潼关高程升高及其解决方法(张仁)

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潼关高程升高及其解决方法

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张 仁
S H&x*C"n }4k*~g0清华大学水利论文)w4Q D2YRtE

摘要:潼关1000m3/s水位升高并居高不下的主要原因是近年来黄河汛期来水急剧减少造成的。由于在短期内难以增加来水量,解决问题的方法应该主要集中于降低坝前水位。打开最后两个导流底孔、增加汛期水库敞泄的时间、减少非汛期蓄水量和解除黄河发生百年一遇洪水时三门峡水库拦洪的任务等,是目前可能实施的一些方法。与汛期巨大的来沙量相比,疏浚的泥沙量相对很小,是难以发生作用的。水利论文3\9[`L-U*Yy4h?

关键词:潼关水位升高;降低坝前水位水利论文4]q]H%D;uT

作者简介:张仁(1928-),男,清华大学教授。水利论文)S'A_[e&LoG B

1 三门峡水库潼关高程的变化水利论文/nU,d7K-?5\6m,?7]

  黄河三门峡水库库区内的潼关高程是上游河道汇流区的侵蚀基准面,潼关高程的高低和小北干流和渭、洛河下游泥沙冲淤关系密切,对该地区的防洪、除涝有重要影响,因此历来为各方所关注。

Q3N^+cf jT)_ b8n0

  在三门峡枢纽修建前,潼关1000m3/s水位为323.45m(1959年汛后)。三门峡水库建成后,随着库区淤积增加,潼关水位逐步上升,至1970年7月达到最高点328.55m。1970年7月以后,随着各项改建工程投产,汛期坝前水位下降,库内泥沙大量冲刷出库,1973年汛后,潼关水位下降至326.64m,比最高水位下降了1.91m。1974年以后,三门峡水库按照“四省会议”精神规定进入正常运用,实测汛期坝前平均水位在301m至305m间波动,只有少数年份坝前平均水位超过这个范围(参见表1)。水利论文|3j(f3b(c WK.u\

表1 三门峡水库汛期坝前平均水位水利论文Zfi \p XE
Table 1 Average water level in front of dam of Sanmenxia Reservoir in flood season水利论文CH \5E!bb


年份

汛期坝前
!`9EScD K2A M0平均水位(m)

2}8J9@'@{} t0
年份

汛期坝前水利论文.F]9G,Li
平均水位(m)
水利论文8MW!q0hI?4X7B

年份

汛期坝前水利论文.}%D;N:EN}dF'L!{
平均水位(m)
水利论文:Z+]z&d b1}i(j

年份

汛期坝前水利论文)D%i^9K pM
平均水位(m)
水利论文~.g`uF'Zy7t4s)m ~


1974303.581981304.841988

 302.30水利论文)Gc p \a4lT

1995303.75
1975304.771982303.491989

 304.21

'e3jO:ow3J0
1996303.37
1976306.741983304.661990

 301.61水利论文4c;XD-a6Sg"q

1997303.56
1977305.531984304.151991

 302.06

nK2D _jV&l0
1998303.60
1978305.871985304.071992

 302.73水利论文o{$b8rg%_

1999306.04
1979304.591986302.451993

 303.37

_wzsP7j.`+ZU0
    
1980301.871987303.131994

 306.33水利论文]3Pm&}.k"rg:b

  

  但是,在1973年三门峡水库进入正常运用期后,潼关汛后的1000m3/s水位并未能稳定在326.64m,而是随着来水来沙的变化发生波动,其中1973年至1979年,潼关汛后水位从326.64m逐步升高至327.62m,1979年至1985年,又从327.62m降低至326.54m,1985年至1989年潼关水位从326.64m又升高至327.36m。90年代以后,潼关水位逐步升高,至1999年汛后,潼关水位达到328.12m,已经接近甚至超过了三门峡水库改建前的情况(参见表2)。

7x:y Q9ng5Q0

表2 潼关站历年汛后水位和汛期水量水利论文2JN&S^8wW1To
Table 2 Annual water levels and runoff in flood season at Tongguan Station水利论文1jwL5Df$@0E6X


年份汛后水位(m)汛期水量
9W(sEG ]J0(亿m3)
年份汛后水位水利论文%m K7k"h(u9\v
(m)
汛期水量
qV/PK}h1bx0(亿m3)
年份汛后水位水利论文 d7S5D)zpD"} f3lZ
(m)
汛期水量
.Fl$a`w!g C0(亿m3)
年份汛后水位
_TS/[)RbB ]0(m)

汛期水量水利论文w7K4WJ-[+IXN/zz
(亿m3)

+~9S B`:eb0

1974326.70122.01981326.94338.71988327.08187.01995328.35122.1
1975326.04302.21982327.06183.61989327.36205.21996328.07126.2
1976326012319.21983326.57313.91990327.60138.61997328.0255.4
1977326.79166.51984326.76281.81991327.9061.21998328.1285.7
1978327.09223.21985326.64233.11992327.30131.01999328.12
1979327.62217.21986327.18134.11993327.78140.0
1980327.38133.91987327.1675.41994327.70133.0

2 潼关水位抬高和居高不下的原因水利论文5E,x F-G+li!u_?

表3 潼关站不同年代汛期水沙统计水利论文*O'Q3j{0Dz {L/b6n+Z
Table 3 Incoming runoff and sediment load in flood season at Tongguan Station

U'By8z4x0

年代水量(亿m3)沙量(亿t)含沙量(kg/m3)

70年代195.911.1857.1
1980~1985247.56.5526.5
1986~1996131.56.3548.3

  分析这一时期的水文资料(参见表3)可以发现,潼关的汛后水位和汛期的来水量具有相当密切的反比关系。70年代潼关站汛期来水量偏少,多年平均为195.9亿m3/s,潼关水位逐步上升,1980~1985年潼关站汛期来水达到247.5亿m3/s,潼关水位又逐步下降,1986年后,龙羊峡水库建成开始调节径流,潼关入库的汛期水量又大幅度减少,1986年至1996年,汛期来水量减少至131.5亿m3/s,潼关水位又逐年攀升,1995年汛末,达到328.35m,是历史上的新高。图1是潼关汛后水位和潼关汛期入库水量的相关图。由图可见,两者具有明确的反比关系。

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  为了进一步研究三门峡库区河床演变和潼关水位的关系,利用手边可以收集到的资料,再作进一步的探讨。

2sU6R7J5r0

  三门峡水库建成后,由于初期进行蓄水运用,造成大量淤积。嗣后采用“蓄清排浑”运用方式,因此,在汛期水库处于低水位运行时,库区潼关至坝前实际上是一条接近平衡状态的冲积河道。随着来水来沙的变化,河道发生冲刷和淤积,河道的纵比降不断进行调整以适应来水来沙,并将水沙输送至水库下游。因此,当水沙条件有利时,河道纵比降变平,潼关水位随着下降;当水沙条件不利时,河道纵比降变陡,潼关水位就会上升。所以从根本上来说,潼关水位的变化是来水来沙变化所产生的反应。水利论文ZuD#P(T"vGS

水利论文 cy'[I ~ Z"F
1潼关水位与汛期来水量的关系
!Z|*M4laH0
Fig.1 Relationship between water level and runoff in flood season at Tongguan Station

5t&SO&{(t8Gy[0

  按照河床演变学的原理,冲积河流的纵比降是来水来沙和泥沙颗粒组成所决定的。来水多,造床流量大,纵比降就平缓;来沙多,泥沙的粒径越粗,纵比降就越陡峻。由于泥沙粒径资料缺乏,这里仅从水量、沙量的资料进行初步的分析。

Mz0X [5M&j5C0

  利用四个基本方程求解冲积河流的形态、河宽、水深、纵比降、流速等参数,可以得到以下的纵比降J方程式[1]

B(HO;~xF^%r0

J=α11/2n2S5/6m(gω)5/6/K5/6mQ(1-β1)/2水利论文]&e @:B6| _}cH

(1)

式中 河宽B=α1Qβ1,α1是系数,β1多数河流是1/2。含沙量:S=k(U3/ghω)m,k是系数,m=0.66(黄河)。沉速ω和糙率n可按常数考虑。水利论文xErZ-vo]

  因此上式可以简化成下式水利论文kb9@Sb,m

J∝S1.26/Q0.25

M D _~!iX{u0
(2)

也就是说,冲积河流的纵比降可以看成是和含沙量的1.26次方成正比,和造床流量0.25次方成反比。

(o p+_$X&r0

  利用文献[2]中的统计资料,可以得到三个不同时段(70年代,1980年~1985年和1986~1996年)的潼关站各级流量的持续天数,按照以造床作用最大选定造床流量的原则,可以求得三个时段相应的造床流量是2500m3/s,3500m3/s和1500m3/s。计算中水流挟沙力和流量平方成正比(表4)。

UjJ:N;_T&z8MI0

表4 潼关站不同时段造床流量
7o$~!d#N9~AF5P2O0
Table 4 Dominant discharges in different stages at Tonggua Station

|4Y} fFx#T\?-g0

流量级
zXrq8V.Kr RT8B0(m3/s)
<500500水利论文 Bw ^-Wd^
1000
1000水利论文J?v*a {&p_W
2000
2000水利论文&UI4L8Z@y$h!|D7x+m
3000
3000
j4PCsnnR04000
4000
!~$|9d[!|ez4?x+F05000
5000水利论文7Enf`&CEz\\-B
6000
6000
6g$Npa0Xi9i07000
>7000

概化流量(m3/s)2507501500250035004500550065007500

流量方(×104)6.2556.322562512252025302542256525

70水利论文K;q Z*vk|Y
水利论文.B#F m;\|!{`t

_+xnF3JT6W0

时间百分率(%)水利论文2l*V)`P.f9^[(X

4.2620.8137.3219.849.674.071.060.330.65

造床作用(Q2t)

D#B5Tg e0
39.111728397

12400

'Oa&h]-U0
118468242320713943656

1980~1985时间百分率(%)0.8110.0336.1824.6617.348.132.570.27
造床作用(Q2t)5.06565814115413

21241

zB:ko+|-n5zvX0
1646377741141

1986~1996时间百分率(%)13.9732.6738.4310.573.250.740.300.07
造床作用(Q2t)87.31839

8647水利论文8o\Vj"P1\C U F

660639811499908296

  如果纵比降J用参数S1.26/Q0.25表示,则可以得到三个时段中,潼关至坝前河段为适应来水来沙所需要的纵比降,如表5所示。

9Z+n1s K#l"h"_0

表5 不同时段潼关坝前河道需要的纵比降水利论文%}+a0m~f
Table 5 The necessary river gradient from Tongguan to dam in different stages

?8R t7tE:x4R0

年代造床流量(m3/s)Q0.25  含沙量(kg/m3)S1.26比降参数

70年代25007.0757.1163.423.1
1980~198535007.6926.562.18.1
1986~199615006.2248.3132.421.3

  由表5可见,70年代,流量偏小,含沙量偏高,纵比降参数变陡,使潼关水位抬高;1980年至1985年,流量大,含沙量低,河道为了适应来水来沙所需的比降减少,库区发生冲刷,潼关水位下降到改建结束时的324.64m。而1986年以后,汛期流量大幅度下降,含沙量增加到48.3kg/m3,河道需要的纵比降又增大到和70年代相近,因此,潼关水位再一次升高而且居高不下是必然的结果。

:n*q5Z(G/|6C/B3VpA:b0

  由此可见,三门峡库区汛期形成的河道纵剖面是汛期来水来沙的产物,是由汛期巨大的水量和沙量塑造成功的。由于疏浚量是汛期来沙量的几百分之一,如果我们在局部河段进行疏浚,对降低潼关高程是很难发生作用的。水利论文C+F)p bn#W

  在非汛期(当年11月至次年6月)中,潼关水位还会进一步升高,升高值一般在20~50cm。这一升高值使汛前洪水到来时潼关水位进一步抬高,从而会增加汇流区的洪涝灾害损失,因此同样受到人们的关注。非汛期潼关水位抬高值是非汛期泥沙淤积的结果,水库水位愈高,淤积的部位愈靠近上游,对潼关水位的影响愈大。在总结三门峡水利枢纽运用的研究工作中[3],曾提出潼关河段的冲淤量和潼关水位之间存在密切的关系,因此曾经将非汛期最高蓄水位控制在322m以下,但从近几年的情况看,这样做还很难避免非汛期潼关水位的抬高。水利论文.P'] d hOHlL(e:G

3 几点建议

5fO_v'Qj0

  潼关是三门峡水库汇流区的出口,潼关水位对小北干流、北洛河、渭河的下游河道起着侵蚀基准面的作用,因此,潼关水位长期居高不下后,加上黄洛渭来水的减少,对这一地区的河道冲淤和防洪防涝形势产生了重大的影响。近年来河道下游严重淤积,堤内河床大幅抬高,河流变成地上悬河。同时洪水位抬高,河道摆动频繁,堤防出险增多,支流泄水不畅,使这一地区的洪涝灾害不断加重。特别是十万移民返库并定居于335.0m以下的黄渭滩区以来,上述问题更趋于严峻。潼关水位居高不下的问题已经到了非解决不可的时候。与此同时,小浪底水库即将于2001年建成,为减轻三门峡水库防洪兴利负担,改善三门峡水库库区状况创造了有利条件。因此,在来水来沙近期难以发生巨大变化的前提下,提出以下几点建议,供有关部门工作中参考。水利论文 [z,\,aTx

3.1 打开两个底孔降低汛期坝前水位水利论文e&s$JyDh8l R#E

  从1986年以来,三门峡水库汛期的来水减少已是不可逆转的趋势。随着上、中游国民经济发展的需要,来水量还可能进一步减少。因此,要使潼关水位不再升高或有所降低,唯一可能的办法是降低汛期的坝前水位。

A*sG,W5xO}-oY _S"\cV0

表6 现状和增建两个底孔后的泄水能力
2Si1pz$@fM^0
Table 6 Sluicing capacity of present status and after increasing two diversion outlets水利论文GE9^g w0p


水位(m)285292295300305
现状泄量(m3/s)6301130246035905070
增建两孔后泄量(m3/s)75613500289441445720

  最近再打开两个导流底孔是一项降低坝前水位的有用措施,有利于控制潼关水位。根据黄科院试验资料,增加两个处于深孔下的底孔,在305m水位可以增加泄流量650m3/s,在295m水位,可增加泄流434m3/s。因此水库的总泄流能力将增加到表6中所示的数量。在目前潼关常见的汛期洪水流量3000~5000m3/s条件下,三门峡水库坝前水位约可以降低1.75~2.0m,对降低潼关水位是会起到有利作用的。

N!u5V w`hl-m0

3.2 改变汛期发电的运用方式水利论文6H;LN?E

  1994年12月,三门峡水利枢纽管理局总结了六年来汛期浑水发电试验的经验。总结指出,六年中汛期共发电2.1亿度,并得到了不增加库区泥沙淤积的结果。因此确定了三门峡水库汛期“洪水输沙,平水发电”的运用方式:水库水位按305m控制,遇到洪水超过2500m3/s时,降低水库水位到298m,停机进行敞泄排沙,洪水过后水位回升到305m,继续发电运行。如果没有洪水发生,在控制305m发电运行20天左右,可降低水位排沙一次,进入10月份,水库水位可由305m逐渐上升到310m[4,5]水利论文[)T0DhS Du0Se

  汛期发电实践表明,在近年来的来水来沙条件下,目前的汛期发电运行方式,并不能制止潼关水位的升高,更不可能使潼关水位回落。从1994年汛后到1999年,潼关汛后水位从327.69m升高到了328.12m。因此,看来需要改变汛期发电的运用方式。水利论文XTG7s)H4a

  改变汛期发电运用方式的关键是增加水库敞泄的时间,降低转入敞泄运用的流量界线,目标上就是要使潼关水位有所回落。潼关水位降落的数量和转入敞泄运用的流量界限可以在实践中确定。

&Db+{8ajV C y p0

3.3 改变非汛期蓄水的运用方式

QO&AZ5X0

  小浪底水库建成后,具有长期有效库容51亿m3,三门峡水库的防凌和春灌蓄水任务完全可以由小浪底水库承担,因此,改变三门峡水库非汛期的蓄水方式是完全可行的。水利论文/Pl&B?.pR5CY6{

  表7列出了三门峡水库1989年至1999年潼关水位和非汛期蓄水位的统计。由表可见,从1989年非汛期以来,三门峡水库已经不再蓄水超过324m,从1992年的非汛期以来,多数年份蓄水不超过322m。但在这一时期中,第二年汛前的潼关水位仍普遍高于前一年的汛末水位。说明仅仅非汛期水位不超过322m,仍然不足以消除汛期抬高潼关水位的影响。因此,非汛期的水位还要降低。建议三门峡水库非汛期蓄水位以满足必要的发电水头为上限。

;jw^Kk0

表7 三门峡水库非汛期潼关水位变化
"YTMr1}5w4`h0Table 7 Water-level changes at Tongguan Station in dry season in Sanmenxia Reservoir

-j0M5~ N_\{@0

年份

潼关1000m3/s水位

n8kjTi1FS0
水位抬高值(m)超过320m
4pb7]2G-f3]kW0天数
超过324m
3X(M)b&Y_JF3pG0天数
超过322m水利论文.K1RZ4L'v{
天数

汛后水利论文1\ S])h n3N

汛前

1989~1990327.36327.760.4081500
1990~1991327.60328.020.4247340

1991~1992

?M,I\3Of s(t/[0
327.90328.400.5090540

1992~1993水利论文0~4yOG o"[_

327.30327.700.403400
1993~1994327.78327.990.214390
1994~1995327.70327.940.242300
1995~1996328.35328.420.076300
1996~1997328.07328.240.176100
1997~1998328.02328.280.2670170

1998~1999水利论文@']0TS4WYU

328.12328.460.342000

3.4 减少三门峡水库的防洪任务水利论文!nw*sCl1D$X@

  按照小浪底水库建成后干支流水库联合调洪方式[6],对于百年一遇上大型洪水,要求三门峡水库拦蓄洪水16.36亿m3,与此同时,小浪底水库拦蓄量只有19.79亿m3,远小于小浪底水库的设计防洪库容40.5亿m3,说明这一调洪方式在没有完全发挥小浪底水库防洪能力的情况下,要求三门峡水库拦蓄洪水,从而增加了三门峡水库的淤积和进一步加重库区的洪劳灾害。因此建议在新的泄流条件下(增建了两个底孔后),重新进行调洪计算,并且改变三门峡水库“先敞泄,后控洪”的调洪原则,因为在小浪底水库建成的条件下,已经不存在“一部分洪水既淹没库区又淹没下游的不合理现象”。如果调洪结果仍然要求三门峡水库拦(滞)蓄较多洪水,是否可以研究再适当增大三门峡水库泄流能力的方案,因为在上述条件下,两库总的拦洪量只有36.15亿m3,没有超过小浪底水库一库的拦洪能力,在发生百年一遇的上大型洪水时,避免动用三门峡水库是有可能的。

Dj5ZZcZ6];vn|0

参考文献

%s!XT6ci ehF0

[1] 钱宁,张仁,周志德。河床演变学。科学出版社,1984年。水利论文o+RP H2SN d#T

[2] 小浪底水库运用初期入库水沙条件分析(p.22),黄委会勘测规划设计研究院,1999.9.

ThA I"to0

[3] 杨庆安,龙毓骞,缪凤举。黄河三门峡水利枢纽运用与研究。河南人民出版社,1995.5.

![h.DO'@\T cuK8_0

[4] 三门峡水电站1989~1994年汛期浑水发电试验研究报告。三门峡水利枢纽管理局,1994.12.水利论文%mKfu7E.ya;t }#T

[5] 钱意颖。渭河下游河道演变及对防洪和整治的探讨。黄委会水利科学研究院,2000.4.17.

bV@J6Is ` o)a0

[6] 胡一三主编。黄河防洪。黄河水利出版社,1996.10.

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