引用格式： 张金良，*俊鲁**，韦诗涛，等.小浪底水库调水调沙后续动力不足原因和对策［J］.人民黄河，2021，43（1）：5-9.
作者简介： 张金良（1963—），男，河南新安人，高级工程师（教授级），博士，博士生导师，主要从事黄河流域重大水工程与水沙调控研究工作
摘要： 小浪底水库是现状黄河水沙调控体系的核心，为完善黄河水沙调控机制，需研究小浪底水库调水调沙后续动力不足的原因及增强对策。以小浪底水库调水调沙实践为基础，分析入库水沙条件和库区排沙规律、调水调沙动力不足的特征和原因；研究增强小浪底水库后续动力的要求，包括降低水位冲刷、保持有效库容、协调下游水沙关系等，需要中游水库塑造适宜的洪水过程，实现水沙有效对接、合理搭配；结合黄河水沙调控体系工程现状和规划，提出了增强调水调沙后续动力的措施，认为现状工程在增强小浪底水库调水调沙后续动力方面存在较大制约，建设古贤水库是解决小浪底水库调水调沙后续动力不足的首选措施，可使小浪底水库调水调沙后续动力得到有效补充。
关键词： 小浪底水库；异重流；古贤水库；水沙调控；动力条件；黄河
黄河小浪底水利枢纽地处黄河中游最后一个峡谷段的出口，上距三门峡水利枢纽130 km，下距花园口水文站128 km，控制流域面积 69.4 万 km2，控制了约90%的黄河径流和几乎全部的泥沙，开发任务以防洪防凌、减淤为主，兼顾供水、灌溉、发电，除害兴利，综合利用，是黄河水沙调控体系（见图1） ［1］的重要组成部分，在黄河治理开发中具有十分重要的战略地位。水库设计正常蓄水位275 m，设计汛限水位254 m，水库总库容 126.5 亿 m3，其中长期有效库容 51.0 亿 m3（含10 亿 m3调水调沙库容）、拦沙库容 75.5 亿 m3。
图1 黄河水沙调控工程体系示意
小浪底水库于1999年10月下闸蓄水运用，在黄河防洪、防凌、减淤、供水、灌溉、发电、防断流以及河口生态环境保护等方面发挥了巨大作用 ［2-4］。众多学者和专家对小浪底水库水沙调控进行了深入研究，在水库调水调沙机理［5-6］、排沙调度实践［7-11］以及减轻下游河道淤积［12-13］等方面取得了较为丰硕的成果。小浪底水库作为现状黄河水沙调控的核心，存在调水调沙后续动力不足的突出问题，引起了各方高度关注。在2019年9月18日的黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上，习*平近**总书记指出“要保障黄河长久安澜，必须紧紧抓住水沙关系调节这个‘牛鼻子’”“完善水沙调控机制，减缓黄河下游淤积，确保黄河沿岸安全”。本文针对小浪底水库调水调沙后续动力不足、水沙调控体系的整体合力无法充分发挥问题，剖析小浪底水库调水调沙后续动力不足的特征、原因，研究提出增强小浪底水库调水调沙后续动力的要求和解决措施，以期为完善黄河水沙调控机制提供参考。
1 调水调沙动力不足的特征分析
水库库区水流形态大致可以分为两种：一是在挡水建筑物的作用下，库区水面形成壅水曲线，沿流程水深逐渐增大，流速逐渐降低，这种水流流态称之为壅水流态，根据水库蓄水体大小、水深变化以及入库水沙条件不同而表现为不同的输沙特征，又可细分为壅水明流输沙流态、异重流输沙流态和浑水水库输沙流态 ［14-15］；二是挡水建筑物基本不起壅水作用，库区水面线接近天然状态，可以近似按均匀流来对待，这种水流流态称之为均匀明流输沙流态［14-15］，当来沙的数量与水流可以挟带的泥沙数量不一致时，水库就会发生淤积或冲刷。
截至 2020年4月，小浪底水库已拦泥沙 32.86 亿 m3，处于拦沙后期运用的第一阶段 ［16-17］，水库以异重流和浑水水库排沙为主。当遇长历时大流量洪水过程时，小浪底水库可降低水位排沙运用，库区亦会出现壅水明流输沙流态或均匀明流输沙流态，使水库发生冲刷，这是恢复与保持有效库容的重要手段。结合小浪底水库入库水沙条件和调度运用实践进行深入分析，调水调沙动力不足主要体现在以下两个方面。
（1）入库洪水动力不足，水库异重流排沙效果差。入库洪水动力不足，水库异重流排沙时间短、排沙效率低甚至中途溃散。2005年调水调沙自6月9日开始，至 7月1日 8 时结束，历时 22 d，累计入库水量8.15亿 m3，出库水量52.11 亿 m3，入库水量占出库水量的15.6%，库区人工塑造的异重流自6月27日18 时开始潜入，6月29日16 时开始排沙出库，7月1日8 时结束，水库主要排沙时段仅为40 h，不足2 d，整个调水调沙期间水库排沙比仅为5%。2015年调水调沙从6月29日9时开始，7月12日 8 时结束，历时 13 d，7月9日 6 时异重流潜入，三门峡水库自7月9日9 时补水下泄、10日9 时结束敞泄运用，补水仅1 d，异重流失去后续动力，导致异重流最终未能运行至大坝，于中途消散。
（2）有利于库区排沙和下游河道输沙的大流量天数少。潼关水文站1960—1986年汛期流量大于2 600 m3/s的年均天数为 39.1 d，相应水量为 126.1 亿 m3，沙量为6.1 亿 t，含沙量为 48.4 kg/m3；汛期连续 4 d 流量大于2 600 m3/s 的天数为 26.2 d，相应水量为85.6亿 m3，沙量为 3.4 亿 t，含沙量为 39.7 kg/m3（见表 1）。2000年以后，潼关水文站汛期流量大于2 600 m3/s 的天数大幅减少，年均天数仅为 7.4 d，相应水量为20.7亿 m3，沙量为 0.3 亿 t，含沙量为 14.5 kg/m3；汛期连续 4 d 流量大于 2 600 m3/s 的天数为 6.2 d，相应水量为 17.6 亿 m3，沙量为 0.2 亿 t，含沙量为 11.4 kg/m3。数据表明，2000年以后有利于库区排沙和下游河道输沙的大流量天数大幅减少，与1986年以前相比，汛期流量大于2 600 m3/s 的天数减少81.0%，连续 4 d 流量大于 2 600 m3/s 的天数减少76.5%，导致小浪底水库降低水位冲刷的机遇非常少见，仅在近3 a 遭遇长历时洪水时，采取了降低水位冲刷排沙运用（即采用滩槽同步抬升的塑槽运用）方式，取得了较好效果。以2018年为例，7月3—27日小浪底入库水量 49.2 亿 m3（日均流量 2 373 m3/s，最大日均流量4 010 m3/s），出库水量 61.2 亿 m3（日均流量2 951 m3/s，最大日均流量 3 690 m3/s），坝前最低水位降至210 m 附近，水库降水冲刷排沙效果明显，出库沙量为 3.63 亿 t，库区累计冲刷泥沙 2.1 亿 t。
表1 潼关水文站汛期流量大于2 600 m3/s的水沙特征值
2 调水调沙后续动力不足的原因
（1）黄河中游水库调节能力小，人造洪水补充后续动力的能力十分有限。当前黄河中游干流除小浪底水库外，较大的水库主要有万家寨水库和三门峡水库。万家寨水库设计最高蓄水位980 m，正常蓄水位977 m，相应库容4.66 亿m3，采用“蓄清排浑”运用方式，汛期防洪限制水位 966 m，相应库容 2.47 亿 m3。万家寨水库蓄水量有限，距离小浪底水库约1 100 km，洪水传播到小浪底的时间为5 d 左右，即便人工塑造洪水过程，也会在中途发生坦化，调控能力有限。三门峡水库位于黄河中游下段，距三门峡市约20 km，与小浪底库尾相连，截至2020年汛前，汛期控制运用水位305 m 以下的库容为0.49 亿m3，汛期可为小浪底水库补充的水量非常有限。
（2）中游洪水泥沙发生频次减少、历时短，受现有水文预报期限制，水库降低水位排沙时机难以精确把控。2000年以来，受降雨变化、水利水保工程建设、黄土高原退耕还林还草、水资源开发利用、流域煤矿开采以及河道采砂取土等因素影响，中游洪水显著减少，自然条件下的洪水动力大幅减弱，不利于小浪底库区排沙和下游河道输沙。潼关水文站是三门峡水库的入库站，其洪水预报依据其上游临近站（干流龙门站及支流渭河、汾河、北洛河的控制站）的实测洪水过程进行，因此洪水预报的预见期即河道洪水传播时间减去预报时间，2 000 ～5 000 m3/s 流量级洪水预见期为12～18 h，5 000 m3/s 以上流量级的洪水预见期为 10～16 h。潼关至三门峡水库坝址洪水传播时间约12 h，综合预见期为22 ～30 h，即目前支持小浪底水库调度的精确洪水预报期不足2 d。历年调水调沙期间，小浪底水库一般按6 d 预见期进行实际调度 ［18］。汛期小浪底水库一般蓄水8 亿～13 亿m3，考虑调水调沙后预留3亿m3应急水量，水库需要提前泄水5 亿～10 亿m3，按入库基流1 000 m3/s、水库泄水 4 000 m3/s 考虑，泄水历时2～4 d 后才能基本达到降低水位冲刷排沙的要求。按照预见期6 d 考虑，则剩余可预见的大流量排沙历时仅为2 ～4 d，预见期外后续洪水流量若偏小则后续动力不足，将直接影响水库降低水位冲刷排沙和下游河道输沙的效果，存在较大的不确定性，难以准确把控。若在汛前调水调沙，小浪底水库蓄水更多，泄水时间要求更长，降低水位冲刷排沙效果更难把控。
（3）有利于小浪底水库排沙的入库洪水过程偏短，造成调水调沙期出库含沙量沿时程前低后高，不能充分发挥下游河槽的输沙能力并可能造成部分河段河槽淤积。在天然异重流排沙、人工塑造异重流排沙、浑水水库排沙、壅水明流排沙、降水明流排沙等方式中，小浪底水库出库泥沙的来源主要为潼关以上河道来沙、三门峡库区来沙、小浪底库区淤积三角洲冲刷的泥沙。理想的高效调水调沙过程应是进入下游的水沙关系协调度接近或等于1，这样的水沙过程持续5 ～6 d。显然在天然洪水过程+人工调控过程或人工调控过程中，由于现状三门峡、万家寨等水库汛期库容太小，无法实施有效调节，因此造成小浪底水库排沙后续动力严重不足。
3 增强调水调沙后续动力的要求
调水调沙要满足两方面要求：一是水库排沙减淤、保持长期有效库容和库区淤积形态塑造的要求，二是利用调水调沙水量协调水沙关系、提高下游河道输沙效率、维持下游中水河槽过流能力的要求。
（1）库区排沙减淤、降低水位冲刷泥沙和库区淤积形态塑造、保持有效库容对入库水沙条件的要求。水库经过长时期运用，库区淤积量会逐渐增多，为了继续发挥水库的综合效益和延长水库的使用年限，需要采取措施恢复一部分淤积的库容。恢复库容指的是不仅要把入库的泥沙带走，同时还要冲刷库区前期淤积的泥沙，扩大水库的可利用库容。根据对库区挟沙水流运动特点的分析，只有当水库处于均匀明流输沙流态时，水库才有可能发生冲刷 ［14-15］。调控库容是水库充分发挥综合效益的根本，小浪底水库处于黄河水沙进入下游河道的关键节点，是中下游水沙调控体系的核心工程，承担着多项开发任务，其库容尤显珍贵，目前水库已进入拦沙后期运用，在有利的水沙条件下伺机降低水位泄水运用，恢复部分前期淤积的库容，延长水库拦沙年限，是迫切而且必要的。调控流量、冲刷流量是水库调节的重要指标［19-21］，其中：调控流量选择的关键在于是否有利于下游河道的减淤和中水河槽的维持，而冲刷流量的选择更注重水库的冲刷效果和长期有效库容的保持。小浪底水库在进行降低水位冲刷时，不仅要考虑下游河道的承受能力（三门峡、小浪底等水库降低水位冲刷排沙期间，出库含沙量多数为60 kg/m3左右，甚至超过 100 kg/m3），减少河道淤积，还要兼顾下游河道高效输沙。研究认为，小浪底水库降低水位冲刷流量应不小于2 600 m3/s，即根据水文预报，当将要来连续2 d 以上流量大于等于2 600 m3/s的入库洪水时，水库提前2 d 按下游平滩流量下泄洪水，冲刷排沙，待洪水过后（流量小于2 600 m3/s）恢复蓄水运用。采用该流量级洪水进行降水冲刷，一方面可以满足水库冲刷、恢复库容的需要，另一方面还可避免不利的流量级洪水进入黄河下游，且大流量过程能持续一定的历时，避免下游河道的淤积。
（2）水库异重流塑造对入库水沙条件的要求。人工塑造异重流，并使之持续运行到坝前，必须使形成异重流的水沙过程满足异重流持续运动条件。从物理意义上来说，必须使洪水提供给异重流的能量能够弥补异重流沿程和局部的能量损失，否则异重流将在中途消失。因此，成功塑造异重流并排沙出库的关键，首先是确定在当时的边界条件下形成异重流并运行至坝前的临界水沙条件；其次是通过中游各水库联合调度，使得运行至小浪底水库回水末端的水沙过程满足并超越其临界条件，实现异重流排沙或增大异重流排沙比，维持至异重流排沙结束并持续一段时间。
异重流是否发生与入库流量和含沙量的大小及二者的搭配、泥沙级配、潜入点的断面特征等因素有关。根据小浪底水库异重流实测资料分析，异重流潜入的水沙条件：①入库流量一般不小于300 m3/s，流量为300 m3/s 左右时的含沙量为 50 kg/m3左右；②流量大于 800 m3/s 时，相应含沙量为 10 kg/m3左右；③流量为300～800 m3/s 时，含沙量可随流量的增大而减小。与上述水沙条件相应的悬沙中细泥沙（中径≤0.025 mm）的比例一般不小于70%，若水流中细泥沙的比例增大，则流量及含沙量要相应减小。
水库产生异重流并能到达坝前，除需具备一定的洪水历时之外，还需满足一定的流量及含沙量，即形成异重流的水沙过程所提供给异重流的能量要足以弥补异重流的能量损失。异重流的流速及挟沙力与其含沙量成正比，形成异重流的流速与含沙量具有互补性。根据小浪底水库发生异重流时入库水沙资料分析，异重流产生并持续运行至坝前的临界条件 ［22］：①入库洪水有一定历时且细泥沙的比例不小于70%；②入库洪水具备足够大的流量及含沙量（流量大于2 000 m3/s且含沙量大于 40 kg/m3，或流量大于 500 m3/s 且含沙量大于 220 kg/m3）。
综上分析可知，水库调水调沙所需流量较大且要有一定的历时（调控流量为3 500 ～4 000 m3/s 的历时不少于 5 d，调控流量为 2 600 m3/s 的历时不少于6 d），若仅依靠小浪底水库自身蓄水，其运用水位高，只能采用异重流排沙或浑水水库排沙，综合效果较差，而且会导致水库淤积量增加，不能充分发挥水库的减淤作用。当小浪底水库进入正常运用期后，库区形成高滩深槽形态，仅剩余10 亿m3槽库容可用于调水调沙调度，考虑到槽库容经常性的淤积变化可能导致蓄水量无法满足调水调沙要求，难以有效协调黄河下游水沙关系，下游河道特别是中水河槽仍会严重淤积。因此，从小浪底水库拦沙减淤、有效库容保持、协调进入下游的水沙关系、塑造下游河道有利于输沙的河槽形态等方面的要求看，亟须中游水库为小浪底水库提供后续动力，塑造适宜的洪水过程，实现水沙有效对接、合理搭配。
4 解决调水调沙后续动力不足的措施
现状工程运用条件下，黄河中游水库群人工塑造洪水进行泥沙调节比较困难。1986年龙羊峡水库投入运用以来，每年汛期平均蓄水量约 50 亿 m 3［23］，用于满足枯水期用水需求，提高了水资源利用效率，但也导致黄河上游进入中下游的中小洪水大幅度减小，进而使得依靠天然洪水冲刷小浪底库区的机会减少；而河口镇—三门峡区间洪水具有含沙量大、洪水历时短的特点，利用高含沙洪水冲刷库区淤积物会造成出库水流含沙量大幅度提高，进入下游的洪水水沙关系更加恶化，增加下游河道淤积。
2004年，在黄河干支流没有发生洪水时，黄委组织汛前调水调沙，通过调度万家寨、三门峡、小浪底水库，人工塑造洪水，冲刷小浪底库区和黄河下游淤积的泥沙，为协调黄河水沙关系找到了一种较好的模式。但万家寨、三门峡水库调节库容不大，所能提供的水流动力条件不足，调水调沙期间小浪底水库下泄水流的平均含沙量不足20 kg/m3，没有充分发挥下游河道的输沙能力。受潼关高程的影响以及自身库容保持的需要，三门峡水库目前汛期限制运用水位为305 m，相应库容约0.49 亿m3，无法为小浪底库区冲刷排沙提供充足的后续动力。
上游骨干水库增强小浪底水库后续动力、配合小浪底水库协调黄河水沙关系技术难度大。通过黄河上游龙羊峡水库汛期蓄水，龙羊峡、刘家峡两库联合运用，实现了水资源的多年调节，优化了水资源时空配置，在保障供水安全、防止黄河断流等方面发挥了重要作用。如果龙羊峡水库在汛期不蓄水或者少蓄水，则势必打乱已形成多年的经济社会用水格局，对流域经济社会发展带来极大影响，同时受流程长、区间水库调蓄、支流入汇等复杂情况影响，调水调沙实现精准对接的难度大，可能带来较大的调度风险。所以，改变龙羊峡、刘家峡水库运用方式，配合小浪底水库调水调沙的方案很难实现。
建设古贤水库是解决小浪底水库调水调沙后续动力不足的首选措施，可使小浪底水库调水调沙后续动力得到有效补充。国务院批复的《黄河流域综合规划（2012—2030年）》提出建设以干流龙羊峡、刘家峡、黑山峡、碛口、古贤、三门峡、小浪底等7 大骨干水利枢纽为主体，以支流陆浑、故县、河口村、东庄等水库为补充的黄河水沙调控工程体系。碛口、古贤两大水库是黄河水沙调控体系中游洪水泥沙子体系的重要组成部分，从增强小浪底水库调水调沙后续动力、协调黄河水沙关系的需要出发，近期迫切需要开工建设其一，以初步形成黄河水沙调控体系的工程布局。从黄河水沙调控体系运行机制而言，古贤水利枢纽工程处于黄河北干流下段，距小浪底最近，可控制黄河全部泥沙的60%、粗泥沙的80%，其控制黄河北干流洪水、泥沙的程度都明显高于碛口水库。古贤水库正常蓄水位627 m，死水位 588 m，总库容 129.42 亿 m3（其中：拦沙库容93.42 亿 m3，调水调沙库容 20 亿 m3）。先期建设古贤水库，其在一定时期内可基本承担黄河中游水沙调控体系的功能，既可对黄河上游水沙进行有效调控，又可为其下游的三门峡、小浪底水库提供足够的调水调沙动力条件，起到承上启下的作用，使黄河水沙调控体系的作用得到充分发挥。
5 结 论
（1）小浪底水库处于拦沙后期运用的第一阶段，水库以异重流排沙和浑水水库排沙为主，受黄河中游洪水泥沙发生频次少、历时短以及水文预报期限制，水库降低水位排沙时机少且难以精确把控；目前中游水库的调节能力小，补充人造洪水后续动力的能力有限。以上两方面是水库调水调沙后续动力不足的主要原因。
（2）从小浪底水库排沙减淤、降低水位冲刷、有效库容保持、协调下游水沙关系、塑造下游河道有利输沙过程的要求看，亟须中游水库为小浪底水库提供后续动力，塑造适宜的洪水过程，实现水沙有效对接、合理搭配。
（3）在现状工程运用条件下，上游骨干水库增强小浪底水库后续动力、配合小浪底水库协调黄河水沙关系难以实施，也很难有较好效果；利用中游水库群人工塑造洪水进行水沙调节比较困难，受潼关高程限制，现状三门峡水库提高汛限水位补充调水调沙后续动力可能性小。建设古贤水库是解决小浪底水库调水调沙后续动力不足的首选措施，可使小浪底水库调水调沙后续动力得到有效补充。
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