摘要：在小浪底水库最低泄空水位已经确定的情况下，则水库前期淤积量越大，水库的调沙作用应好些。而用小浪底水库有限的拦沙库容对无限的来沙总是无出路的，泥沙多年调节的目的是充分利用河道输沙潜力输沙，使黄河有限的水资源得到合理的利用，充分发挥水库的综合作用。
关键词：水库 调水调沙 发展 回顾与瞻望
著名治黄专家王化云在1987出版的“我的治河实践”一书序言中指出：“调水调沙治河思想虽然处于发展过程中，已有实践经验也不完全，但我认为这种思想更科学，更符合黄河的实际情况，未来黄河的治理与开发，很可能由此而有所突破”。正如黄委会主任李国英最近指出的，我们将由传统治黄进入调水调沙科学治理黄河的新时代。在当前应理清调水调沙思路，明确主攻方向，找出最有效的技术途径。
最早提出水库调沙设想[1]，是美国学者葛罗同，萨凡奇在1946年治理黄河初步报告中提出，利用八里胡同水库控制洪水并发电，坝底设有排沙设备，每年放空排沙一次。下游河道之设计应能承受水库下泄洪水和泥沙，设计成宽500m，深5m的河道，可输送含沙量高达20％(500kg/m3)的河水。
60年代三门峡水库泥沙问题暴露之后，也有人提出利用小浪底水库进行泥沙反调节的设想[2]。由于对河道输沙规律的认识不断深入，调水调沙的理论也在不断地发展与完善。回顾过去的发展过程，不断总结经验，有利于充分发挥小浪底水库的调水调沙作用。
一、人造洪峰
在河道输沙公式Qs＝KQM中，m值一般为2，根据这一特点，人们提出利用人造洪峰排沙入海的设想，认为把小流量的水量集中起来，用大流量集中放，可以多输沙入海。为此1963年曾利用三门峡水库进行两次人造洪峰试验[3]，结果冲刷效果不好。在冲刷平均流量1477和1870m3/s，最大流量分别为3260和2900 m3/s的情况下，冲刷只发展到艾山以上河段，艾山以下河段还发生淤积，从下游河床中冲刷入海1吨泥沙的用水量分别为81m3和58m3，详见表1。
结果表明沿程冲刷过程中含沙量迅速恢复,冲刷速率降低，而发生塌滩展宽对下游河道的冲刷作用并不利。流量小时，还会出现上冲下淤，并且需要耗用大量宝贵的清水资源，才有一定的减淤效果。
如在小浪底水库的规划设计阶段，曾设想在丰水年非汛期相机造峰，平均3年进行一次,用水量40亿m3，造峰流量5000m3/s，全下游减淤约0.6亿t，平均年减淤0.2亿t,用67亿m3水量输1亿t沙入海。人造洪峰减淤效果不好的原因，是其依据的河道输沙公式中没有考虑上站含沙量的影响。忽略了黄河河道具有多来多排的输沙特性,不仅全沙如此,属于造床质的粗泥沙也具有同样的输沙特性。考虑上站来沙的影响，河道输沙公式应为QS＝KQaS上β,流量方次a为1.1～1.3，远小于2（含沙量的方次β为0.6-1.0，与河槽形态有关，宽浅河段只有0.6-0.8，窄深河段为1.0）。由于今后黄河水资源更加贫乏，这一调水调沙措施将逐渐失去意义。
二、“蓄清排浑”
在三门峡水库蓄水运用后库区淤积严重，潼关河床大幅度抬高，严重影响渭河。在不改建不行的压力下，基于黄河泥沙多，在年内分配不均匀，泥沙又主要集中在汛期，非汛期来水较清，及艾山以下河道流量大于3000m3/s，河道输沙特性呈现“多来多排”基本不淤,提出把非汛期的泥沙调到汛期排,利用非汛期来水含沙量低，蓄水拦沙发电、防凌，并进行水量调节尽可能满足下游灌溉用水需求[3]。在汛初降低坝前水位，利用汛期流量大，冲刷能力强，把汛期来沙连同非汛期淤在库内的泥沙全部排出库外，达到年内冲淤平衡。三门峡水库改建后，从1973年开始蓄清排浑运用，利用潼关以下槽库容进行调沙，因受到潼关高程及库区条件的限制，不能进行大幅度调节。每年汛初不管来水情况如何，都把运用水位降低，因此经常出现小水排沙，形成小水带大沙 造成黄河下游主槽强烈淤积的不利局面。据1974年～1986年的资料统计，有26％的泥沙由流量小于2000m3/s排出，而龙羊峡水库投入运用后，因汛期大量蓄水，自1987-2000年却有48%的泥沙由流量小于2000m3/s排出。详见表2。
1974-1986年小于2000m3/s出现的天数年均307天，占全年的84%，而1987-2000年小于20003/s出现的天数年均351天，占全年的96%，只有14天流量大于2000m3/s，而前者为58天
应当指出蓄清排浑的运用方式，是针对三门峡水库特定条件下形成的，在推广应用时应注意其特殊性。三门峡水库改建成功，说明通过汛期降低坝前水位,可以保持平滩以下的槽库容。对下游河道的减淤作用在改建时并没有进行过多的考虑，实际运用结果表明，虽然没有明显增加下游河道淤积，但下游河道的减淤效果不理想。随着龙羊峡等大型水库投入运用，汛期的基流与洪峰流量均在减小，冲刷能力减弱，三门峡水库的运用面临汛期“无水”排沙的新情况，既使是再降低水库的运用水位，也很难保持库区冲淤平衡，且利用小流量排沙会使下游河道进一步恶化，对极为不利。由于三门峡水库蓄清排浑运用方式，是在特殊情况下形成的，其调节能力十分有限，不可能获得较大的调节库容和较强的泄空冲刷条件，使出库的含沙量的增幅受到限制，无法充分利用下游河道可能达到的输沙能力输沙入海，使黄河水资源的利用受到限制。
三、利用来沙系数S／Q与河段排沙比关系调沙[4][5]
从艾山以上洪峰时段的河段排沙比与流量及三、黑、小来沙系数间的关系可知,在各级来沙系数情况下，流量在5000m3/s～6000m3/s时排沙比均最大。而在流量一定时，随着来沙系数S／Q值的增大，河段的排沙比逐渐降低。在流量为5000m3/s～6000m3/s时，若来沙系数在0.03时(含沙量150kg/m3～180kg/m3)，三门峡至艾山河段的排沙比只有50％多；当来沙系数减为0.008(含沙量40kg/m3～50kg/m3)时,河段的排沙比达120％；在来沙系数约为0.01时,河段的排沙比为100％。从黄河下游河道应保持“微冲微淤”状态出发，有人提出把泥沙调成来沙系数为0.01左右输送的设想。其实河段排沙比为100％，只说明进出河段的沙量平衡,并不能说明泥沙在断面上冲淤情况。在黄河下游不论含沙量高低，洪水漫滩后均会造成滩地淤积,含沙量越高淤积越严重,但主槽往往会产生强烈冲刷。河段排沙比为100％,只说明滩地淤积量与主槽的冲刷量相等。并不表示河流输沙的力学关系，只表示不同的水沙搭配时,河段滩地淤积量与主槽冲刷量间的比例。以河段排沙比100％作为控制条件进行泥沙调节，要提高排沙水流含沙量只有增大流量，流量增加漫滩后又使河道排沙比降低，因此，不会取得显著的减淤效果。造成上述S／Q与河段排沙比之间的特有规律，主要是洪水漫滩的结果，若能控制水流在窄深主槽中输送，则河道的输沙效率就会提高。
四、以调水为主的调水调沙运用方式[6]
经分析研究，在21世纪来水减得多，来沙减得少，尤其是汛期水少沙多不利条件下，拟定10月～6月为蓄水径流调节期,7月～9月以调水为主的调水调沙运用方式：
（1）提高枯水流量，保证发电流量400m3/s，改善河道基流和保护水质条件。
（2）在来水为400m3/s～800m3/s时，水库全部泄放不调节,满足下游用水要求。
（3）避免平水，若来水为800m3/s～2000m3/s时，只泄800m3/s，消除下游河道平水淤积和上冲下淤的不利现象。
（4）增加中水3000m3/s以上流量和形成5000m3/s小洪水，发挥下游河道3000m3/s以上流量和接近平滩流量的输沙能力,提高全下游减淤效益。
（5）控制水库低壅水，调蓄库容不大于3亿m3,保持调水调沙拦沙运用中水库有较大的平均排沙比，拦粗排细。
（6）调节高含沙洪水，避免对下游不利影响。
（7）滞蓄洪水，上游来沙多时，保持10000m3/s以下洪水淤滩刷槽机遇，上游来沙少时按下游保滩流量8000m3/s下泄。
上述运用方式结合水库兴利，考虑了目前下游艾山河道的冲淤特性与输沙特性，但未能考虑河槽的调整对输沙的影响，即充分利用下游河道可能达到的输沙潜力输沙的可能性。
五、水库合理拦沙[8]
为了更有效地利用水库的拦沙库容，水库应避免拦截粒径小于0.025mm的冲泻质，尽量少拦0.025～0.05mm的中颗粒泥沙，只拦大于0.05mm粗沙，则可充分发挥水库的拦沙减淤作用。黄河泥沙的粗细年内季节性变化很大，汛期洪水时泥沙来自流域侵蚀，泥沙颗粒较细，非汛期来自干支流河道冲刷，颗粒比较粗。如潼关站悬沙中大于0.05mm的粗泥沙，汛期一般占30％,而非汛期却占60%～70%，相对于汛期来说，非汛期拦沙就接近拦粗排细的情况。
从黄河下游不同河段的冲淤情况可知，在河槽中淤积的粗泥沙主要是小水时造成的，而在流量较大时，河床中的粗沙也可被冲刷下移。因此，水库拦粗沙主要拦截小水时的粗泥沙，排沙则要利用大流量。要想作到合理拦沙，就要与调水调沙相结合，充分利用河道可能达到的输沙能力输沙。拦沙与输沙是一个事物的两个方面，拦沙的最终目的是为了减淤，因此充分利用河道输沙，是合理拦沙的基础。
六、窄深河槽具有的输沙潜力为水库调水调沙展现广阔的应用前景
黄河下游艾山以下属窄深河槽，具有很强的输沙能力，当床面形态进入高输沙动平整状态时，将形成粗泥沙(D=0.05～0.1mm)也能输送的“多来多排”的水力条件。实测含沙量200kg/m3，在流量大于3000m3/s时，河段的排沙比达100%。考虑到含沙量增大，流体的粘性增加，会使泥沙颗粒的沉速大幅度降低，含沙量大于300kg/m3时输送反而更容易，与艾山以下河型相似的渭河、北洛河下游、三门峡库区窄深河槽实测高含沙洪水，含沙量变化对泥沙在垂线上分布特性的影响，在流量较大时，含沙量800～900kg/m3的水流也可顺利输送。经分析计算艾山以下河道在流量大于3000m3/s时，可顺利输送含沙量高达800kg/m3。造成窄深河槽输沙能力大的主要原因，是随着含沙量的增加，粘性增大，粗颗粒的沉速降低，更容易悬浮，而河床对水流的阻力并没有改变，可用曼宁公式进行水力计算，即同样的比降、水深条件下流速不会减小，因此造成高含沙水流可以在较弱的水流条件下输送大量泥沙，利用高含沙水流输沙入海是一种理想的技术途径。
七、瞻望
众所周知，冲积河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和尺寸，及河床组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和尺寸，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性。对于一定尺寸的河槽形态，小水淤积、大水冲刷分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束作用不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性与水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素综合的结果，是河流演变、输沙特性的集中反映。河道的输沙特性与演变特性间存在着密切的联系，其原因是它们都受河槽形态和尺寸的控制。不同河型的主要差别是因为它们具有不同的河槽形态，具有窄深河槽的河流，不仅输沙能力强，河道很少淤积，且河势受窄深河槽的约束，河道稳定，多年坐弯得以累计，可发展成弯曲性河流。而具有宽浅河槽的河流，不仅输沙能力低，河道强烈堆积，且宽浅河槽无法约束洪水期河势变化，受局部边界的影响经常产生“横河”“斜河”，发生游荡摆动，产生难以预料的河势变化和险情，对极为不利。
水库调水调沙应产生最优水沙组合,形成的河槽形态与尺度，应能使河道具有较强的输沙能力，使河道尽量不淤，从而决定了水库调水调沙的减淤效果必然最好。
以前几种水库调水调沙运用原则，均没有考虑水库调水调沙运用将改变进入下游河道水沙条件，从而会引起河槽形态的调整，河道的输沙特性也会产生相应变化。合理的调水调沙运用原则，应能反映冲积河流自动调整，并利用这种调整，提高河道的输沙能力，利用可能达到的输沙潜力进行输沙。且水库长期调水调沙运用，水沙条件的长期变化，应有利于塑造新河槽，使宽浅游荡河道朝着有利河型方面转化。在改变水沙条件的同时，应加强游荡河道整治，使其形成窄深、规顺、稳定、有利排洪输沙的通道。
从此要求出发，黄河“八五”攻关研究结果表明[8]，泥沙多年调节的运用方式，平、枯水年蓄水拦沙供水发电运用，利用丰水年洪水期排沙，使黄河的泥沙尽可能调节到洪水期输送，塑造出有利于输沙入海的窄深河槽,适合今后黄河的水沙特性。并得出泄空水位越低，水库的调沙能力越强(调沙库容大，冲刷效率高)，下游河道的减淤效果越好，输沙用水越节省，水库具有较大的调沙库容将起着关键作用。
目前，在小浪底水库最低泄空水位已经确定的情况下，则水库前期淤积量越大，水库的调沙作用应好些。而用小浪底水库有限的拦沙库容对无限的来沙总是无出路的，泥沙多年调节的目的是充分利用河道输沙潜力输沙，使黄河有限的水资源得到合理的利用，充分发挥水库的综合作用。
参考文献
［1］葛罗同、萨凡奇、雷巴特，治理黄河初步报告(1946)，历代治黄文选(下册)，黄河志总编室，1989年。［2］赵业安，黄河的输沙规律及治理问题的初步探讨,1965年5月。
［3］麦乔威、赵业安、潘贤娣，黄河下游来水来沙特性及河道冲淤规律的研究，1978年9
［4］钱宁、张仁、赵业安、刘月兰，从黄河下游河床演变规律看河道治理中的调水调沙问题，地理学报 1978年第一期P13-26页。
［5］王士强，小浪底水库泄流排沙规模的初步研究及建议，1984年2月。
［6］涂启华、张俊华、曾芹，小浪底水库减淤运用方式及作用，人民黄河，1993年3期
［7］齐 璞 赵文林主编，黄河高含沙水流运动规律及应用前景、科学出版社、1993年、北京
［8］齐 璞、刘月兰、李世滢等，黄河水沙变化与下游河道减淤措施、黄河水利出版社、1997年、郑州
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