黄河调水调沙(水沙联合调度)技术及实践

1黄河调水调沙（水沙联合调度）技术及实践黄河水利委员会1、前言黄河是世界上最复杂、最难治理的河流。究其原因，主要问题在于黄河水少沙多、水沙异源、时空分布不均。特别是进入90年代以来，社会经济的快速发展，对黄河水资源的需求日益增大，水少沙多的矛盾更加突出。黄河调水调沙（水沙联合调度）技术的基本设想就是：在充分考虑黄河下游河道输沙能力的前提下，利用水库（单库或水库群）的调节库容，对水沙进行有效的控制和调节，适时蓄存或泄放，调整天然水沙过程，使不适应的水沙过程尽可能协调，以便于输送泥沙，从而减轻下游河道淤积，甚至达到不淤积或冲刷的效果。按这一设想在黄河干流上修建的大型骨干水库，不仅要调节径流，还要调节泥沙，使水沙关系协调，以达到更好的排沙减淤效果。长期的治黄实践使人们认识到，水沙关系协调是改善下游河道排沙条件、提高排沙效果的有效措施。利用干流水库进行综合调节，可提高水流输沙能力，节省输沙用水，减少河道淤积。但由于当时没有靠近下游的大型水库去调配合理的水沙过程，调水调沙只能是一种科学设想。2001年，小浪底水库建成并投入运用，为调水调沙的实施提供了必要的工程条件，也使调水调沙的技术应用成为可能。在2002年7月4日9时至7月15日9时进行了黄河首次调水调沙试验。2003年9月6日9时至9月18日18时30分结合防洪预泄又进行了黄河第二次调水调沙试验。2004年6月19日9时至7月13日8时，进行了黄河第三次调水调沙试验。2、技术路线2.1水沙联合调度的方式在黄河调水调沙过程中，水库水沙联合调度的方式主要有以下几种：2.1.1单库调度方式单库调度方式是指小浪底水库蓄水为主单库调节水沙的调控方式，即小浪底水库调蓄加上河道来水总量满足调水调沙总水量要求，并利用小浪底枢纽不同高程泄流孔洞组合调控出库含沙量，达到调水调沙调控指标要求。单库调度方式在小浪底水库运用初期适用于清水下泄,所能调控的含沙量有限；当小浪底水库进入正常运用期后，可调控一定幅度的含沙量。2.1.2二库联调方式2二库联调是指三门峡、小浪底两水库进行联合水沙调度，即当黄河中游发生中小洪水或三门峡水库蓄水加上入库基流较大时，利用三门峡水库调控小浪底水库入库水沙过程，从而影响小浪底水库异重流的产生、强弱变化、消亡及浑水水库的体积、持续时间，调节小浪底库区泥沙淤积形态，最终影响小浪底水库的出库含沙量。2002年7月实施的黄河首次调水调沙试验即为三门峡、小浪底两水库联合水沙调度。2.1.3三库联调方式三库联调是指万家寨、三门峡、小浪底三水库进行联合水沙调度。当黄河中游未发生中小洪水，而三库超蓄总水量又满足一次调水调沙水量要求时，利用万家寨水库调控、影响三门峡水库入库水沙过程，并通过三门峡水库二次调控小浪底水库入库水沙过程，人工塑造异重流，达到调整小浪底库区淤积形态、协调出库水沙关系的目的。当黄河中游发生中小洪水时，万家寨水库可起到补水作用，延长三门峡水库入库水沙过程或改变水沙峰形，进而改变小浪底水库入库水沙过程，达到调整小浪底库区淤积形态、调控淤积库容使用年限、协调出库水沙关系的目的。达到调整小浪底库区淤积形态、调控淤积库容使用年限、协调出库水沙关系的目的。2004年黄河第三次调水调沙试验即为万家寨、三门峡、小浪底三座干流水库联合水沙调度。2.1.4四库联调方式四库联调是指通过小浪底、三门峡、故县、陆浑四座水库的水沙联合调度，其核心是有效利用小浪底至花园口区间的清水，与小浪底浑水水库下泄的高含沙水流在花园口进行水沙“对接”。2003年汛期，结合防洪预泄进行的黄河第二次调水调沙试验就采用这种调度方式。2.1.5五库联调方式在上述四库联合调度的基础上，为补充调水调沙水量或为调控小浪底水库入库流量或含沙量，以控制小浪底库水位、水量、出库含沙量等，必要时动用万家寨水库，即形成五库联合调度的局面。2.2水沙联合调度技术路线水沙联合调度分预决策、决策和实时调度修正三个阶段，不同阶段实施的技术路线也有所不同。以四库水沙联合调度为例，简述如下：2.2.1水沙联合调度预决策阶段（1）获取龙门、华县、河津和状头四个水文站水沙数据，通过水沙序列预测模型3分析和水沙频率分析，预测潼关水文站水沙过程、相应频率。（2）获取龙门水文站水沙数据和龙门至潼关河段测验数据，通过建立龙潼河段高含沙水流揭河底模型，预测分析该河段揭河底发生情况。（3）获取华县水文站水沙数据和华县至潼关河段测验数据，通过建立华潼河段高含沙水流揭河底模型，预测分析该河段揭河底发生情况。（4）根据三门峡水库运行方式，通过水库泥沙淤积的相关分析与神经网络快速预测模型，预测潼关高程变化情况、三门峡库区冲淤情况及出库水沙过程。（5）决策三门峡水库运行方式，即是否敞泄。（6）拟定三门峡水库、小浪底水库联合运行方式，预决策是否进行调水调沙。2.2.2水沙联合调度决策阶段（1）获取潼关水文站水沙数据，包括洪峰流量、时段流量过程、时段平均流量；沙峰、时段含沙量过程、时段平均含沙量；洪水总量。（2）通过三门峡水库出库含沙量预测模型，预测小浪底水库入库水沙过程，判断是否发生水库异重流。（3）根据三门峡水库出库水沙过程，通过小浪底库区异重流分析，预测小浪底坝前浑水垂线含沙量分布。（4）通过小浪底坝前浑水垂线含沙量分布、库区异重流参数，预测小浪底枢纽各高程孔洞出流含沙量。（5）获取黑石关、武陟水文站洪峰流量、时段流量过程、时段平均流量。（6）运用小浪底、三门峡、陆浑、故县水库联合调度模型，按花园口允许流量值，调算小浪底出库流量过程。（7）通过小浪底至花园口水沙对接模型，按花园口允许含沙量，调算小浪底出库含沙量，进而确定小浪底枢纽泄流孔洞组合。2.2.3实时调度修正阶段（1）根据潼关水文站实测洪峰流量、时段流量过程、时段平均流量；沙峰、时段含沙量过程、时段平均含沙量，修正三门峡库区冲淤情况及出库水沙过程。（2）根据三门峡水文站实测洪峰流量、时段流量过程、时段平均流量、沙峰、时段含沙量过程、时段平均含沙量，修正小浪底库区异重流预测结果、坝前浑水垂线含沙量、各高程孔洞出流含沙量。（3）根据小浪底、黑石关、武陟水文站实测水文数据，修正花园口水文站水沙对接方案。4（4）通过花园口水文站实测时段流量过程、时段平均流量，沙峰、时段含沙量过程、时段平均含沙量，修正小浪底出库含沙量、进而确定小浪底枢纽泄流孔洞组合，修正陆浑、故县出库流量。（5）根据潼关、三门峡、小浪底坝前、小浪底、花园口水文站实测泥沙颗粒级配，修正花园口含沙量允许值。（6）根据下游夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口、利津等水文站实测水文要素和各河段河势、漫滩、断面冲淤等情况，修正花园口水沙过程。2.2.4调度效果评价阶段（1）水沙预报、预测效果评价（2）各水库防洪、库区冲淤、减淤效果、调度精度等调度评价。（3）下游河道河势、过洪能力、冲淤等评价。（4）河口区冲淤、滨海区冲淤分布等评价。（5）输沙效果评价。2.3四库水沙联合调度流程根据预报（利用洪水预报模型）和实测的龙门、潼关、华县等水文站流量过程、三门峡水库的调控运用方式以及龙门镇、白马寺、武陟、黑石关、小花干、五龙口等站（区间）的流量（含沙量）过程、陆浑、故县水库调控运用方式，结合四库联调模型、河道冲淤计算数学模型的分析计算结果，推算出满足花园口站水沙调控指标的小浪底出库水沙过程，并下发调令（方案调令）。若花园口站水沙过程满足误差要求，保持该调令执行情况；否则，实时人工修正小浪底出库水沙过程，重新下发调令（修正调令）。2.4流量对接调控花园口的洪水过程以矩形峰的形式。具体是根据预报的小花间洪水在花园口的流量，绘制小花间预报流量过程和要求的调控流量过程的对照图，反推小浪底水库的出库流量（小浪底至花园口传播时间按12～16小时计算）。公式如下：Q小=调控流量－Q小花式中：Q小为小浪底水库出库流量；Q小花为预报的小花间（指小浪底至花园口无工程控制区的来水流量，含故县、陆浑水库下泄流量）在花园口的流量。调控开始时段（0时段），根据水文部门给出的24小时小花间洪水预报过程，概化出小花间16小时后（4时段）的平均流量，调控流量减去该平均流量，即为小浪底水库本时段的出库流量（流量对接），按此流量给小浪底建管局下发调令。依此类推，根据滚动预报得出逐时段小浪底出库流量，向小浪底建管局滚动下发调令。5某一时段的小浪底出库与小花间流量对接示意图见图2。2.5含沙量对接根据黄河下游第一次洪水过程，黑在花（黑石关站流量过程传播至花园口站）、武在花（武陟站流量过程传播至花园口站）、小花干（小浪底至花园口区间干流产生的洪水传播至花园口站）在花园口断面叠加后，花园口站含沙量在5kg/m3以下。三门峡水库多年运用经验表明，在水库回水区经分选落淤后的细颗粒泥沙粘性较大，很难再冲刷起动，形成几处胶泥坎。为避免小浪底浑水水库细颗粒泥沙在调控退水期落淤在河槽内固结，同时考虑小浪底调控初期出库含沙量大的特点（坝前淤积面高程182.2m），含沙量过程对接为前大后小。即前1/3时段按控制花园口站60kg/m3，中间1/3时段按控制花园口站20kg/m3，后1/3时段按控制花园口站10kg/m3。具体对接按输沙量平衡原理进行分析计算，公式如下：（Q1×ρ1+Q2×ρ2）/（Q1+Q2）=ρ3（2-1）式中：Q1为预报的小花间在花园口的流量；ρ1为预报的小花间在花园口的含沙量，在初始计算中按5kg/m3考虑，后期根据实测资料实时修正；Q2为要求的小浪底出库流量；ρ2为计算的小浪底出库含沙量；ρ3为要求的花园口站调控含沙量，如：60kg/m3、20kg/m3等。根据上式求出ρ2，修正后才能被采用。公式如下：ρ2采用=ρ2－k×ρ2（2-2）式中：k为实测小花间冲刷量与小浪底出库沙量之比，初始计算中按10%考虑，后期按实测资料实时修正；ρ2采用为最终采用的小浪底出库含沙量，并据此向小浪底水库下发逐时段含沙量调令。2.6人工异重流塑造人工异重流塑造的目的是为小浪底水库库区减淤或调整其淤积形态并恢复部分库容寻找一条新的途径，进一步深化对水库泥沙运动规律的认识。人工异重流塑造的指导思想是：调水调沙实施的前一阶段，若中游不来洪水，小浪底水库主要是清水下泄；待库水位降低至三角洲顶点高程以下的适当时机，适时利用万家寨、三门峡水库的蓄水，加大流量下泄，进行万家寨、三门峡、小浪底水库的联合调度，形成人工异重流，使小浪底水库排沙出库。在借助自然力量的人工异重流排沙基础上，探索水库泥沙多年调节的调度模式，调整小浪底水库泥沙淤积形态并恢复部分库容水库水沙联合调度研究分析，认为小浪底水库发生异重流的临界水沙条件为：入库流量一般应不小于300m3/s。若流量大于800m3/s时，相应含沙量约为10kg/m3；6流量约为300m3/s时，要求水流含沙量约为100kg/m3；流量介于300～800m3/s之间时，水流含沙量可随流量的增加而减少，两者之间的关系可表达为QS18.0154。对上述临界条件，还要求悬沙中细泥沙的百分比一般不小于70％。若水流细泥沙的沙重百分数进一步增大，则流量及含沙量可相应减少。2.6.1异重流潜入位置2.6.1.1影响因素库区清水与进入库区的浑水之间的容重差异是产生异重流的根本原因。从实际的观测资料可看出，挟沙水流进入水库的壅水段之后，由于沿程水深的不断增加，其流速及含沙量分布从正常状态逐渐变化，水流最大流速由接近水面向库底转移，当水流流速减小到一定值时，浑水开始下潜并且沿库底向前运行。异重流潜入点位置与流量、含沙量大小、河床边界条件及库水位等因素有关。流量增大时，潜入点下移；含沙量增大，则潜入点上移；库水位升高，潜入点相应上移。水槽试验和实体模型试验过程中，清楚地观察到异重流潜入点变化的基本规律，含沙量的变化对潜入位置的影响较小，流量影响较大，而库水位（即水库回水位置）为主要影响因素。2.6.1.2调水调沙期间异重流潜入位置分析实测资料表明，异重流潜入位置一般位于水库回水末端。且随着入库流量和含沙量的变化上下移动。2004年2月小浪底库区淤积纵剖面及各级库水位的回水范围见图2-1。若黄河第三次调水调沙试验开