，河道很少淤积，且河势受窄深河槽的约束，河道稳定，多年坐弯得以累计，可发展成弯曲性河流。而具有宽浅河槽的河流，不仅输沙能力低，河道强烈堆积，且宽浅河槽无法约束洪水期河势变化，受局部边界的影响经常产生“横河”“斜河”，发生游荡摆动，产生难以预料的河势变化和险情，对防洪极为不利。水库调水调沙应产生最优水沙组合,形成的河槽形态与尺度，应能使河道具有较强的输沙能力，使河道尽量不淤，从而决定了水库调水调沙的减淤效果必然最好。以前几种水库调水调沙运用原则，均没有考虑水库调水调沙运用将改变进入下游河道水沙条件，从而会引起河槽形态的调整，河道的输沙特性也会产生相应变化。合理的调水调沙运用原则，应能反映冲积河流自动调整，并利用这种调整，提高河道的输沙能力，利用可能达到的输沙潜力进行输沙。且水库长期调水调沙运用，水沙条件的长期变化，应有利于塑造新河槽，使宽浅游荡河道朝着有利河型方面转化。在改变水沙条件的同时，应加强游荡河道整治，使其形成窄深、规顺、稳定、有利排洪输沙的通道。从此要求出发，黄河“八五”攻关研究结果表明，泥沙多年调节的运用方式，平、枯水年蓄水拦沙供水发电运用，利用丰水年洪水期排沙，使黄河的泥沙尽可能调节到洪水期输送，塑造出有利于输沙入海的窄深河槽,适合今后黄河的水沙特性。并得出泄空水位越低，水库的调沙能力越强(调沙库容大，冲刷效率高)，下游河道的减淤效果越好，输沙用水越节省，水库具有较大的调沙库容将起着关键作用。目前，在小浪底水库最低泄空水位已经确定的情况下，则水库前期淤积量越大，水库的调沙作用应好些。而用小浪底水库有限的拦沙库容对无限的来沙总是无出路的，泥沙多年调节的目的是充分利用河道输沙潜力输沙，使黄河有限的水资源得到合理的利用，充分发挥水库的综合作用。参考文献1葛罗同、萨凡奇、雷巴特，治理黄河初步报告(1946)，历代治黄文选(下册)，黄河志总编室，1989年。2赵业安，黄河的输沙规律及治理问题的初步探讨,1965年5月。3麦乔威、赵业安、潘贤娣，黄河下游来水来沙特性及河道冲淤规律的研究，1978年94钱宁、张仁、赵业安、刘月兰，从黄河下游河床演变规律看河道治理中的调水调沙问题，地理学报1978年第一期P13-26页。5王士强，小浪底水库泄流排沙规模的初步研究及建议，1984年2月。6涂启华、张俊华、曾芹，小浪底水库减淤运用方式及作用，人民黄河，1993年3期7齐璞赵文林主编，黄河高含沙水流运动规律及应用前景、科学出版社、1993年、北京8齐璞、刘月兰、李世滢等，黄河水沙变化与下游河道减淤措施、黄河水利出版社、1997年、郑州