对黄河潼关高程问题的认识

摘 要 黄河潼关高程抬高，是三门峡水库蓄水后带来的严重问题；随着黄河和渭河水量减少，加重了渭河下游的泥沙灾害。三门峡水库的敞泄运行，可使潼关高程大幅度降低；但是，希望大量增加水量来降低潼关高程是不现实的。只有坚持低水位运行，长年敞泄冲刷水库，才是降低潼关高程现实可行的做法。
关键词 黄河 潼关高程 认识

三门峡水库从１９６０年蓄水后，水库泥沙淤积?导致渭、洛河出口的潼关断面水位大幅度抬高，潼关１０００立方米每秒流量水位（称潼关高程）较建库前抬高约５ｍ。潼关断面是渭河的侵蚀基准面，所以，潼关抬高导致渭、洛河下游发生严重溯源淤积，河床抬高，河流功能受到严重损害。随着黄河上游建库和水资源的扩大利用，黄河和渭河水量减少?又加重了渭河下游的泥沙灾害。特别是２０世纪９０年代以来，水量持续锐减，使渭河下游河道持续萎缩，防洪形势更加严峻。
２０００年投入运行的小浪底工程为降低潼关高程提供了机遇。现在，三门峡水库在防洪、防凌、蓄水灌溉和下游河道减淤等方面的作用，将主要由小浪底工程承担。中国工程院西北水资源项目组在《关于渭河流域综合治理问题的调研报告》中，建议“抓住小浪底水库建成的有利时机，下决心消除长期以来三门峡工程对渭河下游的不利影响”。但是，降低潼关高程首先需要冲刷水库，在短期内需增加下泄泥沙量。在没有小浪底水库或当小浪底水库的拦沙库容大量消耗之后，三门峡大量排泄泥沙将对黄河下游造成严重的淤积，是不可行的。只有在目前小浪底水库尚有较大拦沙库容的时机，利用其本来就会淤积占用的拦沙库容来消化三门峡水库冲刷排泄的粗沙是合理的。所以，应当抓住当前难得的机会。
中国工程院降低潼关高程专题研究，提出了只要敞泄三门峡水库，潼关高程就可以得到降低的结论。作者针对下列四个方面的问题：从历史看潼关高程变化，从三门峡水库水沙条件看潼关高程变化，从三门峡水库的运行看潼关高程的变化，三门峡水库潼关高程可能降低的幅度，作了进一步思考和分析，提出了一些个人看法。同时，就黄河水量和三门峡水库敞泄对潼关高程的作用进行了比较分析。


在近两千年的历史时期，潼关高程是缓慢抬高的。地学研究认为三国时期到三门峡水库建库前，潼关平均每年抬高０．００８ｍ。这与库区地质、地貌和水沙条件变化有关。地质年代淤积和河床抬高的关系复杂。一般认为潼关附近地壳平均下沉幅度为每年０．００３ｍ。但是，潼关附近西北面的朝邑段地壳又是逐渐隆起的，潼关河谷处于渭河凹陷断层的边缘，准确的下沉速率不清楚。所以，不能简单由淤积厚度确定河谷抬高的数值。
在建库前３０年的时间里，潼关高程确实大幅度抬高。１９２９～１９５９年抬升值达２ｍ左右。这与１９３３年及其后多年黄河大量来沙有关。１９３３年入库泥沙达３９．１亿ｔ，１９３３～１９５９平均年输沙量１８亿ｔ，连续超出黄河多年平均１６亿ｔ泥沙的数量。而建库后泥沙数量不断减少。所以，不能以这时潼关高程抬升的资料简单外延，推断出“即使没有三门峡水库，潼关高程也大幅度上升了”。
图１显示，渭河水位与潼关高程有明显的同步关系。潼关高程抬高后，渭河一定会相应发生淤积和抬高。然而，２０００多年历史中，渭河没有大幅度抬升，建库前渭河一直维持地下河。事实表明如果没有三门峡水库，潼关高程不会大幅度抬高。



三门峡水库建库以来，入库水沙条件改变巨大。１９８６年后，入库水量相对于２０世纪６０年代减少了４６％、沙量减少４８．７％。而且，入库和库区淤积的泥沙细化严重，入库泥沙平均粒径从０．０４ｍｍ以上减小到０．０３ｍｍ（图２），河床沙中细于０．０５ｍｍ的比例增加１倍。所以，单独强调水量减少使潼关高程抬高和不能降低是不正确的。
入库泥沙变细直接导致河道平衡比降减小。目前库区各河段比降都在万分之二附近（图３）。平衡比降减小对增加水库敞泄后降低潼关高程的幅度有很大作用。在平衡比降减小的条件下，即使三门峡水库敞泄冲刷不能达到预期的幅度，也可采用人工疏浚等方式促进。疏浚量只在千万立方米的数量级。在大于平衡比降的范围内疏浚，回淤量不会太大，疏浚后的河槽是可以维持的。
在目前水沙减少的条件下，潼关以上的小北干流下段和渭河仍然是溯源淤积（图４）。河道淤积使沿河同流量水位抬高的幅度是下游大于上游。表明目前三门峡水库的运行水位和库区淤积还控制着潼关及其上游的河道。遏止溯源淤积发展的必要条件只能是降低坝前水位。


水库实测资料分析表明，三门峡水库潼关以下库区的淤积量和连续多年汛期平均坝前水位有密切关系：


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而潼关高程又决定于潼关以下的淤积量：


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公式（１）、（２）中，Ｚ平均＝（Ｚ当年Ｚ前一年Ｚ前二年）１／３为连续３年汛期平均坝前水位的几何平均值；Ｗ为潼关以下库区淤积量，Ｚ潼关是潼关高程。所以，降低坝前水位可以降低潼关高程。
２０世纪９０年代水量减少的情况下，汛期坝前水位抬高仍然对潼关高程居高不下负有责任。尽管９０年代非汛期水位超过３２２ｍ的天数几乎没有了，但是，汛期发电和坝前水位高于３０５ｍ的天数大量增加。统计资料显示，１９９３～１９９９年汛期平均坝前水位较１９８１～１９９２年提高了１ｍ，而同期非汛期平均水位只降低０．７ｍ。汛期坝前水位抬高必然形成溯源淤积。
非汛期，当坝前水位超过一定数值后，潼关—古夺河段的水面比降随水位变化非常敏感。图５是一些代表年潼关—古夺河段水面比降与坝前水位过程的绳套关系。只要非汛期短期高水位运行，潼关—古夺河段河道比降就减小，即使水位降低后河道也将长期维持小比降。这样河段水流速度长期减小、淤积增加，次年汛前潼关高程升高。
另一方面，即使在目前黄河长期枯水的条件下，三门峡水库的库区发生沿程冲刷的机会依然很多。比如，在１９９７年极枯条件下，８月份一场洪水（１１亿ｍ３水量）就将潼关、古夺、大禹渡和北村的同流量水位分别下降１．８、１．０５、２．１６和３．３２ｍ。图６是当时潼关水位—流量关系的变化过程。但是，由于库区淤积太多、回水顶托严重，冲刷效果难以保持。洪水过后的十几天内，潼关断面的同流量水位几乎恢复到洪水前的水平。如果三门峡水库事先已长年敞泄运行，水库内部的泥沙淤积一定可以大量减少，回水顶托作用就可以消除。水库敞泄运行后，溯源冲刷和洪水期间沿程冲刷结合，潼关高程一定可以大幅度降低。


三门峡入库水量增加对降低潼关高程有利是不争的事实。但是，在目前情况下，希望通过大量增加水量来降低潼关高程是不现实的。现实的措施是降低水库运行水位。但是，到底多少水量可以降低潼关高程成为各家争论的焦点。一种观点认为，近期水少必然导致潼关高程抬高，降低运行水位也不能降低潼关高程；而另一种观点认为，敞泄可大量增加库区河道比降，增加输沙能力，降低潼关高程。因此，有必要对比分析流量（水量）和比降的相对作用。
挟沙能力是反映河道水流输沙作用大小的指标。挟沙能力大，则河道不淤积甚至冲刷；相反，则河道淤积。黄河河道的水流挟沙能力一般符合下列公式：


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根据谢才公式和河相关系，可以将公式（３）转化为流量和比降的关系：


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其中，Ｕ是流速，Ｈ是断面平均水深，Ｑ是流量，Ｊ是河道比降，ｍ、Ｋ和Ｋ’是正常数。由公式（４）可见，流量的幂只有０．３ｍ，而比降的幂是１．３２ｍ。所以，流量变化对挟沙能力的影响程度远于比降变化的作用。若水库完全敞泄，库区平均比降将增加４０％以上，所增加的挟沙能力相当于流量增加４倍的作用。对于潼关—古夺河段，即使比降只增加１５％，增加挟沙能力也相当于流量增加８５％的作用。敞泄水库可以增加的挟沙能力是目前现实条件下，流量或水量增加不可能达到的。依赖敞泄水库来降低潼关高程更现实和可靠。



四省会议后，三门峡水库曾一度部分全年敞泄运行。正好这一期间（１９６９～１９７３年），黄河偏枯，平均全年水量只有３０５亿ｍ３。而４年内黄河潼关高程降低２．０１ｍ。１９８６～１９９３年，黄河的水量较少，平均年水量２９０亿ｍ３，基本代表近期水沙条件，与１９６９～１９７３年相当。


按１９６９～１９７３年历史资料类比。考虑到现在大坝泄洪能力更大，一般不需要春灌和防凌蓄水，全年敞泄后的坝前水位较当时更低。而且，现在泥沙数量和粒径都更小。所以，按１９８６～１９９３年的水沙条件，潼关高程可以降低２ｍ。
按能量法和有效冲沙水量关系法等估算。按１９８６～１９９３年系列敞泄一年，潼关就可降低２．２ｍ或２ｍ；按１９９４～１９９９年?极枯?系列，也可降低１．５ｍ或１．３ｍ。
冲刷后，若再辅以一定的疏浚或采取控制措施使东垆弯等不再蜿蜒，则３～５年内将潼关下降到３２６ｍ是可能的。


根据作者等的认识，只要三门峡水库发电服从降低潼关高程的要求，切实坚持低水位运行，长年敞泄冲刷水库，即使在现在水沙较少的条件下，潼关高程也是可以降低的。

参考文献?
１ 降低潼关高程可行性研究组．关于降低潼关高程可行性的研究和建议．中国工程院“西北水资源咨询项目专题研究报告”，２００２．６．３０．
２ 周建军．降低三门峡水库潼关高程可能性研究．中国工程院“西北水资源咨询项目专题研究报告”（附件四），清华大学水利系．２００２．６．３０．
３ 吴保生，龙毓骞．黄河挟沙能力公式的修正． 人民黄河? １９９３．７．
（作者周建军为清华大学教授，林秉南为中国科学院院士、中国水利水电科学研究院原院长）