呂莊水庫水文站受水利工程影響的站網(wǎng)調(diào)整探析

史東凱

(山西省運城市水文水資源勘測分局，山西 呂莊 043800)

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呂莊水庫水文站受水利工程影響的站網(wǎng)調(diào)整探析

史東凱

(山西省運城市水文水資源勘測分局，山西 呂莊 043800)

呂莊水庫以上流域的水源開發(fā)已達到很高程度。為深入研究本流域產(chǎn)流特性，特選取1978～1984年試驗資料，該文從本流域自然地理及水利工程分布、徑流還原觀測簡介、河川徑流還原及其問題、地下水還原估算、泥沙還原及水利化影響下站網(wǎng)調(diào)整共六個方面予以論證，結(jié)論認為：在該流域必須把地面、地下水作為整體，從三水轉(zhuǎn)化的觀點來設(shè)計和調(diào)整站網(wǎng)。

呂莊水庫；徑流還原；河川徑流還原；地下水還原；泥沙還原；水文站網(wǎng)

呂莊水庫水文站位于山西省南部涑水河上游，1955年設(shè)站，原為區(qū)域代表站，1960年呂莊水庫建成后改為水庫站。1958年至1975年，該站上游修起大量小型水利工程，小水庫控制面積占68.5%；1972年后大量開發(fā)地下水，1981年井灌面積達12萬畝。地面地下水資源大量開發(fā)，改變了天然水文規(guī)律。

1 流域自然地理

呂莊水文站流域面積864 km2，流域東部、南部及北部近分水嶺為石山(占25%)或土石山區(qū)(占15%)；北中部與西北、西南為丘陵區(qū)(占46%)；流域中部為河谷平原區(qū)(占14%)。流域植被較差，僅石山區(qū)上游有少部分石山森林(占全流域6%)。

流域南山坡腳有順涑水河橫貫呂莊以上半個流域的中條山斷層；在呂莊上游約15 km，在北半流域有與涑水河正交的阜底斷層，成為地下徑流排泄帶。河谷平原區(qū)有涑水河三期古河床，其頂板埋深60～120 m，含水層厚度20～50 m，含水層巖性為砂卵石，富水性強。由于中條山斷層的影響，支流出山后河水大量滲入地下古河床，加之涑水河河道內(nèi)多年來大量挖沙取建材，加大了地表水向地下水轉(zhuǎn)化。據(jù)水利與地質(zhì)部門勘測，呂莊流域是地面水與地下水閉合流域，而且該流域上的較小流域也都是閉合流域，因此作為試驗流域是較理想的。

2 徑流還原觀測

本流域除呂莊水文站外，還有冷口水文站(1976年設(shè)立的小河站)。為加強沙渠河流域的試驗研究，1984年6月在近出口的孫村增設(shè)了一個小河站，兼作呂莊水庫的進庫站。

河川徑流的還原觀測，重點是抓小型水庫和渠道，起初只調(diào)整或委托觀測蓄變量和用水量，后來又加上排泄量；為反推入庫過程，庫水位觀測相應(yīng)加密；還在本庫和上游加設(shè)雨量點，以使小水庫起到小河站的作用。目前有小水庫委托觀測點6處，渠道引水量委托觀測點15處。為提高水量還原精度與進行泥沙還原，1981年至1983年先后對五座小(一)型水庫作了淤積測量，提供了新的、精度較高的庫容曲線。

在1982年還原分析中發(fā)現(xiàn)，地下水開采量在某些年份可達2 000萬 m3，約占總水量的三分之二，超過年徑流一半，因此地下水觀測、三水轉(zhuǎn)化試驗成了不容忽視的新課題，不然年徑流都無法還原。然而這方面正是我們薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的一點地下水動態(tài)長觀資料，無論從數(shù)量、質(zhì)量或項目都遠遠滿足不了需要。為此，1983年提出把地下水觀測分析作為重點抓，并把研究重點放到較小的沙渠河流域，已于1984年5月打成四眼專用觀測孔，在出口增設(shè)孫村小河站配套。

3 河川徑流還原及其問題

在本來意義上“還原”是指被蓄水、引水工程所調(diào)蓄與引用了的徑流過程與數(shù)量恢復(fù)到天然條件下狀態(tài)，用公式(1)表示為：

W天=W測+∑△V庫+∑Z+∑W灌

式中：W天為天然狀態(tài)下年、月、日次徑流；W測為實測到的徑流；∑△V庫為各水庫同一時段內(nèi)的蓄水變量；∑Z為各庫蒸發(fā)、滲漏損失；∑W灌為各庫、渠地面水灌溉引水量，在時段較長時要計入回歸水，應(yīng)改為∑(1-R1)W灌，R1為回歸系數(shù)。

上式右邊各項都能實測或調(diào)查估算。因此在以水庫、灌溉工程為主時徑流還原完全可行，一定條件下也能控制誤差。只在時段較短時(如次洪水或日還原)要適當考慮總工程地點至出口的傳播時間。洪水過程的還原要復(fù)雜些，但原則上也是可能的。

由于徑流還原沒有“真值”可比，目前一般都是基于地面蓄水、引水工程并不改變產(chǎn)流條件，因而前后降雨～徑流關(guān)系應(yīng)基本一致作為評判標準。這可以用統(tǒng)計檢驗的方法判定，也可以用類似預(yù)報誤差評定的簡單方法來衡量，習(xí)慣上常用±20%誤差以內(nèi)點據(jù)合格率來評定。

呂莊以上流域在1960年只有河灌，即使根據(jù)逐年報表上的實灌面積推算還原水量，年降雨～徑流關(guān)系和五十年代一致， 1956～1971年±20%范圍內(nèi)的點據(jù)占87%，偏離的1963、1964年是繼1962年豐水年之后連續(xù)的豐水年，所以徑流量明顯偏大。而1972年后同樣方法還原，點據(jù)則系統(tǒng)偏小，系未考慮地下水開采之故。月降雨徑流關(guān)系所反映的規(guī)律也相仿，以七月為例經(jīng)過地面用水還原后1956～1971年基本為一條線，而1972年后系統(tǒng)偏小30%～60%。

至于次洪水還原，呂莊以上沒有洪澆灌區(qū)，小水庫調(diào)蓄對洪量影響都有觀測值可還原。地下水開采會降低包氣帶土壤水含量，導(dǎo)致地表徑流產(chǎn)流量減少；但在豐水年因地下水開采形成的缺水量得到補充，產(chǎn)流量就將與天然狀態(tài)一致。呂莊站暴雨徑流關(guān)系，其中807與827兩次洪水要比原來減少38.4%和53.2%，這種影響是無法還原的；而1982年8月與1983年因流域不缺水，三次洪水產(chǎn)流量都與原關(guān)系相仿。需要說明，屬半干旱地區(qū)的我省產(chǎn)流問題十分復(fù)雜，目前沒有過關(guān)，以上只找了建庫前幾次洪水資料，用簡單的P+Pa～R關(guān)系做了比較，在數(shù)量上不能作為依據(jù)。

關(guān)于日徑流還原，對屬于自然徑流狀態(tài)(包括基流)并只受蓄水、引水工程影響的還原也可行，只不過要考慮匯流時間。但受地下水開采影響則無法還原。我們曾對呂莊流域用馬口模型和產(chǎn)、匯流模型摸索過日還原的可能性，除模型本身的缺陷外，結(jié)論都是否定的。

綜上所述，受蓄水、引水工程影響的徑流還原，無論對年、月、日以及次洪水都好辦，也不難控制精度；而呂莊流域還受地下水開采的強烈影響，對此除年徑流還原尚可能外，日、次洪和月徑流的還原都是不可能的。問題在于地下水開采是人為的，它的數(shù)量或時程分配絕不可能和天然徑流過程相協(xié)調(diào)；還由于地下水大量開采導(dǎo)致基流、地表流和潛水蒸發(fā)減少，促進三水轉(zhuǎn)化，相當程度上改變了水文規(guī)律，不可能用簡單辦法來還原。

4 地下水還原估算

1970年把打井作為北方水利化的主攻方向，1972年山西大旱許多河流地面水斷流，促使井灌大發(fā)展。呂莊以上流域1956年前平均每年增加井渠面積約千畝，1972年后平均每年增加約萬畝，1980年底總數(shù)達12萬畝。地下水埋深也逐年加大，1958年大雨后遍地是水，1962年后逐漸下降；沙渠河上南王灘1970年埋深為0.3 m，1982年11月下降到2 m左右；仁和灘原來下濕不能耕種，現(xiàn)已變?yōu)榱继?；橫水鎮(zhèn)1976年12月至1979年12月潛水埋深從8.9 m降到12.2 m。地下水開發(fā)，初期多為淺井，以后轉(zhuǎn)向深井，實際上為混采，同樣影響潛水。

地下水的大量開采，首先奪取了河川基流量，減少了潛水蒸發(fā)，改變了產(chǎn)流條件，也將使地表徑流減少，原來地下水(基流)的天然排泄過程當然面目皆非了。這樣的條件下作徑流還原當然和原概念不同了。在呂莊年徑流還原中我們曾在(1)式基礎(chǔ)上應(yīng)用公式(2)：

W天=W測+∑△V庫+∑Z+∑(1-R1)W灌+∑(1-R2)W采+∑△V地下+Z潛

式中：W采為淺層地下水開采量；R2為井灌回歸系數(shù)；∑△V地下=100U△HF(萬 m3)為地下蓄水變量，U為給水度；Z潛為潛水蒸發(fā)量。

由于資料限制，開采量用每年澆地畝次估算，R2取0.25；地下水蓄變量的水位變幅用各長觀井(共6～8個井)的算術(shù)平均值，面積固定取平原與低丘陵區(qū)面積249 km2，呂莊以上以亞砂土為主，據(jù)地下水資源評價中分析給水度U=0.054；潛水蒸發(fā)因地下水觀測井太少埋深圖等資料不夠準確，故在估算時忽略。

經(jīng)過地下水還原后的1979～1983年點據(jù)大部分落到還原關(guān)系線±20%區(qū)內(nèi)，其中1983年為繼1982年后連續(xù)豐水年，和1963年、1964年相仿，徑流量偏大。

促使呂莊以上地面地下水轉(zhuǎn)化還有一個特殊的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件。前已提到，南山坡順河方向斷層使支流河水出山后又鉆入地下補給河谷平川區(qū)地下水；而垂直河道的阜底斷層把涑水河古河床與各支流補給量又都排泄出來，形成呂莊來水中豐沛的基流。另外，從陳村水庫以下至橫水鎮(zhèn)喬寺村長30公里河段為嚴重漏水河段，河床本身都為砂卵石，1969年后由于大量挖砂石建材，滿河床呈現(xiàn)坑凹狀，使漏水量更加大。

5 泥沙還原問題

水利工程地區(qū)除徑流還原外，還要進行泥沙還原。這方面我們所做的工作僅能粗略地估算水庫淤積量。

呂莊水庫本庫的淤積測量按管理體制由工管部門進行，呂莊水文站協(xié)助過外業(yè)。上游五個小(一)型水庫的淤積測量內(nèi)外業(yè)均為呂莊水文站組織進行。

水庫淤積量是通過對歷次實測庫容曲線的分析來進行，系根據(jù)“多沙河流水庫庫容特征分析及預(yù)估”一文方法做的。其中呂莊水庫1958年原始庫容測時精度較差，至1964年第二次測時不僅沒有淤積，反而增加了400萬 m3。這次分析采用1956至1983年系列，其中1960至1964年淤積量采用水資源評價的數(shù)據(jù)。楊家園水庫為平原水庫，主要起緩洪作用，該庫1958年原始庫容用假定基面，1976年第二次測時用大沽基面，二者轉(zhuǎn)換關(guān)系未搞清，故該段淤積測量無法進行計算。但該庫基本未淤。

由于各水庫最后一次測淤年限不同，而這次淤積計算統(tǒng)一算到1983年測淤后年份的淤積量按汛期雨量比外延。由淤積量轉(zhuǎn)化為侵蝕模數(shù)時淤積物容重按1.3計算。

陳村、紫家、三河口、小澗河水庫與冷口水文站自然地理條件相近，觀測年限(大部分為1976年前后至1983年)也相近，但侵蝕模數(shù)卻出入較大，其中尤以紫家水庫最小，按植被等條件為不合理。據(jù)各水庫反映，其原始庫容曲線測制都很粗糙，所以據(jù)以計算的淤積量也不準，為減少誤差可取四庫平均侵蝕模數(shù)值1 370 t/km2與冷口水文站根據(jù)實測輸沙量計算的侵蝕模數(shù)721 t/km2之比為1.90。據(jù)山東省資料山丘區(qū)河流泥沙的總懸比為1.94，二者十分接近。呂莊水庫本庫1960至1983年淤積568萬 t，侵蝕模數(shù)356 t/km2；加上上游小水庫淤積還原量后，侵蝕模數(shù)達到436t/km2；如再加上建庫前1956至1959年輸沙資料，則侵蝕模數(shù)為473 km2。水資源評價中呂莊上游侵蝕模數(shù)346 t/km2，系未加上游還原值。呂莊水庫為平原水庫，所以泥沙還原后侵蝕模數(shù)較小是合理的。其上游橫水鎮(zhèn)附近很長一段河道多年來大量挖取砂石建筑材料，其數(shù)量很難估計，實際的侵蝕模數(shù)將大于以上值。

6 水利化影響下呂莊流域水文站網(wǎng)調(diào)整

呂莊流域多年平均河川徑流量為4 340萬 m3。自呂莊水庫運用以來，曾經(jīng)棄水的只有1964、1982、1983年，總棄水量不大，約占總來水量的百分之幾。由于地下水大量開發(fā)，較干旱年份幾乎沒有地表水(1979年呂莊進庫僅11萬 m3)。這些數(shù)據(jù)和情況說明，呂莊以上流域水資源的開發(fā)程度已經(jīng)非常高了。在絕大部分水資源被利用，特別是大量開發(fā)地下水的條件下，水文站網(wǎng)已不僅是調(diào)整問題了，更亟需重新布局。

我們設(shè)想?yún)吻f流域的水文站網(wǎng)應(yīng)當包括四部分：第一部分為雨量蒸發(fā)觀測站網(wǎng)，為水資源計算所需的站應(yīng)長系列觀測，其它需要的站非長期觀測。第二部分為小河站與試驗站，主要解決水文、水資源計算參數(shù)。這部分站并不長時期收集資料，利用雨量計算水資源達到必要精度時即可撤銷?，F(xiàn)有冷口、孫村兩處小河站，孫村應(yīng)發(fā)展為三水轉(zhuǎn)化實驗站，還應(yīng)增加一處黃土丘陵區(qū)小河站。第三部分為水利工程水文觀測站，類似國外的水管理站，其任務(wù)為水文測報、水資源管理調(diào)度與工程管理運用等。該站應(yīng)按水系設(shè)立，還應(yīng)監(jiān)管上游小型工程的測報管理。在現(xiàn)行管理體制下還可以保留水文站。呂莊上游五個小(一)型水庫除楊家園水庫兼為進庫站外，陳村、紫家、三河口、小澗河四庫加冷口其控制流域面積24.3%，卻控制了水量的81.8%(1979至1983年統(tǒng)計)，是主要產(chǎn)流區(qū)，這些小水庫都可兼作小河站用。第四部分為地下水觀測系統(tǒng)：包括以專用觀測孔為主的動態(tài)觀測井網(wǎng)；各種水文地質(zhì)參數(shù)觀測，試驗孔以及三水轉(zhuǎn)換專用試驗孔；開采量觀測井網(wǎng)等。

7 結(jié)語

呂莊水庫以上流域的水資源開發(fā)已達很高程度。本文借用1978～1984年試驗分析資料進行分析，對于像呂莊這樣高開發(fā)地區(qū)的水文站網(wǎng)不僅要調(diào)整，還應(yīng)從三水轉(zhuǎn)化角度出發(fā)，地面、地下一起抓，重新布局，才能較為全面客觀的反映呂莊流域水利特性，更好地為防汛搶險和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

P331.1

B

1004-1184(2016)06-0117-02

2016-08-15

史東凱(1970-)，男，山西聞喜人，工程師，主要從事水文測驗、水文資料整編與分析工作。