黃河上游寧蒙河段平灘流量變化過程研究

董占地，吉祖穩(wěn)，王黨偉，胡海華

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 問題的提出

自20世紀(jì)60年代以來，隨著水利樞紐的修建和人類活動(dòng)的加劇，尤其是1986年龍羊峽和劉家峽水庫聯(lián)合調(diào)度運(yùn)用、沿黃工農(nóng)業(yè)用水的大量增加及降雨量減少等因素的影響，致使進(jìn)入寧蒙河段的水沙過程發(fā)生了較大變化，水沙搭配不盡合理，河道淤積日趨嚴(yán)重，致使主河槽萎縮、河道排洪輸沙能力不斷降低，使得該河段的防洪防凌形式日趨嚴(yán)峻［1－7］，因此，進(jìn)一步加快寧蒙河段的治理是十分必要的。由于平灘流量是指某一斷面的水位與該斷面灘唇相平時(shí)該斷面所通過的流量，它是河道主河槽過流能力的重要標(biāo)志，故對(duì)寧蒙河段平灘流量變化過程及其與來水量的響應(yīng)關(guān)系的研究，可為寧蒙河段河道的治理提供必要的技術(shù)支持。

由于黃河上游寧蒙河段受大型水利工程、引水渠、支流、排水溝以及十大孔兌等的影響，使得該河段的來水來沙不確定因素較多，致使其水位～流量關(guān)系有時(shí)不易準(zhǔn)確確定；還有，寧蒙河段沿程各河段的河型不盡相同，部分河道寬淺、水流散亂，斷面不穩(wěn)定，致使相應(yīng)的灘唇高程不易準(zhǔn)確確定。因此，黃河寧蒙河段平灘流量的確定有一定的困難和不確定性。在本次研究中所給出的寧蒙河段沿程各水文站的平灘流量，既不能代表黃河上游寧蒙河段的最大平灘流量，也不能代表黃河上游寧蒙河段的最小平灘流量，只是用它來反映黃河上游寧蒙河段平灘流量的平均情況。

在本次研究中所述平灘流量的具體計(jì)算方法有以下幾個(gè)步驟［8］：①點(diǎn)繪寧蒙河段各典型斷面逐年的斷面圖；②根據(jù)逐年的典型斷面的斷面圖確定相應(yīng)年份的汛后灘唇高程；③根據(jù)各典型斷面的逐日水文資料建立相應(yīng)年份的水位～流量關(guān)系 （如當(dāng)年沒有資料或高水位部分，參照相鄰年份的關(guān)系進(jìn)行外延）；④利用③中建立的水位～流量關(guān)系，查找②中確定的汛后灘唇高程所對(duì)應(yīng)的流量值，即為本次研究中所確定的平灘流量。

2 來水量的歷年變化情況

寧蒙河段內(nèi)主要設(shè)有下河沿、青銅峽、石嘴山、磴口、巴彥高勒、三湖河口、昭君墳和頭道拐8個(gè)水文站，其中下河沿站為寧夏河段的入口站，石嘴山站為寧夏河段的出口站，也是內(nèi)蒙河段的入口站，頭道拐為內(nèi)蒙河段的出口站。本文以下河沿、石嘴山和頭道拐3個(gè)水文站為例分析寧蒙河段的來水量歷年變化情況。

圖1和圖2分別為1965—2004年下河沿站和石嘴山站逐年的年、汛期、非汛期徑流量變化過程。

圖1 下河沿站1965—2004年徑流變化過程圖

圖2 石嘴山站1965—2004年徑流變化過程圖

圖3 頭道拐站1965—2004年徑流變化過程圖

由圖1～3可見，下河沿、石嘴山和頭道拐3個(gè)站1965—2004年多年平均年徑流量分別為289.40億，268.69億，205.80億m3，相應(yīng)的最大年徑流量均為1967年的509.13億，491.14億，434.87億 m3，相應(yīng)的最小年徑流量均為1997年的188.66億，160.15億，105.90億m3，前者分別為后者的2.7、3.1和4.1倍；3站汛期多年平均徑流量分別為144.64億，138.21億，103.15億 m3，分別約占相應(yīng)站多年平均徑流量的50.0%、51.4%、50.1%，相應(yīng)的最大汛期徑流量均為1967年的326.19億，323.65億，292.34億m3，相應(yīng)的最小汛期徑流量分別為79.65億，70.04億，32.83億m3，其最大汛期徑流量分別為最小汛期徑流量的4.1、4.6和8.9倍；3站非汛期多年平均徑流量分別為144.77億，130.48億，102.65億 m3，3站歷年非汛期徑流量變幅相對(duì)較小。

1968年10月劉家峽水庫開始蓄水，1986年以后又受龍羊峽水庫運(yùn)用的影響，加之降雨量的變化，使得寧蒙河段各水文站年徑流量和汛期徑流量均有所縮減。由上述數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析可知：①劉家峽水庫運(yùn)用期間，下河沿、石嘴山、頭道拐3站多年平均徑流量和汛期徑流量分別為318.80億，295.91億，237.47億 m3和169.13億，162.36億，128.77億m3；龍、劉水庫聯(lián)合運(yùn)用期間，3站多年平均徑流量和汛期徑流量分別為238.69億，216.10億，152.20億 m3和100.39億，94.22億，58.55億 m3，分別較前 一 時(shí) 段 約 減 少 25.1%、27.0%、35.9% 和 40.6%、42.0%、54.5%。由此可見，各水文站汛期年均徑流減少的百分比均要大于多年平均年徑流量減少的百分比，而且1986年龍羊峽運(yùn)行以后，較龍羊峽水庫運(yùn)行前衰減更為明顯；②寧蒙河段各水文站年徑流量和汛期徑流量均呈現(xiàn)沿程衰減的趨勢(shì)，而且內(nèi)蒙河段較寧夏河段衰減更為明顯；③劉家峽水庫單獨(dú)運(yùn)用期間，各水文站汛期徑流量和非汛期徑流量大小互現(xiàn)，1986年龍羊峽水庫運(yùn)用以后，各水文站汛期徑流量均明顯小于非汛期徑流量。

3 平灘流量的歷年變化過程

圖4為根據(jù)1965—2004年黃河上游寧蒙河段實(shí)測(cè)資料確定的沿程各水文站歷年汛后的平灘流量變化過程圖。由圖4可見，黃河上游寧蒙河段各水文站平灘流量的變化趨勢(shì)是基本相同的，總體上呈逐漸減小的趨勢(shì)，由20世紀(jì)60年代中期的3 600～5 800m3／s減小到目前的1 100～3 600 m3／s。

圖4 寧蒙河段各水文站平灘流量變化過程圖

從各時(shí)段來看，1968年劉家峽水庫投入運(yùn)行，由于水庫蓄水調(diào)節(jié)，使得進(jìn)入寧蒙河段的年均水量明顯減少，挾沙能力降低，平灘流量有所減小。1980年以后，由于黃河上游連續(xù)幾年出現(xiàn)了較為有利的水沙條件，使得寧蒙河段平灘流量又有所恢復(fù)，因此，1965—1986年黃河寧蒙河段沿程各水文站的平灘流量均呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì)；1986年以來，由于龍羊峽水庫的蓄水調(diào)節(jié)以及氣候條件和人為因素的影響，進(jìn)入寧蒙河段的水量持續(xù)偏少，特別是水庫對(duì)汛期洪峰流量的削減，排洪 輸沙能力降低，河槽淤積萎縮，致使1987—2004年黃河寧蒙河段各水文站平灘流量呈現(xiàn)快速減小的趨勢(shì)。①1965—1968年，黃河上游來水偏豐，該時(shí)期下河沿站和石嘴山站年均徑流量分別為417億，397億m3，寧夏河段各水文站和內(nèi)蒙河段各水文站平灘流量分別在4 000～5 000m3／s和3 600～5 200m3／s；②1969—1980年，黃河上游來水量較前期偏少，該時(shí)期下河沿站和石嘴山站年均徑流量分別為297億，275億m3，寧夏河段各水文站和內(nèi)蒙河段各水文站平灘流量分別減小到3 000～4 000m3／s和2 400～3 600m3／s；③1981—1986年，由于連續(xù)幾個(gè)豐水年，下河沿站和石嘴山站年均徑流量分別為362億，338億m3，寧夏河段各水文站和內(nèi)蒙河段各水文站平灘流量分別恢復(fù)到3 600～4 900m3／s和3 200～4 100 m3／s；④1986年以后，黃河上游來水量大幅減少，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20a之久，下河沿站和石嘴山站1987—2004年年均徑流量分別為239億，216億m3，致使寧蒙河段平灘流量持續(xù)減小。到2004年為止，寧夏河段各水文站和內(nèi)蒙河段各水文站平灘流量分別減小到1 700～3 600m3／s和1 100～2 100m3／s，尤其是內(nèi)蒙河段三湖河口站平灘流量減小最為明顯，從1986年的4 100m3／s左右減小到2004年的1 100m3／s左右，這也從一定程度上反映出1986年以來三湖河口站附近淤積最為嚴(yán)重，該河段也成為內(nèi)蒙古河段過流能力最小的 “卡口河段”。

4 平灘流量與來水量的響應(yīng)關(guān)系

黃河上游寧夏河段和內(nèi)蒙河段沿程各水文站歷年汛后平灘流量與年水量、汛期水量的關(guān)系見圖5～8。由圖5～8可見，黃河寧蒙河段平灘流量與年水量、汛期水量均具有一定的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均在0.55以上。年水量越大，造床能力越強(qiáng)，平灘流量也相應(yīng)地越大；同樣，汛期水量越大，平灘流量也相應(yīng)越大。黃河上游寧夏河段和內(nèi)蒙河段各水文站平均平灘流量與年水量、汛期水量分別有如下關(guān)系式：

式中：Q平為相應(yīng)河段平均的平灘流量，m3／s；W年為相應(yīng)河段各水文站年水量，億m3；W汛為相應(yīng)河段各水文站汛期水量，億m3。

利用式 （1）和式 （3）可以分別計(jì)算得到，當(dāng)年水量為200億m3時(shí)，寧夏河段的平均平灘流量約為3 104m3／s，內(nèi)蒙河段的平均平灘流量約為2 826m3／s；當(dāng)年水量為300億m3時(shí)，相應(yīng)的平均平灘流量分別約為4 250，3 960m3／s；利用式 （2）和式 （4）同樣可以計(jì)算得到，當(dāng)汛期水量為80億m3時(shí)，寧夏河段的平均平灘流量約為3 120m3／s，內(nèi)蒙河段的平均平灘流量約為2 875m3／s；汛期水量為170億m3時(shí)，其相應(yīng)的平均平灘流量分別約為4 292，4 022m3／s。

圖5 寧夏河段平灘流量與年水量的響應(yīng)關(guān)系圖

圖6 寧夏河段平灘流量與汛期水量的響應(yīng)關(guān)系圖

圖7 內(nèi)蒙河段平灘流量與年水量的響應(yīng)關(guān)系圖

圖8 內(nèi)蒙河段平灘流量與汛期水量的響應(yīng)關(guān)系圖

另外，從圖5～8還可以看出，黃河上游寧夏河段和內(nèi)蒙河段平灘流量與相應(yīng)水文站年水量和汛期水量的關(guān)系均是一條關(guān)系帶，表明其平灘流量除了與當(dāng)年的年水量和汛期水量有關(guān)外，還與流量過程等因素相關(guān)。為了研究流量過程對(duì)主河槽過流能力的影響，進(jìn)一步分析了寧夏河段和內(nèi)蒙河段各水文站當(dāng)年的最大日均流量與相應(yīng)的平灘流量的響應(yīng)關(guān)系 （見圖9～10）。

圖9 寧夏河段平灘流量與最大流量的響應(yīng)關(guān)系圖

由圖9～10可見，黃河寧蒙河段平灘流量與相應(yīng)年份的最大日均流量均具有較好的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均在0.65以上，在年 （汛期）來水量一定時(shí)，最大日均流量越大，造床能力越強(qiáng)，平灘流量也相應(yīng)地越大；相反，最大日均流量越小，造床能力越弱，平灘流量也相應(yīng)地越小。黃河上游寧夏河段和內(nèi)蒙河段各水文站平均平灘流量與相應(yīng)的最大日均流量分別有如下關(guān)系式：

圖10 內(nèi)蒙河段平灘流量與最大流量的響應(yīng)關(guān)系圖

式中：Q平為相應(yīng)河段平均的平灘流量，m3／s；Qm為相應(yīng)河段各水文站當(dāng)年最大日均流量，m3／s。

利用式 （5）和式 （6）計(jì)算可以得到，當(dāng)最大日均流量為1 000m3／s時(shí)，寧夏河段的平均平灘流量約為2 569 m3／s，內(nèi)蒙河段的平均平灘流量約為1 297m3／s；當(dāng)最大日均流量為2 500m3／s時(shí)，寧夏河段和內(nèi)蒙河段的平均平灘流量分別約為3 884，3 107m3／s。

由上述分析可知，黃河上游年 （汛期）來水量是影響黃河寧蒙河段平灘流量的主要因素，同時(shí)其流量過程也在一定程度上決定著寧蒙河段平灘流量的大小。因此，在采用式 （1）～ （4）對(duì)寧蒙河段近年來的平均平灘流量進(jìn)行估算時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其計(jì)算值要大于實(shí)際值，這主要就是因?yàn)?986年龍、劉2庫聯(lián)合調(diào)度后，汛期削峰蓄水，凡流量超過1 000m3／s的洪水都受到不同程度的削減，出庫洪水流量很少超過2 000m3／s，導(dǎo)致500～1 000m3／s的水流出現(xiàn)天數(shù)相對(duì)大幅增加，全年流量過程趨于均勻，而大流量水流作用相對(duì)衰減，平枯水的作用相對(duì)增強(qiáng)，進(jìn)而促使主槽淤積增多，平灘流量減小。同樣，由于流量的減小，利用式 （5）和式 （6）也可以得到平灘流量減小的結(jié)論。譬如，內(nèi)蒙河段三湖河口站，根據(jù)實(shí)測(cè)資料該站2004年年來水量為121億m3，利用式 （3）計(jì)算可得三湖河口站平灘流量為1 582m3／s，而當(dāng)年最大日均流量?jī)H為992m3／s，利用式 （6）計(jì)算可得，其平灘流量為1 285m3／s，前者較后者偏大23.1%，而后者較前者更接近實(shí)際情況。

因此，在前述中，當(dāng)年水量為200億m3和汛期水量為80億m3時(shí)，只有當(dāng)年最大日均流量分別達(dá)到1 600，2 250 m3／s時(shí)，寧夏河段和內(nèi)蒙河段的平均平灘流量才能分別達(dá)到3 100，2 850m3／s左右；當(dāng)年水量為300億 m3和汛期水量為170億m3時(shí)，只有當(dāng)年最大日均流量分別達(dá)到2 700，3 600m3／s時(shí)，寧夏河段和內(nèi)蒙河段的平均平灘流量才能分別達(dá)到4 300，4 000m3／s左右。

5 主要認(rèn)識(shí)

寧蒙河段平灘流量隨時(shí)間呈減小的趨勢(shì)，特別是1986年龍羊峽水庫運(yùn)用后減小更為明顯，已由20世紀(jì)60年代的3 500～5 200m3／s減小到2004年的1 100～3 600m3／s，其中，寧夏河段由20世紀(jì)60年代的4 000～5 000m3／s減小到2004年的17 00～3 600m3／s；內(nèi)蒙古河段由20世紀(jì)60年代的3 600～5 200m3／s減小到2004年的1 100～2 100m3／s，尤其是內(nèi)蒙古河段三湖河口站的平灘流量減小最為明顯，從1986年的4 100m3／s左右減小到2004年的1 100m3／s，內(nèi)蒙古河段平灘流量減小幅度大于寧夏河段。

寧蒙河段平灘流量與年和汛期來水量是相對(duì)應(yīng)的，其具有隨年和汛期來水量增加而增大的規(guī)律，這一特征除主要受當(dāng)年來水量影響外，還受當(dāng)年洪水過程等的影響。實(shí)測(cè)資料分析表明，當(dāng)年來水量為200億m3或汛期來水量為80億m3時(shí)，寧夏河段和內(nèi)蒙古河段的平灘流量分別為3 100，2 850m3／s左右；當(dāng)年來水量為300億 m3時(shí)或汛期來水量為170億m3時(shí)，寧夏河段和內(nèi)蒙古河段的平灘流量分別約為4 300，4 000m3／s。

需要指出的是，上述認(rèn)識(shí)是在分析平灘流量由大到小、主河槽逐漸萎縮 （淤積過程）的過程中得到的，而塑造和維持寧蒙河段輸水輸沙通道是使萎縮的主河槽逐漸擴(kuò)大（沖刷）的過程，上述2個(gè)過程中河道與來水量的響應(yīng)是有差別的，沖刷過程相對(duì)更困難一些。

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