魏向阳：黄河“一高一低”水库调度实践与思考
一、黄河水沙调控工程体系与水库调度目标
1.水沙调控工程体系
以已建龙羊峡、刘家峡、三门峡、小浪底等干流骨干枢纽为主体，以支流控制性水库为补充，与干流河道工程一起，初步形成黄河水沙调控工程体系，对来水来沙过程进行科学调节，适时蓄存或泄放水沙，将天然状态下不协调的水沙关系塑造得尽可能协调。利用工程体系和水文监测预报、水库调度、计算机模拟等非工程体系，开展水沙调控。
2.水库调度目标
在保证水库安全运行的前提下，实现防洪、减淤、供水、生态、发电等综合效益最大化。尽可能保证青、甘、宁、内蒙古河段河道过流安全；控制下游河道不漫滩；维持下游河道中水河槽，并尽可能多输沙入海。实现三门峡、小浪底水库排沙减淤，调整库区淤积形态。实现洪水资源利用，汛末水库尽可能多蓄水。
二、“一高一低”水库调度思路
1.“一高一低”水库调度思路的提出
黄河防洪的重点和难点在下游。下游不仅要解决好洪水问题，还要处理好泥沙问题。同时，黄河流域经常出现旱涝急转、洪旱交替的局面，而黄河的控制性工程建设严重滞后，仅龙羊峡、小浪底水库具有一定调节能力。按照国务院批复的《黄河防御洪水方案》，当花园口站发生8000m3/s以下洪水时，小浪底水库原则上不控制运用。而目前下游卡口河段的过流能力在5000m3/s左右，当花园口流量达到5000~8000m3/s，下游部分滩区将可能漫滩，调度难度很大。这就只能从小浪底水库拦沙库容的多元化利用上寻找出路，缓解下游滩区防洪安全问题。
黄委立足现有工程体系条件，抓住2018年以来上游来水较大的有利时机，探索水沙调控新模式。黄委主任岳中明2018年7月13日在黄河防汛会商会议上首次提出“上游龙羊峡水库拦洪削峰，尽量保持高水位运行，中游小浪底水库为迎接渭河洪水低水位运行”的调度思路。经2018—2020年实践，该调度思路逐步发展概括为“一高一低”水库调度思路。
2.“一高一低”水库调度思路的科学内涵
龙羊峡水库高水位运行，拦洪削峰确保防洪安全，兼顾水资源综合利用，一旦出现干旱，龙羊峡水库可以向中下游远距离输水。小浪底水库低水位运用，既增加了防洪库容,减少下游漫滩概率，又利用小浪底水库低水位时加大库区泥沙淤积冲刷，尽可能多排沙出库，延长水库使用寿命，并对下游河道泥沙进行多年调节调度。
“一高”“一低”不是孤立的，而是辩证统一的。“一高”是前提条件，“一低”是核心目标，“一高”为“一低”提供水量和动力保障。“一高一低”调度方式必须以准确可靠的水文预报做支撑，通过统筹运用水库的“蓄”“泄”功能，实现全流域、大尺度、长历时的水沙时空精准对接，以可控的风险换取调度效益的最大化。
“一高一低”调度方式要求全河施行全年水资源精细化调度，非汛期在满足沿河工农业用水需求的前提下，节约利用水资源，汛前龙羊峡水库尽量多蓄水，为汛期实施“一高一低”调度提供水资源保障。龙羊峡水库汛前保持一定蓄水位（尽量不低于2588m），2019年、2020年汛前龙羊峡水库最低水位分别为2590.95m（5月24日）、2589.04m（6月15日）。小浪底水库利用汛前腾库迎汛时机，尽量降低库水位，塑造大流量清水下泄过程，冲刷下游河道泥沙。
按照“一高一低”调度思路，小浪底水库降低库水位腾库预泄，可为下游保滩运用增加宝贵库容，有效降低下游滩区遭遇“上大洪水”时的漫滩概率。如当小浪底水库降至205m时，可为下游保滩运用增加约15亿m3的防洪库容（与汛限水位235m相比）。小浪底水库按照全力保滩方式运用，对于30年一遇“上大洪水”，可基本保障下游洪水不上滩；对于30年一遇以上“上大洪水”，可有效推迟大流量洪水漫滩时间，为滩区群众转移争取宝贵时间。
三、“一高一低”水库调度实践
2018—2020年是黄河多年不遇的丰水年，黄委连续三年开展了“一高一低”水库调度实践。本文以2020年汛期为例来阐述“一高一低”水库调度实践。
1.天气形势及降水情况
2020年汛期，西太平洋副热带高压与多年均值相比，整体面积和强度偏大偏强；500hpa环流形势存在明显的阶段性变化。汛期流域降水偏西南部，降水量偏丰。汛期共发生23场中雨以上降水过程，流域降水累计面雨量439mm，较常年偏多17%。
2.洪水概况
2020年汛期，黄河干流发生了30年未遇的流域性洪水，先后出现6场编号洪水，为历史最多，中游潼关站出现1998年以来最大流量。洮河、伊洛河、渭河、汾河、大汶河等多条支流相继涨水，个别支流发生局地性大洪水。
①第1号洪水。河源区受6月份以来持续降雨影响，干支流主要水文站出现了一次明显洪水过程，干流唐乃亥站6月19日8时12分流量达到2500m3/s，形成黄河2020年第1号洪水。6月21日14时30分该站出现本次洪水最大流量2780m3/s。
②第2号洪水。受持续降雨及水库调蓄影响，黄河兰州站7月20日20时42分流量达到3000m3/s，形成了黄河2020年第2号洪水，21日8时54分最大流量3390m3/s。受此洪水影响，兰托区间各站均出现入汛以来最大流量。
③第3号洪水。受8月4—5日黄河中游强降雨过程影响，黄河山陕区间主要干支流相继涨水。干支流来水汇合后，加上未控区来水，潼关站6日23时54分洪峰流量达到5060m3/s，形成了黄河2020年第3号洪水。
④第4号洪水。受7月中旬以来持续降雨影响，黄河源区各主要水文站流量缓慢上涨。黄河唐乃亥水文站8月11日7时06分出现2500m3/s的流量，形成黄河2020年第4号洪水。之后经过短暂回落后，唐乃亥站流量又持续上涨，8月23日10时30分涨至2950m3/s，为2020年入汛以来最大流量，唐乃亥站2500m3/s以上流量持续270h。受4号洪水持续来水影响，龙羊峡、刘家峡水库联合调度，兰托区间出现3000m3/s以上大流量过程，持续时间达半月之久。
⑤第5、6号洪水。受8月14—18日泾渭河流域连续降雨过程影响，泾渭河各支流普遍涨水，形成连续的洪水过程，黄河潼关站8月18日出现黄河2020年第5号洪水，21日洪峰流量6300m3/s，为1998年以来最大流量。8月23日，黄河中游山陕区间北部、泾渭洛河上中游地区再次出现强降雨过程，黄河北干流及泾渭河同时涨水，黄河潼关站8月26日出现2020年第6号洪水，洪峰流量6280m3/s。
3.“一高一低”调度过程
（1）龙羊峡水库
6月，为应对黄河2020年第1号洪水，实时调整水库下泄流量，龙羊峡水库适度拦洪削峰，库水位缓慢上涨，超过汛限水位运行。7月初，在保证下游河道防洪安全的前提下，水库逐步加大下泄流量，快速降至汛限水位以下。7月中旬至8月份，为应对上游持续来水，龙羊峡水库适时拦蓄洪水，水库超汛限水位运行。9月初，龙羊峡水库水位逐步向正常蓄水位（2600m）过渡。10月，为发挥水资源综合效益，龙羊峡水库继续保持蓄水运用，按发电流量或者加大下泄，水位向2601m靠近。
7月至8月，龙羊峡水库由于防洪运用，超年度汛限水位（2592m）运行天数为44天。进入10月份后，龙羊峡水库以蓄水运用为主，库水位于10月15日达到2600m，10月27日达到年度最高蓄水位2600.91m。
（2）刘家峡水库
为应对上游1、2、4号洪水，减轻兰州河段防洪压力，刘家峡水库适度拦洪削峰，待洪峰过后，逐步加大下泄流量，降低库水位，起到了较好的错峰效果。进入9月，上游来水持续减小，刘家峡水库水位向正常蓄水位1735m过渡，防洪调度基本结束。10月，为与防凌调度衔接，刘家峡水库逐步降低库水位，留出防凌库容。汛期刘家峡水库超汛限水位运行29天。
（3）三门峡水库
进入汛期，三门峡水库水位控制在305m以下，进出库平衡运用。7月中下旬，上游来水流量较大，水库敞泄运用，冲沙排沙效果明显。8月份，为应对第3号洪水，三门峡水库与小浪底水库联合调度，8月2日8时按照拦蓄300m3/s运用，7日8时转入敞泄运用，10日8时按照拦蓄500m3/s运用，洪水消退后水库于8月12日8时转入进出库平衡运用。为应对5、6号洪水，三门峡水库于8月18日8时起敞泄运用，直至洪水消退。9月，三门峡水库保持水位305m以下进出库平衡运用。10月，三门峡水库开始逐步蓄水，向正常蓄水位过渡。
（4）小浪底水库
6月24日至7月10日，黄委利用小浪底水库汛前腾库迎汛的有利时机，开展了防御大洪水实战演练。6月24日起水库逐步加大下泄流量，到28日8时达到最大下泄流量5500m3/s，该量级洪水持续12h，考验下游卡口河段极限过流能力。之后逐级减小下泄流量，7月5日实战演练进入退水阶段。7月10日，水库水位降至210m左右，转入进出库平衡运用，下游河道流量降至3000m3/s以下，实战演练结束。
演练后小浪底水库水位降至210m附近，预留了充足的防洪库容，7月23日进一步将水位降至205～206m，最低库水位为205.00m（7月25日12时）。库水位进一步降低后，出库含沙量明显增大，进入集中排沙阶段。8月，黄河中游暴雨洪水较多，为应对第3号洪水，小浪底水库压减下泄流量，适度拦洪削峰，洪水进入退水期后，水库加大下泄流量腾空库容。为应对5号洪水，小浪底水库于15日压减下泄流量至1800m3/s，洪峰过后又于20日增加至4000m3/s。由于水库前期经历连续编号洪水，蓄水量较大，6号洪水形成后，仍维持4000m3/s下泄流量。在8月的三场编号洪水中，小浪底水库较好地发挥了削峰、错峰作用，有效减轻了黄河下游河道的防洪压力。进入9月，小浪底水库继续以4000m3/s下泄，降低库水位运用，水位降至240m后开始逐步压减下泄流量。10月，以蓄水为主，水库水位逐步向正常蓄水位过渡。
4.水库调度效果
（1） 防洪运用效果
2018—2020年汛期，在上游实施龙羊峡、刘家峡水库联合运用拦洪削峰，两库最大削峰率达到60%左右，控制青、甘、宁、内蒙古河段均未超过河道最小过洪能力。在中游调度三门峡、小浪底水库腾库迎洪，提前预泄，削峰率最大达到58%，避免了下游发生漫滩险情，确保了下游防洪安全。
（2）水库冲淤
2018—2020年汛期，小浪底水库汛期最低水位分别为211.77m、209.12m、205.00m。经过连续三年的排沙调度，小浪底水库累计出库沙量13.49亿t，净冲刷2.61亿t,有效恢复了水库库容。其中，2019年汛期水库排沙量最大达到5.4亿t，水库净冲刷2.6亿t，排沙比达到193%。
（3）河道冲淤
根据断面法计算，2018年汛前至2020年汛后，花园口以下河段累计冲刷0.887亿m3，淤积主要发生在花园口以上河段，累计淤积0.952亿m3，汛期河道的淤积沙量可通过小浪底后期的清水下泄，逐段启动输移、接力排沙入海。
（4）过流能力增加
经过连续三年大流量洪水冲刷，上游巴彦高勒站、三湖河口站2020年汛后与2018年汛初相比，断面平滩流量分别增加了1100m3/s、520m3/s，达到4000m3/s、3000m3/s，河道行洪条件明显改善。下游卡口河段最小平滩流量由2018年汛前的4200m3/s提高至2020年汛后的4500m3/s，增加了防洪调度空间。2020年6月24日至7月10日，黄委利用小浪底水库汛前腾库迎汛开展了大洪水实战演练。6月30日21时40分，流量为5020m3/s的洪水顺利通过黄河下游卡口河段。
2018—2019年，龙羊峡、刘家峡、小浪底水库汛末总蓄水量分别较汛初增加106.77亿m3、56.52亿m3、79.89亿m3，其中，龙羊峡水库连续三年突破最高蓄水位，年最高蓄水位分别达到2600.09m、2600.34m、2600.91m，充分发挥了龙羊峡水库的多年调节性能，为沿黄工农业用水、引黄调水和生态用水储备了水源。
汛期，黄委利用调度形成的大流量洪水过程，完成了黄河下游河段和内蒙古河段生态补水，有效改善了河道、河口、湖泊湿地生态环境。2018—2020年汛期，黄河三角洲累计生态补水量2.88亿m3。其中2020年汛期，黄河三角洲生态补水量1.8亿m3，比原计划多补水近两倍，较近10年（2010—2019年）均值增加了两倍多，是2008年实施河口地区生态补水以来补水量最多的一年。
四、认识与建议
1.水沙调控理论得到进一步丰富
“一高一低”水库调度思路是黄河调水调沙理论与实践的延续与发展，科学实施上游龙羊峡、刘家峡、小浪底等水库的联合防洪调度和水沙调控，探索完善了上中游水库群联合水沙调控模式，为今后全河水沙联合调控积累了经验。通过三年的摸索和完善，“一高一低”调度思路日渐成熟，进一步丰富和发展了水沙调控理论与实践。
2.水沙调控综合效益显著
上游龙羊峡等水库高水位运行，实现了防洪减灾和洪水资源利用效益。中游小浪底等水库低水位运行，实现了洪水期集中排沙，利用花园口以上河段平滩流量较大的优势进行滞沙，次年通过清水大流量将淤积的泥沙冲刷带走，实现了小浪底水库多排沙和下游河道接续排沙的良好效果。
3.黄河水沙调控工程体系还需完善
当前，黄河“上拦”工程尚不完善，规划的中游四座骨干水沙调控工程只有三门峡、小浪底两座水库投入运行，调水调沙后续动力不足。建议加快古贤水库前期工作进度，完善黄河中游水沙调控体系，为水沙调控提供充足的水量和后续动力，更好地发挥水库群的水沙调控作用，实现黄河水沙资源综合利用，确保黄河防洪安全。
4.探讨利用河道调水调沙的可行性和限制条件
2018—2020年汛期，小浪底水库集中排沙期间，黄委根据河道容沙能力，在不影响防洪排沙的基础上有计划地将部分泥沙临时堆放在花园口以上宽河道，次年清水下泄期间向下游输送，实现泥沙的跨年度调度和接续排沙。建议总结历年集中排沙期下游河道淤积分布特点，密切跟踪清水下泄期该河段的冲淤变化，分析其对花园口以下河段的冲淤影响，提出调水调沙技术指标并继续开展水库调度实践。
刊于《中国水利》2021年第9期
作者/魏向阳（水利部黄河水利委员会水旱灾害防御局局长），杨会颖，赵咸榕，李小平，孔纯胜
责编/李博远
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