黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用

2005年5月SHUILI XUEBAO第36卷第5期文章编号: 0559-9350(2005)05-0511-08

黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用

郭庆超1，胡春宏1,2，曹文洪1，李景宗3

(1.中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京 100044；2.国际泥沙研究培训中心，北京 100044；

3.黄河水利委员会，河南郑州 450003)

摘要：本文采用泥沙数学模型分别对小浪底水库单独运用以及小浪底与古贤水库联合运用的20个可能运行方案条件下，黄河下游河道的冲淤过程和发展趋势进行了计算研究。结果表明，在黄河上修建大型水利枢纽工程对减轻黄河下游河道淤积，遏制河床抬升具有明显作用。结合三门峡水库运用以来的实测资料，分析了大型水利枢纽工程运用与下游河道演变的内在规律，建立了小浪底水库出库水沙与下游河道泥沙冲淤的量化关系，给出了维持下游河道冲淤平衡的临界条件，为通过大型水利枢纽工程运用来减轻黄河下游河道泥沙淤积提供科学依据。

关键词：泥沙数学模型；黄河下游减淤；临界含沙量；小浪底水库；古贤水库

中图分类号：TV147.+5 文献标识码：A

黄河下游最突出的问题是水少沙多，导致下游河道不断淤积抬高，使得部分河段河床高出堤外地面5m 左右，有的河段甚至高出堤外10m，成为世界上著名的“地上悬河”，防洪任务日趋严峻。特别是自20世纪80年代中期以来，黄河下游来水连续偏枯，造成河道自身不断萎缩，主槽过洪能力进一步下降，严重危害着两岸的生态环境和经济发展。因此，如何减轻黄河下游河道泥沙淤积，恢复河道功能是目前黄河治理中的重要任务。在长期治理黄河的实践中，人们逐渐总结出了“拦、排、放、调、挖”的综合处理黄河泥沙体系[1]。然而，就目前而言，通过在黄河上修建大型水利枢纽来减轻黄河下游河道泥沙淤积仍是一项有效和切实可行的措施[2，3]，它不仅见效快而且还可以为水土保持赢得更多的时间。然而水利枢纽建成后，下游河道如何响应，泥沙冲淤图景怎样，减淤效果如何评价，不淤年限有多长，都是需要迫切回答的问题。为此，作者采用自主开发的泥沙数学模型分别对无大型水利枢纽、单个大型水利枢纽、及枢纽间联合运用和各种不同出库水沙组合条件下，黄河下游河道的演变趋势进行多个方案计算和分析研究，结合三门峡水库运用以来的实测资料，分析了大型水利枢纽运用与下游河道演变的内在机理，建立了小浪底水库出库水沙与下游河道泥沙冲淤的量化关系，为通过大型水利枢纽工程的调水调沙运用来减轻下游河道泥沙淤积提供科学依据。

1 黄河下游泥沙数学模型简介

黄河下游泥沙数学模型是基于非均匀沙不平衡输沙理论建立起来的一维泥沙数学模型[4]，具有较好的理论基础，并经过黄河下游将近30年的实测资料率定和验证，能够较好地反映黄河下游河道泥沙冲淤演变规律。在理论上，考虑了支流入汇和区间耗水对水流影响，改进了水流动量方程，增加了由于水流沿程变化而引起的附加比降项，从而能够反映当引水时水面比降会增加，而有支流入汇时水面比降会减缓的事实。

收稿日期：2004-05-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50239040)；国家“十五”攻关项目(2004BA610A-03)；国家重点基础研究规划(973)项目(G1999043604)

作者简介：郭庆超(1965-)，男，安徽六安人，教授级高级工程师，主要从事河道水库河口海岸有关泥沙问题研究。

E-mail:Guoq@

2005年5月SHUILI XUEBAO第36卷第5期

在输沙计算方面，采用非均匀不平衡输沙理论，对含沙量、悬移质和床沙级配变化等都能实时模拟。针对黄河下游高浓度输沙的特点，采用高含低含沙量统一的挟沙能力公式[5]。当然，模型中也有待定的参数，但大量的应用实例表明，模型中仅有的两个参数，如挟沙能力系数k0和恢复饱和系数α具有稳定的取值范围，并可通过一些具有理论基础的表达式进行估算[6～8]，较好地避免了参数选取的不确定性，便于推广应用。当然，在具体应用时还需要通过实测资料分析和模型率定进一步加以确定。在河道变形修正方面，当淤积时，淤积物等厚沿湿周分布；当冲刷时，分两种情况修正：当水面河宽小于稳定河宽时，断面按沿湿周等深冲刷进行修正；当水面宽度大于稳定河宽时，只对稳定河宽以下的河床进行等深冲刷修正，稳定河宽以上河床按不冲处理。

2 小浪底水库对黄河下游河道减淤作用

小浪底水利枢纽工程是控制黄河下游水沙的关

键工程(位置如图1所示)，具有“以防洪、防凌、减

淤为主，兼顾供水、灌溉和发电，蓄清排浑，综合

利用，除害兴利”的功能。小浪底水利枢纽位于黄

河中游最后一个河段峡谷出口，上距三门峡水利枢

纽130km，下距花园口128km，控制流域面积92.3%、

径流量的91.5%、输沙量的98%。它的建成并投入运

用，在黄河治理开发中具有十分重要的战略意义。

126亿m3的巨大库容可以对入库的水沙进行有效的

调节，显著改善下游河道的来水来沙条件，特别是

在水库运用初期可以利用75亿m3的淤沙库容大幅度

减少进入黄河下游的来沙，对于减轻下游河道淤积

具有显著效果。图1 三门峡、小浪底、古贤水库位置

小浪底水利枢纽的建成并投入运用对减轻下游河道淤积已有不少研究成果[9～12]。然而不同研究者对于某些问题的看法差距较大。为了进一步探讨这些问题，作者利用改进的黄河下游泥沙数学模型分别对有小浪底和无小浪底水库情况下未来50年下游河道冲淤发展进行了两个方案的预测计算。

2.1 计算条件计算用的水沙条件是由黄委会设计院根据1950～1975年实测系列循环一次计算得到的，称为5075系列，系列长度为50年。方案1是假设无小浪底的情况，而方案2是假定有小浪底水库的情况。两个方案年均来水量分别为314.92亿m3和31

3.04亿m3，来沙量分别为13.3亿t和10.9亿t。计算的起始断面是2000年汛前实测断面，也是由黄委会设计院提供的。

2.2 计算成果与分析上述两个方案的计算成果如表1和图2所示，通过分析得到如下认识。

(1)小浪底水库的减淤效果是明显的。在无小浪底水库条件下(方案1)，当来水来沙采用5075系列时，未来50年黄河下游河道累积淤积量将达到170.17亿t，年均淤积3.403亿t。而在有小浪底水库的情况下，由于水库的拦沙作用，采用同样5075水沙系列，未来50年黄河下游河道累积淤积量仅为99.17亿t，年均淤积1.983亿t。50年累计减淤71.0亿t。