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特稿推荐｜张红武：黄河三门峡水库应在新时期发挥更大作用

引用格式:张红武.黄河三门峡水库应在新时期发挥更大作用.人民黄河,2022,44(1):1-4,9.

作者简介:张红武（1958—），男，河南淮阳人，国务院参事，清华大学长聘教授，博士，博士生导师，主要从事治河防洪研究工作

摘要

小浪底水库建成后和三门峡水库及支流水库联合调度运用,标志着下游防洪减灾工程体系基本建成。为了尽量减少黄河下游漫滩损失,多年来水库防洪调度时往往以滩区不上水为调度目标。以包括2021年在内的近4 a秋汛为例,说明多种不利因素叠加后,尤其干流和支流洪水相遭遇时,水库拦峰错峰难上加难。为破解这一难题,认为在花园口水文站有特定限制流量条件下,应让三门峡水库拦蓄洪水,提前向非汛期蓄水位过渡,使小浪底水库在最高允许水位下预留库容,巧妙地将洪水错开下泄,必要时三门峡水库临时拦蓄水位可有所突破,以降低小浪底水库高水位带来的安全风险。此外,在入库来沙量大大减少的现状下,三门峡水库运用方式应该优化调整,努力使这一黄河明珠重放光芒,完善下游防洪工程体系,同时发挥优化配置水资源的作用,为下游防洪减灾和高质量发展提供安全保障。

关键词：水沙调控;水库调洪;水沙变化;三门峡水库;黄河

1 问题的提出

小浪底水库建成后,和三门峡水库及陆浑、故县、河口村水库联合调度运用,成为下游防洪工程体系的重要构架<1>。习近平总书记2019年9月18日在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发表重要讲话时,对于新中国成立以来黄河治理取得的巨大成就,首先肯定“防洪减灾体系基本建成,保障了伏秋大汛岁岁安澜,确保了人民生命财产安全”。黄河上游的宁蒙河段因冰凌洪水与多沙支流淤堵干流而出现多次决堤险情<2>,显然总书记的上述肯定针对的是黄河下游治理工作。不过,近几年黄河下游防洪调度依然棘手<3>,例如有关部门一直强调黄河滩区必须保持滞洪沉沙的功能属性<4>,但又不能破除为防止洪水漫滩而大规模修建的生产堤,一旦来了洪水,为尽量减少下游漫滩损失,不得不将“不上滩”作为水库的调度指令<5-6>。2021年9月,受“华西秋雨”的影响,黄河接连出现洪水,在9月30日国务院新闻办公室举行的国务院政策例行吹风会上,水利部副部长刘伟平表示“这次黄河防汛调度设定的目标是花园口水文站流量不超过4 900 m3/s,这个流量的调度可以保证滩区的安全,同时力争保证控导工程的安全,特别是保证滩区人民群众的安全,这是我们防洪最重要的目标”,这显然同9月27日水利部黄河防汛意见是一致的,对下游防洪减灾采取了实事求是的态度<5-6>。

2021年9月8日黄河出现小洪水过程时,有关部门预计前汛期来水较少的趋势还将持续,便启用了小浪底水库拦蓄功能；9月21日再出现小洪水时因预估不到后续洪水的威胁,小浪底水库继续拦蓄洪水；9月27日这场洪量并不小的洪水刚刚退下,黄河今年第1号洪水即接踵而至,此时小浪底防洪库容仅剩下“后汛期防洪库容”的一半左右,受当时不让伊洛河与沁河洪水联合致灾与不让黄河下游漫滩的制约,小浪底水库前3 d不敢放开泄洪,后汛期防洪库容进一步减小,让防洪调度更加被动。待伊洛河、沁河洪水减小后,10月5日23时潼关出现黄河今年的第3号洪水,流量上涨势头更猛,致使7日11时三门峡水库迎来8 360 m3/s的最大入库流量,突破自1977年起44 a来的历史记录，随即导致坝体系黏土斜心墙堆石坝的小浪底水库<7>9日20时出现建库以来的最高库水位273.5 m（1985国家高程基准,下同）,水库安全面临建库20多a来最严峻的考验,所预留的库容很难应对干支流后续突发秋汛洪水可能带来的风险。鉴于黄河秋汛是常见的<1,8>,在气象预报目前尚难满足水库精准调度的客观条件下,为破解这一难题,笔者认为应伺机启用三门峡水库拦调洪水,进一步开展其联合小浪底水库防洪运用方式的研究,让这一黄河明珠重放光芒。

2 三门峡水库概况

三门峡水库是黄河上修建的第一座以防洪(含防凌)、供水、灌溉、发电为目标的综合性大型水利枢纽<7>,大坝为混凝土重力坝,坝高106 m,坝顶高程353 m,设计最高洪水位对应的总库容为345亿m3<9>,是黄河上十分出色的高坝大库。小浪底水库正式运用之前,三门峡水库一直是治黄工程体系最重要的组成部分<10>。由于当时泥沙学科水平不高和设计者工程经验不足,因此三门峡水库从建设到运行管理,经历了我国水利建设史上从未遇到的曲折<11>,水库投入运用后的1961—1964年,拦沙期年入库沙量为9.38亿~24.5亿t,导致水库运用初期泥沙淤积严重上延,威胁到西安市的安全,并对渭河下游的防洪减淤造成很大影响<12>,甚至20世纪90年代以后至2003年干支流堤防还出现“三年两决口”的严重局面。特别是2003年8月渭河下游出现小水大灾后,改变三门峡水库运用方式的呼声越来越高,不少单位联合或独立开展研究和论证<12>,笔者在清华大学也主持了黄河水利委员会（简称黄委）三门峡水利枢纽管理局委托的“三门峡水库运用方式研究”项目<13>。当时各家采用的水沙条件都是以20世纪实测资料为基础制定的,入库沙量比现状大很多倍,之后各方面反复权衡,给出的三门峡水库运用方式大致为:汛期平水期保持库水位不超过305 m,当入库流量大于1 500 m3/s时实施敞泄排沙,并控制北村断面1 000 m3/s流量相应水位不超过310 m；非汛期平均运用水位不超过315 m,原则上最高不超过318 m<12>；只有花园口站发生虚拟的“特大洪水”时,三门峡水库才发挥较大拦洪滞洪作用<8>,其防洪功能相对有限。

附带指出,之所以称“特大洪水”为虚拟的,主要是黄委所用的设计洪水成果依据的大洪水资料不是实测的,而是调查洪水数据或是经整编后分析确定的数据<14>。笔者研究后发现,该设计洪水成果留有较大的余地,不同频率洪水对应的流量偏大<14>,比如设计成果给出的利津水文站5 a一遇洪水流量为8 000 m3/s<4>,但自1976年至今的45 a间从未出现过接近5 a一遇的洪水设计流量8 000 m3/s。

3 三门峡水库运用方式应随水沙条件变化而调整

“蓄清排浑”是三门峡水库1973年11月改建后汛期的运用方式<10>,近20多a每年入库沙量大大减小（2014—2015年仅分别为0.55亿、0.69亿t）<15>。图1给出了历年汛前、汛后潼关高程（潼关水文站（六）断面1 000 m3/s流量时的相应水位<13>）的变化过程,可看出近2 a黄河来水量大,2020年汛期潼关高程下降量大于2019年非汛期自然上升量,使得2020年汛后潼关高程仅为326.36 m,与2021年8月22日潼关流量为966 m3/s时的水位接近,比前些年低1 m以上。因此,即使再恢复到以前的“蓄清排浑”运用方式,潼关河床冲淤平衡问题也不难解决<16>。但改变人们对于水沙变化趋势的主观认识需要有个过程,例如在2008年的一次技术讨论会上,著名水利专家宁远根据2000—2007年的实测输沙量数据（年均值约为3.6亿t）敏锐地推断,黄河来沙量已发生趋势性变少,并认为今后相当长一段时期内黄河的来沙量将维持在年均3亿~4亿t<17>。当时包括笔者在内的绝大部分学者都不以为然,有关部门的专家更不接受。10多a过去了,随着实测资料的反复证实,跟踪关注黄河水沙变化的学者慢慢接受了他的观点,如果再过几年,实测资料积累够30 a,相信大部分专家的态度会改变。实际上,有不少学者的预测值比他的结果还小<18-21>,例如国家重点研发计划项目“黄河下游河道与滩区治理研究”项目组2017年3月预测潼关站未来30 a年均沙量为2.2亿t,未来50 a年均沙量为2.2亿t以下<21>,同2017—2020年《泥沙公报》公布的年实测值1.30亿、3.73亿、1.68亿、2.40亿t接近,尽管2018年潼关站沙量较大,但若去掉上游万家寨水库排沙量1.38亿t及小北干流河段冲刷量0.08亿t（天桥水利枢纽排沙量未计入）,天然来沙量仍与2.2亿t接近。2021年的来沙量为1.72 t，也表明来沙量不多。考虑到利津水文站近几年径流量为312亿~360亿m3,故可按变化趋势将预测的潼关年均径流量修正为300亿~350亿m3,其上限值仍比2021年少11%。

图1 历年汛前、汛后潼关高程

其实,黄河中游来沙量大幅减少是黄河治理尤其是黄土高原水土流失治理的结果<17>，显然三门峡水库运用方式也理应随之改变。对于这个敏感话题,统一认识不能操之过急,而在行动上应该脚踏实地先行先试,对于风险不大的举措,看准后应果断付诸实践。

像2021年这样特殊的秋汛,多种不利因素叠加,水库拦峰错峰难度很大,为避免黄河下游出现重大险情,并减轻小浪底水库拦洪负担，确有必要转变思路、突破框框,让三门峡水库参与拦蓄调洪,使小浪底水库在最高允许水位275 m以下尽量预留较大库容,降低小浪底水库高水位带来的安全风险,同时可应对后续突发不利来水,两水库联合运用将洪水巧妙地错开下泄。这对于三门峡水库是发挥更大作用的机遇,可以提前向318 m蓄水位过渡,即使蓄水位再高一点,如接近防洪高水位或最高允许水位,使潼关高程临时淤高些,待下游洪水退去,三门峡水库随即泄流而降低水位,潼关高程也能很快降下去<5>,如此做法不影响渭河下游泄流,没有任何风险。何况目前下游已有“花园口流量不超过4 900 m3/s”这种限制条件,为降低小浪底水库高水位带来的安全风险,三门峡水库临时拦蓄水位有所突破也是必要的。这样在发挥三门峡水库防洪作用的同时还可增加发电效益,通过三门峡水库拦沙而减少小浪底水库淤积,在下年度调水调沙的后期,三门峡水库趁机排沙,从而增强整个调水调沙效果。从技术层面讲,花园口流量即使接近或略微超过5 500 m3/s,高村以上和高村至孙口河段上段的滩区也不会漫滩过流。高村至孙口滩区面积小、横比降不大,河道离大堤近（背河侧有约100 m宽的淤背体),河道工程密布,现有生产堤具有挡水作用,如果不让漫滩,可采用清华大学的“钢筋混凝土预制板桩组合坝”专利技术<22>,在滩槽高差较小及生产堤挡水能力不足的河段滩地上,快速修建具有工程结构坚固、施工便捷、不用抢险等优点的防护堤<23>。其实,高村至孙口下段局部水流上滩20~30 cm深并不会出现大灾害,还有益于滩槽高差与滩地土壤结构等方面的改善。

实际上,多年前清华大学、北京大学、中国科学院等联合研究已表明<2>:“中游古贤、三门峡和小浪底这3座大型水库联合运行,在黄河主要来沙期泄放高效造床输沙流量,促使三门峡库尾的潼关高程降低与渭河下游溯源冲刷,减轻渭河下游严峻的防洪压力,再进一步发挥三门峡水库的泥沙调控作用,即不难提高小浪底水库的调水调沙效果,为黄河下游冲沙减淤提供足够的动力条件。”

4 三门峡水库这一黄河明珠应重放光芒

三门峡水库自1960年9月建成并投入运用的61 a来,为黄河下游防洪防凌安全、沿黄城市工农业用水、下游河道及河口地区生态平衡等做出了不可磨灭的贡献<1>。习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会讲话中强调“要紧紧抓住水沙关系调节这个‘牛鼻子’”。由于刘家峡水库淤积较多后有效库容不大,为避免潼关高程抬升影响渭河下游防洪而限制了三门峡水库蓄水运用,因此黄河目前真正具有较大调控能力的大型骨干水库实际上只有龙羊峡、小浪底两座水库,能为中游和下游水沙调控提供强大水流动力的古贤水库与大柳树水库还没修建<4>。黄河现有水库不仅不能对宁蒙河段、小北干流与下游河段进行高效的水沙调控,而且对黄河下游水资源调节作用也没发挥好<14>。例如,近几年有关部门担心前汛期以后黄河来水少而使小浪底水库尽量蓄水,秋汛到来时又无法再蓄,导致每年都有大于300亿m3的水量入海（利津水文站2018—2020年入海水量分别为333.8亿、312.2亿、359.6亿m3,2021年该站入海水量高达443.8亿m3）,远大于下游输沙与河口生态所需水量总和,使黄河不能为相关地区生态保护和高质量发展做出更大贡献。受气候不确定性影响,以后仍会出现类似情况。因此,重启三门峡水库调蓄洪水的作用,对于优化配置黄河水资源意义重大。

也许有人担心,一旦三门峡水库被激活后对黄河下游防洪及水沙调控的作用很快显现,对有关部门推动古贤水库及早上马不利。其实不然,笔者极力主张尽快修建古贤水库的主要理由之一,是该水库能改善小北干流水沙条件,使该河段显著冲刷,潼关高程可降低约1.3 m,渭河随之溯源冲刷至泾河口附近,其下游河槽萎缩状况得到改善,过洪能力加大。若再对古贤水库入库洪水分级控制,即能减少三门峡库区滩地淹没损失与泥沙淤积<24>；若进一步降低“上大型洪水”时三门峡水库的滞洪水位,则可避免库区滩上淤积过多,大幅减少滩库容损失（多沙河流水库库容具有“死滩活槽”特性,即槽库容可通过水库排沙有所恢复,而滩库容则不然）,有利于三门峡水库长期发挥削减洪水的作用,且在潼关来沙量大为减少的条件下“蓄清排浑”,可让三门峡水库在新时期对黄河防洪重点河段发挥真正有效的调控作用。

建议专门开展“三门峡水库联合小浪底水库防洪运用方式研究”,在国家未来依然重视退耕还林（草）措施及其他水利水保工程拦减泥沙手段的客观条件下,三门峡入库沙量必然越来越少,完全可以适当抬高水位运行,在大洪水来临时,通过限规模短期滞洪,联合小浪底水库进一步控制黄河洪水,并完善下游防洪体系,可为下游人民生命财产和高质量发展提供防洪安全保障。其作用至少为:①提高调水调沙效率,有利于减少下游悬河隐患；②提高滩区防洪标准；③可降低花园口百年一遇以上的洪峰流量,减轻下游防洪压力；④可在黄河发生万年一遇洪水时不使用北金堤与东平湖滞洪区；⑤中游减沙规模若使潼关年均来沙量少于1.3亿t呈常态化,会引起黄河口岸线蚀退等生态问题,可通过三门峡水库排沙设施改造使其发挥调控作用,为下游及河口供沙,同时恢复自身库容。

5 结 论

（1）黄河治理尤其是黄土高原水土流失治理作用不断显现后,入黄沙量大幅减少,同时在现有设计洪水成果留有较大余地、不同频率洪水流量偏大的前提下,三门峡水库运用方式应该优化调整,故需专门开展三门峡水库联合小浪底水库防洪运用方式的研究。

（2）黄河秋汛发生后,干流和支流来流相遭遇,多种不利因素叠加影响,一旦对下游流量有特定限制,在气象预报尚难满足水库精准调度的客观条件下,水库拦峰错峰调度难度很大。为此,确有必要让三门峡水库参与拦调洪水,提前向非汛期蓄水位过渡,在不影响渭河下游泄流的前提下,可临时突破三门峡水库拦调水位,使小浪底水库在最高允许水位下预留库容,降低小浪底水库高水位带来的安全风险,同时可应对后续突发不利来水,两水库联合运用使洪水巧妙错开下泄。

（3）三门峡水库一旦激活,即可在发挥防洪作用的同时增加发电效益,并发挥优化配置水资源的作用。三门峡水库拦沙能减少小浪底水库淤积,水库在汛前调水调沙期伺机排沙,可提高水沙调控效果,为下游防洪减灾和高质量发展提供安全保障,使三门峡水库这一黄河明珠重放光芒。

（4）为缩短三门峡水库临时提高拦蓄水位的历时,减小三门峡与小浪底水库调度压力,下游花园口允许流量可适当放大,并采用“钢筋混凝土预制板桩组合坝”专利技术,在滩槽高差不足的河段滩地上,快速修建具有工程结构坚固、施工便捷、不用抢险等优点的防护堤。

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