黃河下游河段滲漏耗水量時(shí)空變化分析

李紅良，李 焯，李曉宇

(黃河水利委員會(huì)水文局，河南 鄭州450004)

黃河下游開(kāi)展水量統(tǒng)一調(diào)度以來(lái)，為黃河有限水資源的合理利用和優(yōu)化配置發(fā)揮了重要作用. 由于兩岸引黃水量大，未控引水及自然耗水量影響因素復(fù)雜，加大了水量統(tǒng)一調(diào)度的難度.河道滲漏耗水量是黃河下游自然耗水量的重要組成部分. 黃河下游河段兩岸大堤內(nèi)外高差大，是著名的“地上懸河”，沒(méi)有地下水補(bǔ)給河道，黃河下游河川徑流向兩岸大堤以外的側(cè)滲水量即為河道滲漏耗水量. 針對(duì)黃河下游“地上懸河”的特殊地貌狀況，筆者利用豎管法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定河床沉積物的滲透系數(shù);以達(dá)西定律為基本數(shù)學(xué)模型，通過(guò)物理試驗(yàn)確定參數(shù)，把試驗(yàn)與數(shù)學(xué)建模相結(jié)合，開(kāi)展黃河下游河道的滲漏耗水量計(jì)算，并分析黃河下游河道滲漏耗水量的時(shí)空變化特征，為黃河下游水量統(tǒng)一調(diào)度提供技術(shù)支撐.

1 野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果

1.1 野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

野外現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)?zāi)軌蚧痉从吃囼?yàn)現(xiàn)場(chǎng)河床沉積物的實(shí)際情況，國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)進(jìn)行了較深入的研究［1－2］. 采用變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定含水層介質(zhì)或其他孔隙介質(zhì)的滲透系數(shù)已在水文地質(zhì)領(lǐng)域得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用. 此次研究在黃河花園口河段對(duì)河床沉積物同時(shí)進(jìn)行了豎管試驗(yàn)、變水頭滲透試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，所測(cè)得滲透系數(shù)值相對(duì)誤差小于0.6%.說(shuō)明兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果幾乎相同，可以在黃河下游河段進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn).

此次野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)在黃河下游干流花園口、高村、孫口、艾山、濼口等5 個(gè)水文站附近，選擇便于開(kāi)展試驗(yàn)的河段作為試驗(yàn)點(diǎn)和取樣點(diǎn)，進(jìn)行了為期4 d 的現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)，并在花園口站附近河段分別進(jìn)行了豎管、L 狀、中間有一定夾角的試驗(yàn)管試驗(yàn)，其他站附近河段僅進(jìn)行了豎管試驗(yàn)，圖1為豎管試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖.

圖1 滲透試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)［1］的研究，豎管內(nèi)沉積物的滲透系數(shù)可表示為

式中:Kv為垂向滲透系數(shù)，cm/s;Lv為直狀試驗(yàn)管內(nèi)沉積物長(zhǎng)度，cm;h1，h2分別為t1，t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的管內(nèi)水位，m.

由野外現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)及線性?xún)?nèi)插得到黃河下游各水文站的河床沉積物垂向滲透系數(shù)，見(jiàn)表1.

表1 實(shí)測(cè)垂向滲透系數(shù) m/d

1.2 野外現(xiàn)場(chǎng)豎管法測(cè)試滲透系數(shù)的合理性分析

1.2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果與其他研究成果對(duì)比分析

由現(xiàn)場(chǎng)所取河床沉積物顆粒分析可知，黃河下游河段以細(xì)粒土為主，屬于中低滲透性介質(zhì).其他研究成果中類(lèi)似滲透介質(zhì)的滲透系數(shù)為0. 086 ～0.864 m/d［3］.該次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果為0.19 ～0.71 m/d，在其他研究成果的范圍內(nèi).

1.2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果沿程變化分析

從表1可以看出，該次現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)所測(cè)定的滲透系數(shù)，由花園口至下游的濼口試驗(yàn)點(diǎn)，呈沿程減小趨勢(shì)，這與河床沉積物的顆粒粒徑沿程逐漸變細(xì)的趨勢(shì)基本一致.

通過(guò)以上分析可知，該次豎管法試驗(yàn)所測(cè)得的河床沉積物滲透系數(shù)是合理的，符合黃河下游河道的實(shí)際情況，可以在黃河下游河段的滲漏耗水量計(jì)算中應(yīng)用.

2 河道概化

黃河下游河道是舉世聞名的“地上懸河”，黃河河川徑流滲漏補(bǔ)給地下水有其獨(dú)有的特性. 黃河河床橫剖面概化如圖2所示.圖中:K1為河床沉積物的垂向滲透系數(shù)，m/d;K2為潛水含水層的垂向滲透系數(shù)，m/d;M1為河床沉積物的平均厚度，m;M2為滲入河床沉積物的河水在潛水含水層中流至長(zhǎng)觀孔的路徑長(zhǎng)度，m.

圖2 黃河滲漏補(bǔ)給地下水概化圖

黃河下游河段是“地上懸河”，兩岸大堤內(nèi)外的高差3 ～5 m，部分河段可達(dá)10 m.按照達(dá)西定律理論，只要有水位差存在，在重力作用下，河川徑流將源源不斷地滲入河道床面以下，轉(zhuǎn)化為兩岸大堤以外地下水，成為其主要補(bǔ)給源.

黃河河川徑流滲漏補(bǔ)給堤外地下水的水量大小不僅與大堤內(nèi)外地下水位的水位差有關(guān)，而且與河床沉積物顆粒及含水層的巖性有著密切的聯(lián)系. 由于歷年泥沙淤積的顆粒不同，所以河道床面以下沉積物呈多孔介質(zhì)地層結(jié)構(gòu)，為河川徑流滲漏并轉(zhuǎn)化為兩岸大堤以外的地下水創(chuàng)造了相應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境.

垂直于河床沉積物與含水層層面方向的等效滲透系數(shù)采用下式計(jì)算［4］，

在河道不斷流的情況下，滲漏補(bǔ)給地下水運(yùn)動(dòng)為飽和流運(yùn)動(dòng)，可利用地下水動(dòng)力學(xué)的基本定律——達(dá)西定律計(jì)算黃河下游滲漏耗水量.

3 黃河下游河段河道滲漏耗水量計(jì)算與分析

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)研究需要，按照在同一子河段內(nèi)應(yīng)具有河道形態(tài)基本均勻、河床沉積物基本處于同一地質(zhì)單元［5］，每個(gè)子河段都應(yīng)包含一個(gè)干流水文站的原則，以?xún)上噜徦恼镜闹悬c(diǎn)斷面作為子河段范圍的界定標(biāo)志，將花園口—利津河段分解為7 個(gè)子河段.經(jīng)概化后，各子河段的河床沉積物滲透系數(shù)及長(zhǎng)度見(jiàn)表2.

取兩相鄰水文站中點(diǎn)斷面處附近的水位作為子河段的河道內(nèi)水位，距黃河最近的長(zhǎng)觀孔的地下水位作為子河段的地下水位，中點(diǎn)斷面實(shí)測(cè)水面寬作為子河段的水面寬，中點(diǎn)斷面處的等效滲透系數(shù)作為子河段的等效滲透系數(shù)，根據(jù)達(dá)西定律，即可計(jì)算出子河段的滲漏耗水量，各子河段的滲漏耗水量之和即為整個(gè)黃河下游河段的滲漏耗水量.

表2 垂向滲透系數(shù)Kv 及長(zhǎng)度概化結(jié)果

3.2 計(jì)算結(jié)果

選取研究時(shí)段為1991—2005年.在分析黃河下游自然地理、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，采用研究時(shí)段內(nèi)各水文站水位資料、兩岸距離黃河較近的長(zhǎng)觀孔地下水位資料，計(jì)算各水文站點(diǎn)附近堤內(nèi)外水位差，并將計(jì)算結(jié)果概化至各子河段，結(jié)合各子河段的長(zhǎng)度、河床沉積物厚度、等效滲透系數(shù)等信息，應(yīng)用達(dá)西定律建立河道滲漏計(jì)算模型，計(jì)算黃河下游河段的月、年滲漏耗水量.黃河下游花園口—利津河段多年平均滲漏耗水量為7.892 億m3. 黃河下游花園口—利津河段1991—2005年各年及月均滲漏耗水量及各區(qū)間年均滲漏耗水量見(jiàn)表3—5.

表3 花園口—利津河段各年滲漏耗水量 億m3

表4 花園口—利津河段月均滲漏耗水量 億m3

表5 各區(qū)間年均滲漏耗水量 億m3

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

1)年際變化分析. 由表3可以看出，1996年的滲漏耗水量最大，為9.567 億m3，1997年的滲漏耗水量最小，為6.177 億m3，最大為最小的1.55 倍，年均滲漏耗水量為7.892 億m3. 研究時(shí)段內(nèi)，花園口站實(shí)測(cè)年均徑流量為233.37 億m3，說(shuō)明下游來(lái)水量的3.38%消耗于滲漏水量.由于下游河道水量除蒸散發(fā)與滲漏耗水外，還有人類(lèi)活動(dòng)因素的影響，因此，盡管花園口站實(shí)測(cè)徑流量與下游滲漏耗水量的年際變化過(guò)程相對(duì)應(yīng)，但并不完全一致.由于黃河下游河道沉積物及含水層的巖性對(duì)滲漏耗水量影響不大，滲漏耗水量主要受來(lái)水量的影響.當(dāng)來(lái)水量變化不大時(shí)，人類(lèi)活動(dòng)因素的影響將導(dǎo)致河道水量減少，下游年滲漏耗水量將會(huì)發(fā)生變化.

2)年內(nèi)變化分析.由表4可以看出，1991—2005年黃河下游8月份的平均滲漏耗水量最大，為0.911 億m3，占年均值的11.5%;2月份的平均滲漏耗水量最小，為0.430 億m3，占年均值的5.5%. 最大月均滲漏水耗量是最小的2.12 倍.黃河下游8月份月均來(lái)水量為32.27 億m3，是來(lái)水最豐的月份，其滲漏耗水量也最大. 盡管月均來(lái)水量1月份為10.67 億m3，是來(lái)水最枯的月份，但是，2月份兩岸工農(nóng)業(yè)引水比1月份明顯加大，導(dǎo)致沿程進(jìn)入下游河道的水量減少，這是2月份滲漏耗水量為最小的主要原因.在來(lái)水較枯的月份，人類(lèi)活動(dòng)是滲漏耗水量發(fā)生變化的主要因素.

3)黃河下游河段各區(qū)間年均滲漏耗水量沿程變化分析.由表5可知，在下游各區(qū)間的年均滲漏耗水量中，花園口—夾河灘區(qū)間達(dá)到3.303 億m3，為最大值.這是因?yàn)槟嗌尺M(jìn)入黃河下游寬淺游蕩性河段以后，粗顆粒泥沙絕大部分淤積在該區(qū)間，河床沉積物顆粒粗，孔隙率較大，為滲漏提供了有利的條件.越向下游，河床沉積物顆粒越細(xì)，孔隙率越小，越不利于滲漏，濼口—利津區(qū)間年均滲漏耗水量最小，僅為0.248 億m3.最大區(qū)間年均滲漏水量是最小的13.3 倍.

4)黃河下游水量調(diào)度省際斷面上下游變化分析.高村水文站為黃河下游水量調(diào)度省際斷面，由表5可知，花園口—高村區(qū)間年均滲漏耗水量為5.126 億m3，占花園口—利津區(qū)間多年平均值的65.0%，也就是說(shuō)，黃河下游河段的滲漏耗水量主要發(fā)生在花園口—高村區(qū)間.

5)斷流影響分析. 前期長(zhǎng)時(shí)間的斷流，造成堤外地下水位下降，當(dāng)汛期河道內(nèi)有水流通過(guò)時(shí)，就會(huì)加大河道內(nèi)水位與大堤以外地下水之間的水位差.若汛期來(lái)水量較豐，滲漏耗水量較常年偏多;若汛期來(lái)水量較枯，滲漏耗水量就會(huì)較常年偏少.

1996年利津站斷流時(shí)間共計(jì)136 d，當(dāng)年汛期來(lái)水量豐沛，花園口站實(shí)測(cè)年徑流量277.3 億m3，雖然1996年下游斷流相當(dāng)嚴(yán)重，但滲漏耗水量仍為最大.

1997年是黃河下游有資料記錄以來(lái)斷流最嚴(yán)重的一年，利津站斷流226 d，斷流河段長(zhǎng)度占花園口以下河長(zhǎng)的91%左右.花園口站實(shí)測(cè)年徑流量?jī)H為103.4 億m3，汛期來(lái)水量枯，所以1997年滲漏耗水量最小.

4 結(jié) 語(yǔ)

1)在黃河下游，花園口、高村、孫口、艾山、濼口等水文站附近采用豎管進(jìn)行河床沉積物滲透系數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，其結(jié)果分別為0. 71，0. 29，0. 34，0. 19，0.24 m/d.

2)黃河下游8月份的平均滲漏耗水量最大，為0.911 億m3;2月份的平均滲漏耗水量最小，為0.430 億m3;月均最大滲漏耗水量是最小的2. 12倍.1996年滲漏耗水量為9.567 億m3，是最大值;1997年年滲漏耗水量為6.177 億m3，是最小值;最大年滲漏耗水量是最小的1.55 倍.多年平均滲漏耗水量為7.892 億m3.

3)滲漏耗水量沿程有減少趨勢(shì). 上游花園口—夾河灘區(qū)間年均滲漏耗水量最大，達(dá)3.303 億m3;下游濼口—利津區(qū)間年均滲漏耗水量最小，為0.248 億m3;最大區(qū)間年均滲漏耗水量是最小的13.3 倍.

4)按黃河下游水量調(diào)度省際斷面分析，滲漏耗水量主要產(chǎn)生在花園口—高村區(qū)間，年均滲漏耗水量5. 126 億m3，占花園口—利津區(qū)間年均值的65.0%.

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