趙 勐

（河北省水文水資源勘測局，石家莊 050031）

1 引黃輸水概況

河北省屬嚴重的資源型缺水省份，人均和耕地水資源量僅為全國平均值的1/7和1/9，遠低于國際極度缺水地區(qū)人均水資源占有量的標準。自產(chǎn)地表水大幅度減少，地下水資源量衰減，入境水量銳減，入海水量日漸枯竭。這些變化既是造成缺水矛盾加劇的直接原因，又是缺水狀況的綜合體現(xiàn)。特別是海河南系黑龍港及運東地區(qū)，人均水資源量僅為全國平均值的1/15，是河北省乃至全國水資源供需矛盾最為尖銳的地區(qū)。該地區(qū)除少量外調(diào)水外，一般年份無地表水可以利用，由于大量超采地下水，已造成了地面沉降、機井報廢、建筑物破壞、咸水入侵、河道斷流、濕地萎縮等一系列環(huán)境地質(zhì)災害［1-2］，嚴重影響了該區(qū)域社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。

針對河北省水資源短缺問題，河北省政府高度重視，提出了嚴重缺水的應對方略。其中“完善引黃”是應對方略的重點工程之一。今后將逐步向我省中東部地區(qū)擴大引黃水量，重點補充農(nóng)業(yè)及生態(tài)用水，實現(xiàn)河北省對黃河水的永續(xù)利用［3］。本文采用1994～2011年的引黃輸水水文資料，對河北省引黃輸水河段水文特性進行分析，為今后引黃輸水調(diào)度、水資源合理配置、工程規(guī)劃建設(shè)提供技術(shù)參考和支撐。

1994～2011 年期間，河北省跨流域引黃調(diào)水共17次，其中9次“引黃入冀”，5次“引黃濟津”，3次“引黃濟淀”。按入境控制站劉口站的水量監(jiān)測資料統(tǒng)計，引黃水量共計45.45億m3。

引黃調(diào)水監(jiān)測站網(wǎng)屬專用站網(wǎng)，水文測驗及資料整編均執(zhí)行一類測站精度標準。選取輸水干線上設(shè)立的9處水量、泥沙、冰情監(jiān)測站資料，來進行輸水河段水文特性分析。該9處監(jiān)測站自上而下依次分布為劉口、張二莊、油故、三朗、連村、八里莊、代莊、周官屯、九宣閘。劉口、九宣閘屬河北省入境、出境控制站，張二莊、連村為市界控制站。

2 影響河段水位流量關(guān)系的主要因素

在河道水文站，一般能夠觀測到完整的水位變化過程，而流量監(jiān)測資料在時間上是間斷不連續(xù)的。流量因受不同因素影響而變化復雜，只有找出流量的主要影響因素，才能確定水位流量關(guān)系，從而推求出流量的連續(xù)變化過程［4］。

2.1 斷面淤積影響

以張二莊站為例，點繪2000～2004年間4次輸水的水位面積關(guān)系曲線，如圖1所示，該站在不同時期存在著不同程度的淤積。同水位級隨著輸水時間的延長，水位面積關(guān)系點逐漸向左移動，斷面出現(xiàn)分段淤積。其淤積速度與上游含沙量、水流挾沙能力等有關(guān)。另外，輸水初期淤積比較嚴重，水位面積曲線變化較大。經(jīng)計算，張二莊站經(jīng)過4次引黃輸水，斷面淤積面積達27.0m2，占最大過水斷面面積的17%。干線站中張二莊站淤積最為嚴重，油故站次之，其他站較輕。所以根據(jù)淤積情況，張二莊和油故站要選用適合的水位流量整編方法。

圖1 張二莊站不同年份水位面積關(guān)系

2.2 水流漲落影響

在引黃輸水期間，渠首位山閘經(jīng)常通過閘門變動來調(diào)節(jié)輸水流量，致使下游水流不穩(wěn)定，水位流量關(guān)系紊亂。以劉口站為代表進行水流漲落影響分析，如圖2，劉口站因受閘門控制，其水位流速分布不同于天然河道的分布規(guī)律。究其原因，一是因位山閘門升降變動，造成水流漲落；二是受下游閘門和涵洞過水能力的影響，當輸水流量超過閘門或涵洞設(shè)計過水能力時，下游水流的頂托造成本站高水位低流速現(xiàn)象。在輸水持續(xù)20d后，流速呈現(xiàn)規(guī)律性變化，即漲水時關(guān)系點落在曲線右邊，落水時則分布在左邊。張二莊、油故、連村、八里莊站的過水情況大致如此。

圖2 劉口站典型年次水位流速關(guān)系

2.3 河道結(jié)冰影響

冬季引黃輸水，結(jié)冰對水位流量關(guān)系的影響是很復雜的［5-6］。隨著冰期冰情的發(fā)展，尤其是河道形成冰蓋進入封凍期后，河中水流形同管流，濕周增加，水力半徑變小，糙率發(fā)生變化，河道過水能力減小。冰塞、冰壩還會使水面比降有很大改變。從同流量不同時期的流速比較來看，流冰期流速小于暢流期，封凍期流速小于流冰期，而水位則相應升高。冰塞、冰壩、水位的升高有時會影響到堤防安全。對比連村、代莊、周官屯站相同水位條件下的封凍期、暢流期流量，冰蓋下輸水比無冰時的流量分別減少27%、26%、34%，見表1。

表1 相同水位條件下輸水流量對比

2.4 流量推求方法

不同測站在不同的輸水期，其水力影響因素各不相同，針對各站水位流量關(guān)系的主要影響因素，提出適合各站的流量推求方法［7］。

劉口站的流速主要受洪水漲落和回水頂托影響，監(jiān)測斷面穩(wěn)定無沖淤。在輸水暢流期，由于水波產(chǎn)生附加比降的影響，漲水點偏右，落水點偏左，呈規(guī)律分布，符合臨時曲線法或連時序法整編定線條件；張二莊站和油故站，既受斷面淤積影響，又受水流漲落影響。在斷面穩(wěn)定期，宜采用臨時曲線法，在斷面非穩(wěn)定期，可采用改正水位法或連實測流量過程線法推流。張二莊站用改正水位法推流取得較好結(jié)果，主要環(huán)節(jié)是導向原斷面，即把實測流量的過水斷面導向淤積前的大斷面，再建立導向原斷面后的水位流量關(guān)系，如圖3所示，水位流量關(guān)系點較集中，經(jīng)3種定線檢驗，完全符合一類精度測站定線要求；連村和八里莊站的施測斷面沒有明顯沖淤變化，流量受水流漲落影響。建議采用臨時曲線法、連時序法和連實測流量過程線法推流。

圖3 張二莊站改正水位后的水位流量關(guān)系

總之，受斷面淤積影響的引黃監(jiān)測站，宜采用改正水位法推求流量，可以消除測深所帶來的誤差；對受洪水漲落和變動回水影響的站，宜采用臨時曲線或連時序法，可以減少水尺讀數(shù)和單次流量的測驗誤差；結(jié)冰期則可采用臨時曲線、改正系數(shù)、改正水位或連實測流量過程線法［8］?？傊?，對于測站，要根據(jù)不同時期的主要影響因素來確定適合本站特性的流量整編方法。

3 輸水期水流傳播特征分析

引黃輸水水流傳播時間的影響因素包括上游流量大小，輸水河道前期河槽濕潤程度，河道縱坡，河道斷面形狀，河道障礙物等。

3.1 水頭行進時間

采用2000年以來，引黃濟津5次輸水水文資料，統(tǒng)計水頭途徑各監(jiān)測站區(qū)間所需時間及行進速度，從位山閘提閘放水開始，水流到達九宣閘的平均歷時為225.3h（9.4d），詳見表2。

表2 水頭、峰值流量沿程傳播時間、速度統(tǒng)計

3.2 峰值流量傳播時間

選擇幾次有較大峰值流量的輸水過程，統(tǒng)計其傳播歷時和速度見表2。從位山閘至九宣閘峰值流量平均傳播時間254.4h（10.6d），比水頭傳播時間長29.1h。各河段峰值與水頭傳播時間、速度呈同步變化趨勢。

4 輸水河段泥沙運動特征分析

黃河是一條高含沙河道，十幾年的引黃輸水，對沿途河道造成了不同程度的淤積。河道中的泥沙運動來自水流的動能影響，水流流速越大，河段越順直，水體的挾沙能力就越強，泥沙的淤積量相對減少；當斷面流速突變減小時，泥沙淤積就明顯。如輸水河段彎道或閘翼兩側(cè)，易出現(xiàn)死、回水或流速明顯變緩的區(qū)域，水體能量損失較大，水體挾沙能力變小，泥沙沉積相對較多。張二莊彎道、油故節(jié)制閘上兩側(cè)淤積量較其他河段明顯嚴重。

4.1 含沙量的時空分布

在輸水初期，大多河段干涸，取水源頭位山閘的上、下游水頭落差較大，輸水流速驟漲，部分河段發(fā)生沖刷，致使輸水水頭含沙量較大。隨著輸水時間的延長，水流流速趨于平緩，含沙量逐漸變小，趨于穩(wěn)定。進入冬季，含沙量明顯減少。有些站含沙量偶爾出現(xiàn)跳動現(xiàn)象，是因上、下游閘門變動所致。

從黃河位山閘引水，首先經(jīng)過沉沙池，水流中約50%的泥沙沉積下來，之后泥沙沿途呈自然緩變沉淀，含沙量隨之逐漸減小。圖4是2002年11月～2003年1月輸水期間典型站點含沙量變化情況。

圖4 2002～2003年輸水期典型站逐日含沙量過程線

4.2 河段淤積狀況分析

1994年以來，共引黃調(diào)水17次，河北省境內(nèi)泥沙淤積量共計1348萬t。其中“引黃入冀”和“引黃濟淀”共入境沙量580萬t，“引黃濟津”共淤積沙量768萬t。受泥沙資料限制，本次選取代表性較好的前4次“引黃濟津”泥沙資料，對各河段泥沙淤積情況進行統(tǒng)計分析。如表3所示，該4次引黃輸水，位山閘站輸沙總量為2177萬t，在輸水過程中，約有50.1%的泥沙沉淀在沉沙池內(nèi)，14.3%淤積在山東干渠，32.5%淤積在河北省境內(nèi)，3.1%通過九宣閘進入天津市。經(jīng)過沉沙池后的黃河水，含沙量驟減。在河北省境內(nèi)，清涼江泥沙淤積較重，清臨干渠次之，南運河泥沙淤積較輕。

表3 引黃濟津各河段泥沙淤積量統(tǒng)計 單位：萬t

5 結(jié)語

1994年以來的十幾場跨流域引黃輸水，使天津市、河北省黑龍港及運東地區(qū)嚴重缺水局面得以緩解。截至2011年，利用“引黃入冀”、“引黃濟津”和“引黃濟淀”工程，河北省共引入水量45.45億m3。這些外來水主要通過衡水湖、大浪淀、白洋淀及河道存蓄，用于城市生活、工業(yè)和農(nóng)業(yè)灌溉。因引水季節(jié)、灌溉水價等各種原因，除5次“引黃濟津”外，河北省入境水量均不足5億m3；黃河是一條高含沙的河流，河水進入河北省之前已有50.1%的泥沙沉積在沉沙池內(nèi)，但仍有32.5%淤積在河北省境內(nèi)。1994～2011年間，河北省境內(nèi)泥沙淤積量共計1348萬t，清涼江淤積較嚴重，清臨干渠次之，南運河較輕；本文通過對各輸水監(jiān)測站的水位流量關(guān)系分析，得出河段的泥沙淤積、水流漲落、結(jié)冰，是引黃輸水流量推求的主要影響因素；冬季封凍期輸水，因冰塞、冰壩及水位的升高可能要影響到堤防和工程建筑物的安全。揭示引黃輸水河段水文特性，可為引黃輸水管理、輸水調(diào)度、水資源合理配置及工程規(guī)劃建設(shè)，提供技術(shù)參考依據(jù)。

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