桑干河下游石朝區(qū)間泥沙系列的研究、分析與確定

劉淑紅

（海河水利委員會科技咨詢中心，天津 300170）

1 研究的意義

桑干河石朝區(qū)間跨河北省張家口市陽原、蔚縣、宣化、涿鹿四縣，流域面積740 km2。區(qū)內(nèi)河谷狹窄，巖壁陡峻，泥沙輸移過程中沒有自然沉積區(qū)。同時，本區(qū)分布著許多高、寬、深、大的坡積沖溝和構造性滑坡帶，強烈土壤侵蝕和極強烈土壤侵蝕面積占很大比重，推移質(zhì)儲量達10億～15億t。加之距暴雨中心較近，不僅坡面侵蝕劇烈，而且易形成滑坡。一旦滑坡出現(xiàn)，則大體積沙石泥土迅速輸向下游，使下游輸沙量猛增。據(jù)1957—1973年實測資料，17年間平均輸沙量達505萬t，平均輸沙模數(shù)0.68萬t/（km2·a）。

可見，石朝區(qū)間雖然流域面積小，但產(chǎn)沙強度高，對官廳水庫的泥沙淤積影響相對較大。在20世紀70年代以后，特別是1983年水土保持重點治理以來，上游水土流失治理得到加強，而本區(qū)由于治理難度較大，治理速度相對緩慢，已成為對官廳水庫威脅最大的1個沙源。因此，對石朝區(qū)間的泥沙系列開展研究、分析，盡可能地延長其輸沙量系列及出口站朝陽寺輸沙量系列，估算不同狀態(tài)下輸入官廳水庫的沙量，以促使有關部門采取相關措施進行綜合治理，減少官廳水庫淤積、增加興利庫容，對下游北京市、河北省乃至天津市的防洪安全和供水安全都具有重大的現(xiàn)實意義。

2 實測資料的研究分析

進口站 （石匣里）有1951—2004年共54年資料，出口站（朝陽寺）有1957—1973年共17年資料。先依據(jù)兩站的實測（逐年）雨、沙資料及下游涿鹿站實測逐年降雨資料，計算整理不同階段均值。經(jīng)研究、分析，得出以下結論：

2.1 長系列輸沙量研究分析

冊田水庫修建前 （1957—1959年）和修建后（1960—1973年）相比，2個階段的量值差異很大。在降水量方面，前者均值為423 mm/a，后者均值為296 mm/a，前者是后者的1.43倍。在輸沙量方面，石朝區(qū)間前者均值為1 147萬t/a，后者均值為374萬t/a，前者是后者的3.07倍；而石匣里站前者均值為3 469萬t/a，后者均值為675萬t/a，前者是后者的5.14倍。這說明雖然石朝區(qū)間和石匣里以上2個區(qū)間輸沙量減小幅度都大于降水量的減小幅度，但石匣里以上冊（田）石（匣里）區(qū)間輸沙量減小幅度更大于石朝區(qū)間輸沙量減小幅度。也就是說，在冊田水庫建成后的1960—1973年14年間，人類活動對輸沙量的影響，冊石區(qū)間更甚于石朝區(qū)間。

2.2 短歷時輸沙量研究分析

從冊田水庫建成后的1979、1995年2個豐水年對比中，二者汛期降水量均為512 mm，而石匣里年輸沙量分別為404萬、93萬t，前者是后者的4.34倍。 從冊田水庫建成后的 1969、1973、1980、1996、2004年5個枯水年對比中，汛期降水量均值均在360 mm左右，而石匣里年輸沙量卻由1969年的725萬t降至2004年的12萬t，后者僅為前者的1/60。這說明，20世紀70年代以來的30多年里，伴隨著冊田水庫不排沙和冊石區(qū)間采取控制泥沙措施，石匣里輸沙量大幅度減少；與之相應，它與下游石朝區(qū)間產(chǎn)沙量之間的比例關系已發(fā)生新的變化，甚至可能使石朝區(qū)間輸沙量對官廳水庫的威脅產(chǎn)生質(zhì)的影響。這進一步表明，研究、分析以及延長、確定石朝區(qū)間泥沙系列具有重要的意義。

3 輸沙量系列的研究分析、延長與確定

3.1 相關分析

考慮到石朝區(qū)間實測1957—1973年17年輸沙量系列包括冊田水庫修建前的1957—1959年部分，而分析的主要目的又是延長冊田水庫修建后的1974年以后部分。為此，以1960—1973年系列為主、以1957—1973年系列為輔，開展了石朝區(qū)間年輸沙量、汛期降水量等相關計算。

（1） 在1957—1973年或1960—1973年這2個特定時間段內(nèi)，石匣里與朝陽寺兩站之間的年輸沙量關系較好，相關系數(shù)均在0.9以上。其中，1957—1973年線性相關式為S朝=1.317S石+139.6，這與1986年12月水利部海委 《水利水保工程對官廳水庫入庫水沙量影響的研究》中“S朝=1.27S石+167”的關系式十分相近。表明在這個期間，石匣里以上來沙量很大，它比石朝區(qū)間自身產(chǎn)沙量大得多，在朝陽寺輸沙量中占據(jù)著主導地位。但在這個期間以后，石匣里以上來沙量大幅度減少，使石朝區(qū)間產(chǎn)沙量在朝陽寺輸沙量中所占份額相應隨之大幅度提高，則這種較好的相關關系必然遭到破壞。

（2）研究對比石朝區(qū)間年輸沙量—石匣里汛期降雨量和石朝區(qū)間年輸沙量—石匣里平均汛期降雨量2組相關關系，可以有效地避開因石匣里以上來沙量變化劇烈對上述相關關系的影響。其相關系數(shù)相對較低，為0.77。同時，由于相關因子為“石朝區(qū)間輸沙量”，即石匣里、朝陽寺兩站輸沙量之差，不僅消除了冊石區(qū)間產(chǎn)沙量對石匣里和朝陽寺輸沙量的影響，也消除了冊田水庫的影響，從而也就不存在1957—1973年系列和1960—1973年系列的性質(zhì)不同。因此，這2組相關成果盡管相關系數(shù)相對較低，但就研究石朝區(qū)間輸沙量系列而言，意義較大。

3.2 系列延長及采用

根據(jù)相關關系，擬選擇具有典型意義的3個相關式進行系列延長及采用。

分別對石朝區(qū)間年輸沙量做延長計算。最后，經(jīng)綜合考慮確定采用相關關系式（2）的成果，并與實測系列組成1951—2004年石朝區(qū)間年輸沙量系列及相應朝陽寺年輸沙量系列。需要指出的是，這個系列是根據(jù)1957—1973年石朝區(qū)間實測輸沙量和石匣里實測汛期降雨量推算的，可稱作“60年代水平”的量，未計及1974年以來石朝區(qū)間自身治理可能發(fā)揮的作用，也未計及1974年以來涿鹿縣在朝陽寺斷面以上新增加的灌區(qū)引沙影響，所給輸沙量系列偏大。

考慮到石朝區(qū)間水土保持治理速度較慢，又受到大秦鐵路建設新增人為增沙因素影響，自身產(chǎn)沙不會減少許多。涿鹿縣20世紀70年代以來新增朝陽寺斷面以上灌區(qū)工程，如桑南灌區(qū)、七一大渠、桑北灌區(qū)引水口上移、劈山大渠擴建等，確能大量減少朝陽寺輸沙量及相應石朝區(qū)間輸沙量，但可分別另計入朝陽寺—官廳區(qū)間減滯沙量計算分析之中。因此，從防治泥沙危害角度出發(fā)，認為這個系列相對較為適宜。

4 朝陽寺含沙量系列的研究與確定

永定河上游灌區(qū)引洪用沙歷史悠久。一可滿足作物用水，二可將泥沙引入田間，控制泥沙下泄，對減輕官廳水庫淤積意義重大。涿鹿縣是永定河上游最大的引沙縣，每年約引沙300萬t，1975—1998年24年間共引沙約0.73億t，占張家口市引沙總量的1/4，占官廳全流域引沙總量的1/7，對減輕官廳淤積作用顯著。

涿鹿縣灌區(qū)引沙大部分分布在桑干河兩側，引水口集中于朝陽寺以上的涿鹿縣境河段。因此，以上述1957—1973年實測資料為基礎，分析研究并確定延長朝陽寺含沙量系列，對進一步研究涿鹿縣灌區(qū)引沙、桑干河末端河道沉積以及有關官廳泥沙等問題具有一定意義。

4.1 實測系列中特殊年處理

前面已指出，朝陽寺站有1957—1973年實測資料，現(xiàn)對該站和石匣里等站同期實測資料中的1967、1972年2個特殊年進行如下研究處理：

（1）1967年是冊田水庫建庫至2004年45年來唯一一個大沙年，該年冊田水庫排沙2 211萬t，占冊田水庫45年總排沙量2 947萬t的3/4，而且集中在8月5—13日內(nèi)。這9 d共排沙1 980萬t，其中8月11日下泄流量最大，日平均流量達1 140 m3/s，最大洪峰達1 510 m3/s。由于流量過大，下游陽原河段洪水漫灘，形成沉積，共沉積泥沙300萬t，使下游石匣里、朝陽寺增加的冊田下泄沙量由2 211萬t減少到1 911萬t。即使如此，仍相當于石匣里自身輸沙量909萬t的2.1倍和朝陽寺自身輸沙量1 859萬t的1.03倍。為此，需對本年實測資料進行扣減或剔除冊田水庫排沙影響的情況計算。

（2）1972年是一個特殊的枯水少沙年，該年石匣里汛期輸沙量只有22萬t，朝陽寺汛期輸沙量76萬t，說明朝陽寺汛期輸沙量主要是由石朝區(qū)間產(chǎn)沙構成的，石朝區(qū)間產(chǎn)沙量達朝陽寺汛期輸沙量76%，而石朝區(qū)間產(chǎn)沙量又是由8月1—7日1次降雨過程形成的。

由此可以看出，8月1—7日朝陽寺輸沙量75.92萬t（占朝陽寺汛期輸沙量76萬t的99.8%）中，來自石朝區(qū)間58.03萬t，占76.4%，并且主要發(fā)生在8月4日、8月6日，分別產(chǎn)沙36.91萬、13.44萬t，共占朝陽寺汛期輸沙量的2/3；日平均含沙量分別高達527.3、371.3 kg/m3。而石匣里來沙分別為 13.9萬、0.12萬t，日平均含沙量分別為74.5、2.79 kg/m3。這表明，在8月1—7日降雨過程中乃至汛期和全年朝陽寺實測輸沙量中，起關鍵作用的是8月4日、8月6日這2 d石朝區(qū)間的產(chǎn)沙，并且這2 d的石朝區(qū)間產(chǎn)沙主要由該區(qū)間孤立暴雨所形成，與其他年份相比有很大特殊性，不宜加入通常樣本系列分析。

4.2 長系列相關計算及延長

為延長冊田水庫建成后朝陽寺含沙量系列，在1960—1973年實測系列計算中需剔除 1972、1967年2個特殊年份，分別對石匣里—朝陽寺年含沙量和石匣里—朝陽寺汛期含沙量展開相關計算。經(jīng)運算，相關系數(shù)分別達0.937和0.919，表明相關關系很好。利用此延長系列的計算成果，可以采取相應措施，減少回淤或者計算興利庫容等。

同樣需要指出的是，本延長系列成果與前述1974—2004年石朝區(qū)間年輸沙量、朝陽寺年輸沙量的延長系列成果一樣，是依據(jù)1973年以前十幾年資料推算的，可稱作“60年代水平”的成果，因未計1970年以來石朝區(qū)間治理因素影響，可能與實際有一定誤差。若在工作中需該時段朝陽寺汛期各月含沙量時，可參照同年石匣里汛期各月含沙量與汛期平均含沙量的比例加以推算。

5 結語

通過以上對石朝區(qū)間長系列與短歷時的泥沙研究，認為官廳水庫泥沙由兩部分組成：一是未遭遇稀遇洪水的一般年份來沙量，即常規(guī)性入庫沙量，年均約2.6×106t/a；二是遭遇稀遇洪水時的短歷時泥沙，100年一遇、50年一遇、20年一遇的洪水時，估計來沙量分別約為 1.24×108、1.02×108、0.73×108t。

根據(jù)以上分析、相關計算及系列延長，建議在未來一段時間里，繼續(xù)加強官廳水庫上游的水土保持生態(tài)建設，特別是石朝區(qū)間的水土保持綜合治理工作，以緩解上游泥沙對官廳水庫淤積的影響。