摘要:黃河作為中華民族的母親河,以占全國2%的河川徑流量承擔(dān)著全國巧%的耕地面積和12%人口的供水任務(wù)。黃河亦是世界上泥沙最多的河流,河道內(nèi)必須留足一定的水量用于輸沙入海。同時(shí),每年還需向流域外沿黃地區(qū)供水約100億m3,水資源供需矛盾極其尖銳。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,用水量不斷增加,生態(tài)水量被大量擠占,導(dǎo)致河道斷流、河床淤積、水體污染等一系列生態(tài)問題。黃河生態(tài)水量研究一直是人們關(guān)切的重大課題。結(jié)合黃河水沙特點(diǎn)和“地上懸河”的特性,采取斷面水量平衡和地下水?dāng)?shù)值模擬等方法,分析了河道滲漏水量及其生態(tài)作用,提出黃河干流生態(tài)水量應(yīng)考慮該部分損失水量,進(jìn)一步完善了下游生態(tài)水量研究的思路與手段,可為黃河生態(tài)系統(tǒng)的維持、黃河水資源的生態(tài)調(diào)度與管理提供決策依據(jù)。
關(guān)鍵詞:地下水?dāng)?shù)值模擬;側(cè)滲補(bǔ)給;水量平衡;生態(tài)水量;懸河特性;黃河下游
中圖分類號:P333;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A Doi:10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.001
1 黃河特性
1.1 水沙特點(diǎn)
(1)水沙異源。黃河下游水沙主要來自三個(gè)區(qū)間:一是河口鎮(zhèn)以上,水多沙少,水流較清,河口鎮(zhèn)斷面多年平均水量約占下游來水總量的55.3%,而年均沙量僅占9.0%;二是河口鎮(zhèn)至三門峽區(qū)間,水少沙多,水流含沙量高,該區(qū)間多年平均水量約占下游來水總量的35.3%,但沙量占89.3%;三是伊洛河和沁河兩大支流,為又一清水來源區(qū),兩支流多年平均水量占下游來水總量的9.4%,而沙量僅占1.7%??梢姡M(jìn)入下游的水量大部分來自河口鎮(zhèn)以上,沙量則主要來自河口鎮(zhèn)至三門峽區(qū)間。
(2)水沙量年際變化大。黃河水沙量年際變化極大,沙量尤甚。以三門峽水文站為例,實(shí)測最大年徑流量為659.1億m3(1937年),最小年徑流量僅為120.3億m3(2002年),豐枯極值比為5.5;最大年輸沙量為37.26億t(1933年),最小為0.50億t(2015年),豐枯極值比為74.5。
(3)水沙量年內(nèi)分配不均。黃河水沙量年內(nèi)分布不均,水沙均主要集中于汛期。下游汛期多年平均水量占全年的60%,沙量占全年的80%以上[1]。
1.2 沖淤特性
黃河下游屬于典型的堆積型河道,總體處于不斷淤積的過程之中,同時(shí)又具有多來多淤多排的特點(diǎn)。
1950年7月至1960年6月,三門峽建庫前黃河下游河道各河段均發(fā)生淤積。1960年9月至1964年10月,三門峽水庫蓄水?dāng)r沙,黃河下游河道主槽發(fā)生明顯沖刷,沖刷主要集中在高村以上河段。1964年11月至1973年10月,三門峽水庫滯洪排沙,高村以上河段發(fā)生顯著淤積,主槽淤積嚴(yán)重,河道斷面萎縮。1973年11月,三門峽水庫開始蓄清排渾運(yùn)用。1973年11月至1980年10月,花園口以下河道淤積,下游河道整體淤積。1980年11月至1986年10月多次發(fā)生大洪水,高村至艾山略有淤積,下游河道整體沖刷。1986年11月至1999年10月,龍劉水庫(龍羊峽、劉家峽水庫)聯(lián)合運(yùn)用,進(jìn)入下游的水沙發(fā)生較大變化,汛期來水比例減小,非汛期來水比例增大,下游河道斷面淤積萎縮,下游河道總淤積量為29.62億t,年均淤積量為2.28億t。1999年11月一2016年4月,隨著小浪底水庫蓄水?dāng)r沙和黃河調(diào)水調(diào)沙,下游河道整體呈沖刷趨勢,截至2016年汛前,利津以上河段年均沖刷1.65億t,累計(jì)沖刷28.15億t。黃河下游各河段年均沖淤量見表1。
1.3 下游懸河狀況
黃河水少沙多的自然特性,加之河道外經(jīng)濟(jì)社會用水的不斷增加,留在河道內(nèi)用于輸沙的水量嚴(yán)重不足,河床持續(xù)淤積抬升,形成“地上懸河”,并進(jìn)一步呈現(xiàn)出槽高、灘低、堤根洼的特點(diǎn),俗稱“二級懸河”。黃河下游河道堤內(nèi)灘面普遍高出兩岸地面4~6m,部分河段高差超過10m。河南省新鄉(xiāng)市地面低于黃河河床20m,開封市地面低于黃河河床13m,山東省濟(jì)南市地面低于黃河河床5m。
東壩頭至陶城鋪河段“二級懸河”的灘唇一般高出黃河大堤臨河地面約3m,最大達(dá)5m,灘面橫比降約為0.1%,而縱比降則為0.014%。同時(shí),灘內(nèi)分布堤河、串溝多達(dá)167條,總長846km。一旦發(fā)生較大洪水,由于河道橫比降遠(yuǎn)大于縱比降,因此灘區(qū)過流比增大,增大了主流頂沖堤防、順堤行洪甚至發(fā)生“滾河”的可能性,將嚴(yán)重危及堤防安全[2-3]。
2 黃河干流輸水損失分析
黃河下游“地上懸河”的特點(diǎn),使一般河流地表水與沿岸地下水的雙向補(bǔ)給關(guān)系變?yōu)榈乇硭蜓匕兜叵滤膯蜗蜓a(bǔ)給,河流輸水損失加大,導(dǎo)致黃河下游河段一直存在水量不平衡現(xiàn)象,對黃河水資源的精細(xì)化管理造成了影響。本文從水面蒸發(fā)和河道滲漏兩個(gè)方面分析輸水損失量。
2.1 水面蒸發(fā)損失
河道水面蒸發(fā)量一般采用河道平均水體蒸發(fā)量乘以河道水面面積的方法計(jì)算求得,其公式為
E=E河段B河寬L河長(1)式中:E為河道水面蒸發(fā)量;E河段為河道平均水體蒸發(fā)量,采用E601蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量折算;B河寬為河道平均水面寬度;L河長為河道長度。
2.2 滲漏損失水量
考慮到黃河干流懸河的特點(diǎn),滲漏損失較一般河流大,故采用斷面水量平衡和地下水?dāng)?shù)值模擬兩種方法對比分析,相互驗(yàn)證。
2.2.1 斷面水量平衡法
斷面水量平衡法是一種間接計(jì)算河道滲漏量的方法,在水文學(xué)中經(jīng)常采用,主要是通過斷面測流來獲取上下游斷面之間的水量損失,扣除斷面之間的蒸發(fā)量、引水量和補(bǔ)水量的差值等來間接推求河道滲漏量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易算,缺點(diǎn)是精度偏低,只能判斷兩個(gè)斷面之間的總體滲漏水量,不能明確判斷漏失的地段及其分段漏失量。斷面水量平衡方程為
Q上+Q區(qū)+P-(Q下+W取+E+Q滲)=ΔQ(2)式中:Q上為上斷面水文站實(shí)測徑流量;Q區(qū)為河道區(qū)間人流量;尸為河道水面降水補(bǔ)給量;Q下為下斷面水文站實(shí)測徑流量;W取為從干流取走的河道外用水量;Q滲為河道滲漏量;ΔQ為平衡項(xiàng)差值。
在上述上下斷面徑流量、區(qū)間人流量、河道降水補(bǔ)給量、河道外用水量、水面蒸發(fā)量已知且平衡項(xiàng)差值在合理范圍內(nèi)時(shí),即可求得河道滲漏損失量。
2.2.2 數(shù)值模擬法
數(shù)值模擬方法是目前地下水研究中最為流行和常用的方法,可以模擬復(fù)雜地質(zhì)條件在不同水文情勢下的水量、水位變化過程,常用的數(shù)值方法有有限元法和有限差分法,國際國內(nèi)有較為成熟的可視化計(jì)算軟件,如VisualmODFLOW、FEFLO W、GMS等,這些地下水流模擬軟件大多具有輸入輸出數(shù)據(jù)功能齊全、計(jì)算效率高、可視化效果好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于地下水資源評價(jià)、預(yù)報(bào)和各類工程地下水滲流計(jì)算中。數(shù)值法可以詳細(xì)刻畫含水層系統(tǒng)的復(fù)雜三維邊界條件,并可模擬蒸發(fā)、降水、地表水位的時(shí)空變化,更接近實(shí)際情況。
(1)黃河側(cè)滲的范圍。對黃河側(cè)滲量進(jìn)行計(jì)算時(shí),需要首先確定側(cè)滲的影響范圍。黃河側(cè)滲的影響范圍即黃河對地下水影響帶,包括平面上和垂向上兩方面,平面是指黃河水補(bǔ)給地下水的距離和平面范圍,垂向是指與黃河側(cè)滲補(bǔ)給量相關(guān)的地下水的循環(huán)深度。
黃河側(cè)滲影響帶的范圍一般根據(jù)地下水流場特征、地下水動態(tài)特征進(jìn)行分析和判斷,也可以通過地下水化學(xué)、環(huán)境同位素特征分析等來進(jìn)行確定。趙云章等[4]采用地下水流場分析法、地下水動態(tài)類型比擬法和同位素測試分析等綜合方法,較準(zhǔn)確地劃分了黃河不同河段影響帶的寬度,在同位素取樣的典型剖面上,鄭州剖面黃河側(cè)滲影響帶的寬度南岸約為10.0km,北岸約為13.4km;中牟一原陽一新鄉(xiāng)剖面南岸約為14.4km,北岸約為24.0km;開封一封丘剖面南岸約為18.9km,北岸約為26.2km;濮陽剖面黃河影響帶范圍(北岸)約為19.2km。平建華等[5]利用同位素技術(shù)對黃河下游側(cè)滲影響帶范圍進(jìn)行了研究,認(rèn)為黃河在南岸和北岸對地下水的影響范圍不一樣,南岸在鄭州一帶約為5km,影響范圍相對較小,向下游影響范圍逐漸增大,在中牟和開封一帶為7~10km;北岸影響范圍為9~20km[5]。黃河側(cè)滲影響帶范圍見圖1[6]。
(2)黃河側(cè)滲的數(shù)值模型。對于黃河側(cè)滲影響帶內(nèi)的非均質(zhì)各向異性含水介質(zhì)及多層空間三維結(jié)構(gòu)與非穩(wěn)定性質(zhì)的地下水流系統(tǒng),可用如下微分方程的定解問題來描述[6]:式中Kx、Ky、Kz為分別為x、y、z方向的滲透系數(shù);ε為含水層的源匯項(xiàng),1/d;S為自由水面以下含水層的儲水系數(shù),1/m;h為地下水位m;Ω為滲流區(qū);p為潛水面的蒸發(fā)和降水等,1/d;μ為潛水含水層給水度;h0為含水層的初始水位,m;Γ1為滲流區(qū)域的上邊界,即地下水位的自由表面;h1為上邊界自由表面的水位,m;Kn為邊界面法向滲透系數(shù),m/d;n為邊界面的法線方向;Γ2為滲流區(qū)域的下邊界;q為下邊界的面流量,m2/d;hs為黃河水位,m;σ為河流底部淤積層的阻力系數(shù)σ=L/Ks,其中L為底部淤積層的厚度,Ks為河流底部淤積層的滲透系數(shù),m/d ;Γ3為滲流區(qū)域的側(cè)向(含河流側(cè)補(bǔ))邊界。
黃河側(cè)滲影響帶水文地質(zhì)邊界條件概化見圖2。
利用各類數(shù)值模擬軟件建立三維地下水流數(shù)值模型刻畫上述數(shù)學(xué)模型。根據(jù)水文地質(zhì)條件對不同含水層劃分參數(shù)分區(qū),并依據(jù)各類相關(guān)勘察成果給各分區(qū)參數(shù)賦初始值,通過擬合同時(shí)期的流場和長觀孔的歷時(shí)曲線,識別水文地質(zhì)參數(shù)、邊界值和其他均衡項(xiàng),使建立的模型能更準(zhǔn)確地定量描述研究區(qū)地下水系統(tǒng),預(yù)測黃河側(cè)滲量及其變化趨勢。
3 黃河干流生態(tài)水量研究
河流地表水是一個(gè)整體,具有一定連續(xù)性,承載著保持河流形態(tài)、輸送淡水入海、為近海生物提供營養(yǎng)物、提供各種形態(tài)棲息地等多種功能。同時(shí),由于黃河水少沙多的特性,因此還必須考慮輸移泥沙、維持河槽過流能力等所需的水量。
3.1 輸沙水量
下游河道沖淤量與進(jìn)入下游的水量、沙量及來水來沙系數(shù)等因子關(guān)系密切。根據(jù)歷史水沙系列及河道沖淤資料,建立控制斷面來沙量、河道淤積度與控制站汛期輸沙水量的關(guān)系:
W=k1Ws-k2Δs+C(4)式中:W為利津站輸沙塑槽用水量,億m3;Ws為三黑?。ㄈT峽、黑石關(guān)、小浪底三站)沙量,億t;ΔWs為下游河段沖淤量,億t;k1、k2為系數(shù);C為常數(shù)。
3.2 非汛期生態(tài)水量
非汛期生態(tài)需水主要考慮包括保證河道不斷流、維持河口三角洲濕地、水體自凈、生物棲息環(huán)境保護(hù)等用水需求。在進(jìn)行生態(tài)水量計(jì)算時(shí),一般考慮河道不斷流、維持一定的河流規(guī)模(包括濕周、水面寬度、水面面積、水面縱比降等參數(shù))、河流水生生物的棲息環(huán)境、維持河道內(nèi)生物多樣性等生態(tài)目標(biāo),主要采用Tennant法、月(年)保證率設(shè)定法、最小月(年)法、濕周法、生境法等進(jìn)行計(jì)算,最后取各種算法計(jì)算結(jié)果的外包值[7]。
3.3 考慮懸河特性的生態(tài)水量探討
對于一般河流而言,豐水期河流對地下水有一定的補(bǔ)給作用,枯水期地下水會反向補(bǔ)給河流。由于黃河下游河床高于兩岸地面,因此河道向兩岸地下水的補(bǔ)給為單向補(bǔ)給,每年補(bǔ)給的水量對于緩解地下水超采產(chǎn)生了一定作用,也是維持下游河流兩岸生態(tài)系統(tǒng)的重要因素。下游生態(tài)水量在考慮河道不斷流、生物棲息環(huán)境、生物多樣性等因素的基礎(chǔ)上,必須考慮因“地上懸河”而引起的地下水側(cè)滲補(bǔ)給量,計(jì)算公式為
Q=W輸+max(QT,Qy,Qm,Qs,Q生)+Q滲(S)式中:Q為斷面生態(tài)需水量;W輸為輸沙水量;QT為Tennant法計(jì)算結(jié)果;Qy為月(年)保證率設(shè)定法計(jì)算結(jié)果;Qm為最小月(年)法計(jì)算結(jié)果;Qs為濕周法計(jì)算結(jié)果;Q生為生境法計(jì)算結(jié)果;Q滲為因懸河特性而激發(fā)的滲漏補(bǔ)給量。
4 結(jié)語
黃河作為中華民族的母親河,以占全國2%的河川徑流量承擔(dān)著全國巧%的耕地面積和12%人口的供水任務(wù)。黃河亦是世界上泥沙最多的河流,河道內(nèi)必須留足一定的水量用于輸沙入海。同時(shí),每年還需向流域外沿黃地區(qū)供水約100億m3,水資源供需矛盾極其尖銳。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,用水量不斷增加,生態(tài)水量被大量擠占,導(dǎo)致河道斷流、河床淤積、水體污染等一系列生態(tài)問題。黨的十八大報(bào)告指出生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的長遠(yuǎn)大計(jì),把生態(tài)文明建設(shè)放在了突出地位,融入經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會建設(shè)的各方面和全過程,提出了“五位一體”的總體布局。黃河作為中華民族的母親河,更應(yīng)該高度關(guān)注其生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與保護(hù)。黃河下游的“地上懸河”增強(qiáng)了河流向地下水的補(bǔ)給作用,具備特殊的生態(tài)作用,在下游生態(tài)環(huán)境水量的分析研究和管理過程中,應(yīng)充分考慮這一特點(diǎn),合理確定下游各斷面生態(tài)環(huán)境水量,為黃河水資源管理、生態(tài)環(huán)境調(diào)度和下游生態(tài)環(huán)境治理提供決策依據(jù),為維護(hù)母親河生命健康奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
[1]張金良,劉繼祥,萬占偉,等.黃河下游河道形態(tài)變化及應(yīng)對策略[J].人民黃河,201$,40(7):1-6.
[2]曾慶華.黃河下游二級懸河治理途徑的探討[J].泥沙研究,2004(2):1-4.
[3]胡一三.黃河治理瑣議筆談[M].鄭州:黃河水利出版社,2017:140-149.
[4]趙云章,邵景力,閆震鵬,等.黃河下游影響帶地下水系統(tǒng)邊界的劃分方法[J].地球?qū)W報(bào),2004,25(1):99-102.
[5]平建華,曹劍峰,蘇小四,等.同位素技術(shù)在黃河下游河水側(cè)滲影響范圍研究中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2004,34(3):399-304.
[6]曹劍峰,冶雪艷,姜紀(jì)沂,等.黃河下游懸河段斷流對沿岸地下水影響評價(jià)[J].資源科學(xué),2005,27(5):77-83.
[7]楊志峰,崔保山,劉靜玲,等.生態(tài)環(huán)境需水量理論、方法與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2009:26-30.