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313.04亿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。
2005年5月SHUILI XUEBAO第36卷第5期(2)黄河下游的冲淤过程与小浪底水库运用方式关系。
在小浪底水库拦沙运用期间(前14年)，出库含沙量低，年均含沙量一般低于20kg/m3(见图2)，黄河下游发生累积性冲刷。
水库运用14年后，由于小浪底水库改变运用方式，使出库水沙过程与无小浪底水库基本相同，出库含沙量明显高于初期运用，下游河道开始发生累积性回淤，至第50年时整个下游累积淤积泥沙99亿t。
这种先冲刷后回淤的演变图2 有、无小浪底水库下游河道冲淤过程比较特点与水库运用方式是相对应的。
(3)不淤年限。
从图2冲淤过程线可以看出，至第28年左右整个下游河道累积冲淤量为零，也就是说在小浪底水库运用最初的28年中可以维持黄河下游河床不抬高，即不淤年限为28年。
值得注意的是，这种用累积冲淤量为零对应的年限作为不淤年限的方法(过程线法)尽管直观明了，但有一定的局限性。
因为冲淤过程线是由来水来沙量和过程共同决定的，而来水来沙过程具有一定的随机性。
为了从总体上反映水利枢纽对下游的不淤年限，可以采用冲淤量法，即不淤年限等于修建水利枢纽后黄河下游的减淤量与无枢纽条件下年均冲淤量的比值。
过程线法与冲淤量法计算的不淤年限有一定的差别，建议在设计中应综合考虑这两个方法来确定不淤年限。
3 古贤与小浪底水库联合运用对黄河下游河道减淤作用拟兴建的古贤水利枢纽开发目标为防洪、减淤、灌溉供水、发电等。
古贤水库坝址(如图1所示)位于黄河中游北干流河段下段，上距碛口坝址235.4km，下距壶口瀑布10.1km，控制流域面积65%，坝址处多年平均径流量和输沙量分别为383.4亿m3和10.2亿t。
古贤水库150亿m3的巨大库容不仅可以直接拦截泥沙还可以和小浪底水库一起对水沙过程进行优化调节，可以在一个较长的时期里减缓下游河道的淤积，为水土保持工作争取更多的时间。
为了回答小浪底与古贤水库联合运用条件下黄河下游河道冲淤图景，利用数学模型分别对古贤水库的不同运用方式、不同出库水沙系列以及有无古贤和小浪底水库各种条件组合进行了18个方案的计算，给出了未来80年黄河下游河道演变趋势。
3.1 计算条件设计的18个计算方案如表1所示，所有计算条件均由黄委会设计院提供。
设计来水来沙系列有三个：分别编号为3393、5031和8768系列。
每个系列的时间跨度都是80年，其中前20年水沙过程是一样的，即由1978～1983+1987～1997+1971～1976水沙过程组成，后60年分别为1933～1993系列(取起止年的年份作为系列编号即为3393系列)、1950～1998+1919～1931(5031系列)、1987～1998+1919～1968(8768系列)。
3393、5031 图3 3393系列各方案黄河下游河道冲淤过程和8768系列年均出库水量分别约307亿m3、281亿m3和279亿m3。
就年均含沙量而言，8768系列最高，3393系列次之，5031系列最低。
计算采用2000年汛前实测断面。
2005年5月 SHUILI XUEBAO 第36卷 第5期3.2 计算成果与分析 为了便于比较，现将18个方案计算成果列于表1。
下面将分别对同一水沙系列不同水库运用条件和相同水库运用条件不同水沙系列黄河下游河道泥沙冲淤的计算成果进行分析。
3.2.1 同一水沙系列间计算成果的分析比较 下面以3393系列为例，对同系列不同水库运用条件的计算成果进行比较分析。
图3给出了3393水沙系列条件下，方案1～6的计算结果，由图可以得到如下认识。
(1)减淤效果。
无论是小浪底水库单独运用还是小浪底与古贤水库联合运用，其减淤效果都是十分明显的。
在无古贤无小浪底水库情况下，黄河下游河道淤积最为严重，80年累积淤积泥沙约225亿t ；在小浪底水库单独运用情况下，未来80年黄河下游河道累积淤积泥沙约161亿t ，比无古贤无小浪底水库减少淤积泥沙64亿t ；而在小浪底水库和古贤水库联合运用条件下，未来80年黄河下游河道淤积泥沙介于92.5～104亿t 之间，比小浪底水库单独运用又进一步大幅度减少约56.9亿t ～68.2亿t 。
当然，古贤水库不同运用方式对下游淤积略有影响，一般来说正常蓄水位越高对下游的减淤效果越好。
表1 各方案计算条件与计算成果特征值计算方案不淤年限/年 系列水库运用方式 年来水 /亿m 3年来沙 /亿t含沙量 /(kg/m 3)冲淤量 /亿t过程线法冲淤量法减淤效果 /亿t1-无古贤无小浪底a 308.64 9.83 31.849 225.1 / / 与方案1比2-无古贤无小浪底b307.14 8.59 27.968 160.7 36 2364.4 3-640m ，高起调c 306.87 7.1923.43 100.5 54 44124.6 4-640m ，中起调d 306.38 7.26 23.696 103.8 54 43 121.3 5-645m ，高起调e 306.89 7.07 23.038 95.8 54 46129.3 3393系列6-645m ，中起调f306.28 7.07 23.083 92.5 54 47132.67-无古贤无小浪底282.39 8.89 31.481 199.2 / / 与方案7比7-无古贤有小浪底281.22 7.55 26.847 132.2 37 2767.0 9-640m ，高起调 281.05 6.12 21.775 63.2 63 55 136.0 10-640m ，中起调 280.52 6.13 21.852 62.8 64 55 136.4 11-645m ，高起调 281.09 5.95 21.168 54.8 66 58 144.4 5031系列12-645m ，中起调 280.5. 5.96 21.245 54.6 66 58 144.6 13-无古贤无小浪底280.72 9.49 33.806 219.9 // 与方案13比14-无古贤有小浪底279.44 8.27 29.595 161.4 45 2158.5 15-640m ，高起调 278.9 6.96 24.955 97.1 62 45 122.8 16-640m ，中起调 278.39 7.03 25.252 101.1 63 43 118.8 17-645m ，高起调 278.94 6.87 24.629 93.5 65 46 126.4 8768系列18-645m ，中起调 278.35 6.91 24.825 94.6 65 46125.3无小浪底 314.92 13.31 42.265 170.2 / /与无小浪底比 5075系列有小浪底 313.04 10.89 34.788 99.2 28 21 71.0注：a-假定没有小浪底也没有古贤水库；b-小浪底水库单独运用，没有古贤水库；c-小浪底与古贤水库联合运用，古贤水库正常运用水位640m ，且初期运用水位较高；d-小浪底与古贤水库联合运用，古贤水库正常运用水分位640m ，且初期运用水位适中；e-小浪底与古贤水库联合运用，古贤水库正常运用水位645m ，且初期运用水位较高；f-小浪底与古贤水库联合运用，古贤水库正常运用水位645m ，且初期运用水位适中。