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黄河是我国著名的多沙河流,水少沙多加剧泥沙淤积,中下游河道形成了“地上悬河”。为降低泥沙的淤积率,我国在黄河中游最后一个峡谷建造了小浪底水库,通过水库调水调沙重塑水沙关系,黄河的生态出现明显的改观。
1999年10月,小浪底水库下闸蓄水运用,库区当年即出现泥沙淤积;2002年,我国首次在黄河进行调水调沙试验,目标就是冲沙减淤,提高水库的运行年限,并为供水、灌溉、发电等效益提供条件。 经过20年的验证,黄河的调水调沙无疑是成功的:以小浪底水库为核心,排沙减淤超出预期,下游河道主槽稳定,黄河口湿地也成为了生命的天堂。 小浪底水库:水库减淤超出预期,排沙效果有多显著?在三门峡水库之后,小浪底水库因庞大的库容而被寄予厚望,水利专家将其视为治理黄河的骨干工程。根据规划,小浪底水库按千年一遇的洪水频率设计,万年一遇的洪水校核,总库容多达126.5亿m³,其中:淤沙预留库容75.5亿m³,长期有效库容51亿m³。
不难看出,淤沙库容的占比更大,这也是结合黄河的泥沙现状所做出的特殊设计。根据水利专家的分析,小浪底水库最终可拦截100亿吨的泥沙,至少为下游河道减少78亿吨的淤积量。而通过智慧调度,水库实际发挥的作用大大超出了“减淤”的初始设定。
事实上,调水调沙进行4年后就已经初显成效。从泥沙的冲淤情况来看,小浪底水库并非单纯地减轻了淤积,而且还冲刷了下游的河床,避免了中小洪水对滩区的淹没。根据水文监测结果,2006年黄河下游的最小平滩流量已从原来的1800m³/s增加到了3500m³/s,这意味着河道主槽改善,过洪能力增强。 更为难得的是,小浪底水库的作用并非局限于“前期”,时至今日仍有成效。截至2021年,黄河调水调沙运行了20余次,减灾效益愈加明显,下游主槽基本实现了全线冲刷,平滩流量提高到4480m³/s,河床的高程平均下降了2.6m。这些数据表明,“二级悬河”的风险不仅不再升高,反而有所降低,“横河”和“斜河”的发生概率显著减小。
整体而言,小浪底水库是一座利国利民的综合性水库,贡献不可谓不大。黄河下游防洪能力增强,中小洪水漫滩概率降低,三角洲湿地面积增加,滩涂生态好转,这都是调水调沙带来的效益。
当然,未来的调沙方式还会不断改善,兼顾蓄水排沙和生态保护,“人民治黄”也将是“科学治黄”、“生态治黄”。 调水调沙20年,库区泥沙淤积有多严重?相信大家都很好奇:小浪底水库排沙效益突出,库区是否还存在淤积现象?调水调沙20年,库区的淤积程度有多大? 首先,黄河中游的泥沙含量较高,小浪底库区又有大峪河、畛水河、亳清河等10多条支流汇入,河谷宽度500~1000m不等,库区形态狭长弯曲,泥沙淤积不可避免。尤其是在蓄水期,枢纽大坝的排沙孔关闭,水流减缓,泥沙俱下,此时的淤积效应最为明显。
但经过调水调沙,淤沙-排沙基本能达到动态平衡,有些年份的排沙量还多于淤沙量,从而出现净冲刷的情况。但多数年份,排沙比低于100%,调水调沙并不能完全排出淤积的泥沙,因此,淤积总量呈现出缓慢增加的态势。 根据孙东坡等学者的报道,从2002~2015年,小浪底库区的淤沙总量逐年增加至30.48亿m³,多年平均排沙比为21%。前文提到,小浪底水库的拦沙库容为75.5亿m³,由计算可知,拦沙库容的利用程度已达到40.4%。
为减缓淤积速度,黄委专家在2018年提出了“一高一低”的调度思路,排沙效率明显增加。水沙监测数据显示,从2018~2020年,小浪底水库3年累计排沙13亿吨,平均每年排出4亿多吨。得益于新模式,泥沙淤积总量基本得到控制,2020年维持在31.46亿m³左右,占设计库容的41.6%。 31亿m³不是一个小数目,但和三门峡水库相比,小浪底水库的兴利库容绰绰有余,使用年限大大延长。自2018年至今,小浪底水库的排沙比最低为95%,最高达到了193%,多次实现了净冲刷,泥沙淤积情况不断改善。
另一方面,我国长期在黄土高原开展绿化植树工程,黄土区的森林覆盖率不断提高,从源头上减轻了水土流失。以山西省为例,过去的山西生态环境脆弱,2010年的森林覆盖率仅有18.03%,造林绿化高潮兴起后,覆盖率提升到了2020年的23.57%,数千万亩山区正以肉眼可见的速度从“黄色”变成“绿色”,生态黄河成为现实。 小浪底水库含有大量泥沙,为何不用清淤船抽沙?监测数据显示,黄河的年均输沙量正在减少,中下游的河水开始“变清”,壶口瀑布就曾多次出现“绿瀑奔腾”的壮观景象,水色的反差令人震撼。究其原因,梯级水库蓄水拦沙、植树造林减沙起到了重要作用。
大量泥沙淤积在水库中,为泥沙的综合利用提供了最佳场所。对于在库区沉淀的泥沙,国内学者也提出了开发利用的建议:根据自然分选效应,比重较大的粗砂沉积在水库库尾,水位较浅,可采面积大,可直接利用抽沙船抽采;库区中间的泥沙以中粗砂为主,水位较深,可利用射流冲吸式或自吸式管道抽沙,将泥沙沿管道输送至合适的场地,人为沉沙、分选。
而在坝前,泥沙颗粒尺寸在0.025~0.06mm左右,根据《SL 42-2010 河流泥沙颗粒分析规程》的规定,这一粒径可归为粉砂,介于砂砾和黏粒之间,利用价值较低;再加上水位最深,开发难度大,最直接的处理方式是排沙出库。
但和大家想象中的画风有所差异,小浪底库区始终未出现大规模的采砂船,个体采砂更是被严厉禁止。一是因为采砂会破坏河道环境,扰乱水文规律,威胁大坝设施的安全,而且近岸堆放也不利于行洪输沙;二是因为效率低,难度高,库区目前主要的治沙方式就是调水调沙,先提高水体的含沙量,再以水带沙自然排出,这种方式成本低,效果好,而且经验丰富,技术成熟。
生态清淤试验呢?如果在小浪底库区开展生态清淤,则需要兼顾清淤点的地质状况,避免在地质脆弱区开采,并对采砂方案的影响予以科学、严谨的评估。事实上,我国目前正在推进黄河中游泥沙的综合利用,生态清淤是其主要方式,三门峡水库迈出了试点的第一步。
三门峡水库内的清淤船
据专家介绍,三门峡库区淤积的泥沙超过30亿m³,库区的生态清淤具有探索性、创新性、引领性的意义。挖出的泥沙不仅腾出了库容,还可用于填平沟壑、造田修坡,效益广泛。既然是“引领性”的项目,就意味着未来可能在黄河的其他水库中推广,当然也包括小浪底水库,我们拭目以待。 总结小浪底水库蓄水23年,黄河生态环境明显改善,输沙量呈现出减少的趋势,淤积和冲刷达到动态平衡。目前,小浪底水库淤积有31亿多m³泥沙,如何避免泥沙快速增加,考验着水利专家的调度智慧。 黄河的泥沙也是宝贵的资源,万人瞩目的生态清淤正在黄河有序试点。相信未来的黄河也能呈现出沙少鱼多、水清山绿的美好画卷。
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