榆神工業(yè)園區(qū)引水工程黃河萬鎮(zhèn)斷面的泥沙特征分析

袁水龍 ，張 飛 ，陳田慶

（1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075；2.陜西省寶雞市馮家山水庫管理局,陜西 寶雞 722402）

黃河以水少沙多、含沙量高而著稱，其多年平均輸沙量16億t，天然徑流量534億m3[1]。大量學(xué)者對黃河的泥沙特性，礦物質(zhì)組成以及水沙關(guān)系進(jìn)行了研究[2-4]。從多泥沙河流取水，泥沙含量不僅會對水泵工作參數(shù)有明顯的影響，而且會導(dǎo)致前池、進(jìn)水池、出水池和渠道產(chǎn)生游積[5]。因此，在規(guī)劃、設(shè)計這類取水工程時，泥沙問題應(yīng)予以研究處理，否則將給今后的運(yùn)行、維修和管理造成極大的困難。榆林能源化工基地是陜北能源化工基地的重點(diǎn)地區(qū)，是經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)的國家級能源基地。榆神工業(yè)區(qū)萬鎮(zhèn)引水工程位于神木縣境內(nèi)，以黃河漫灘地下水與黃河地表水為水源，工程地表水取水口在萬鎮(zhèn)境內(nèi)，該區(qū)域地處黃河中游黃土高原地貌區(qū)，水土流失嚴(yán)重，黃河含沙量高。取水口斷面的泥沙特征量將直接影響到泥沙處理方式及水泵型號的選擇，因此必須清楚了解該斷面的泥沙特征量。

1 工程概況

本工程的取水位置位于黃河中游上段萬鎮(zhèn)境內(nèi)。黃河中游地區(qū)除河曲、保德、府谷附近河谷較寬之外，其余絕大部分河段河寬僅200~400 m。黃河中游地區(qū)面積的61%為黃土高原地帶，溝壑縱橫，支流眾多，水土流失嚴(yán)重，大量泥沙進(jìn)入黃河，導(dǎo)致黃河成為世界上含沙量最多的河流，年輸沙模數(shù)一般在10000 t/km2至 20000 t/km2，最高可達(dá) 25000 t/km2，最大年輸沙量高達(dá)39.1億t（1933年），龍門站最高含沙量為933 kg/m3，三門峽站多年平均輸沙量約16億t，其中90%來自汛期，平均含沙量35 kg/m3。取水口斷面附近的水文站有黃河干流上的府谷站和吳堡站，以及支流窟野河的溫家川站，其中上游的府谷站距取水口114 km，下游的吳堡站距取水口122 km。

2 水文基本資料

府谷水文站位于萬鎮(zhèn)取水口上游114 km處，設(shè)立于1972年1月，至河口距離1786 km，集水面積404039 km2。

吳堡水文站位于萬鎮(zhèn)取水口下游約122 km處，設(shè)立于1935年6月，至河口距離1544 km，集水面積433514 km2。該測驗河段基本順直，中高水位單式河槽，河床為卵石細(xì)砂組成。

萬鎮(zhèn)取水口至上游府谷區(qū)間的較大支流為窟野河。窟野河于1953年7月設(shè)立溫家川水文站，距離河口7.5 km。距離窟野河河口14 km，集水面積8515 km2，各水文站基本情況見表1。

表1 水文站基本情況一覽表

3 泥沙特征值分析

3.1 輸沙量分析

黃河萬鎮(zhèn)取水口斷面位于府谷水文站與吳堡水文站之間，因此選擇府谷站與吳堡站作為設(shè)計依據(jù)站。取水口斷面距上游府谷站114 km，距下游吳堡站122 km，與上下游站距離均較遠(yuǎn)，取水口上游14 km處為含沙量極大的窟野河，首先選用府谷站與吳堡站1976~2012年37年同期實測泥沙資料推求各站點(diǎn)的泥沙特性，然后選用插值法和水文比擬法兩種方案進(jìn)行比較，最終選擇一個合理值作為取水口斷面的特征值。

對1976~2012年的天然年輸沙量系列進(jìn)行頻率分析，用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，通過目估適線法進(jìn)行調(diào)整，最終求得府谷站多年平均年輸沙量為10382萬t，吳堡站為24154萬t，府谷站變差系數(shù)Cv=1.09，吳堡站變差系數(shù)Cv=0.76，偏態(tài)系數(shù)Cs按經(jīng)驗取2.5倍的Cv，計算結(jié)果見表2。

表2 年輸沙量頻率分析成果表 單位：萬t

表3 吳堡站類比結(jié)果

表4 府谷站類比結(jié)果

表5 面積插值法結(jié)果

由于萬鎮(zhèn)設(shè)計斷面沒有實測的水文資料，所以在該處以府谷站與吳堡站作為參證站，應(yīng)用水文比擬法和插值法計算得到設(shè)計斷面的年輸沙總量。計算結(jié)果分別見表3至表5，由上面的計算結(jié)果可以看出，選用不同的方法計算的結(jié)果有差異，面積插值法計算的結(jié)果介于水文比擬法府谷、吳堡站計算結(jié)果之間，考慮到取水口斷面上游附近的窟野河泥沙含量極大，從工程設(shè)計安全的角度出發(fā)，應(yīng)該選擇用距離萬鎮(zhèn)斷面122 km的下游吳堡站的面積比擬法計算得到的結(jié)果作為萬鎮(zhèn)斷面的設(shè)計年輸沙量。即多年平均輸沙量為23605萬噸，p=0.2%,p=1%,p=2%,p=3%,p=10%的設(shè)計年輸沙量分別為115235萬t、87344 萬 t、75287 萬 t、66379 萬 t、47115 萬 t。

3.2 含沙量分析

利用實測府谷和吳堡同期系列泥沙資料（1976~2012年），統(tǒng)計實測的37年系列兩站含沙量，采用年平均含沙量系列求得兩個水文站相應(yīng)不同頻率下的設(shè)計值，根據(jù)水文比擬法和面積插值法得到取水口斷面相應(yīng)的泥沙含量。通過對府谷、吳堡兩站年平均含沙量頻率分析，得出兩站不同頻率的年均含沙量見表6。同樣應(yīng)用兩種不同的方法計算取水口斷面的泥沙含量，計算結(jié)果見表7~表9，通過比較，發(fā)現(xiàn)用吳堡站類比得到的設(shè)計斷面含沙量略大于插值法計算結(jié)果，取對工程最不利的結(jié)果，以吳堡站作為泥沙含量計算的參證站，用類比法得到取水口斷面的泥沙含量。即年平均含沙量為10.9 kg/m3，不同設(shè)計頻率 p=0.2%,p=1%,p=2%,p=3%,p=10%分別為 48.61、37.38、32.49、28.87、20.97 kg/m3。

表6 不同頻率含沙量

表7 吳堡站類比結(jié)果

表8 府谷站類比結(jié)果

表9 面積插值法計算年平均含沙量

4 顆粒級配分析

4.1 多年平均顆粒級配分析

考慮到在設(shè)計斷面附近窟野河的泥沙含沙量大且顆粒較粗，所以在泥沙顆粒級配分析中應(yīng)該選取府谷、吳堡、溫家川三個站來分析，由于收集到的資料有限，分析時將資料劃分為三個時間階段對比分析，分別為1976~1979年、1980~1990年、2006~2010年，對該三個階段的多年平均顆粒級配進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表10，結(jié)果表明：府谷站在三個階段的中值粒徑分別為：0.045、0.024、0.011mm，吳堡站為：0.046、0.029、0.021 mm，溫家川站為：0.096、0.056、0.01mm，該三站的中值粒徑均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢。

4.2 多年汛期泥沙顆粒級配分析

汛期泥沙級配分析首先要確定該流域汛期時間，結(jié)合該流域的汛期洪水形成成因情況，確定每年春汛時間為3~4月，伏汛時間為6~10月。黃河流域含沙量近年來有減少趨勢，尤其是在2000年以后泥沙顆粒最細(xì)，因此選擇最近的2006~2010年為代表期，對府谷站、吳堡站、溫家川站近年來汛期泥沙顆粒級配進(jìn)行分析，得到府谷站春汛、伏汛的中值粒徑分別為0.012 mm、0.011 mm，吳堡站分別為 0.026 mm、0.031 mm，溫家川站分別為0.033mm、0.015mm，詳見表11，表12。

表10 多年平均泥沙特征值分析表

表11 2006～2010年汛期平均顆粒級配表

表12 多年汛期的泥沙顆粒級配分析表

4.3 取水口斷面顆粒級配分析

由于窟野河含沙量大且距離取水口較近，因此本研究選擇窟野河溫家川站的顆粒級配情況直接代替取水口斷面情況，同時結(jié)合府谷與吳堡站插值計算得到的取水口斷面顆粒級配情況，二者相互比較得到取水口斷面的最終結(jié)果。考慮到黃河泥沙近年來變化趨勢，選擇最近的2006~2010年連續(xù)5年的泥沙分析結(jié)果，采用兩種方法得到取水口斷面多年平均、春汛平均和伏汛平均的泥沙顆粒特性，見表13，由表可知插值法計算的多年平均、春汛平均及伏汛平均的泥沙顆粒級配整體上比較接近。對比兩種方法的計算結(jié)果，可看出溫家川站小于0.05mm的泥沙含量除春汛外都是略大于插值計算結(jié)果的。從前文對府谷站、吳堡站與溫家川站的泥沙顆粒級配分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在2006年以前窟野河的泥沙顆粒比上下游府谷和吳堡站的顆粒都粗，但2006年以后，則是窟野河的泥沙顆粒最細(xì)。由于窟野河距離取水口斷面只有14km，對取水口斷面的泥沙影響極大，并且考慮到黃河泥沙的主要來源是伏汛期的泥沙，而插值法計算的結(jié)果中伏汛期泥沙比重不明顯，從工程安全角度考慮，本次取水口斷面的泥沙顆粒分析結(jié)果將直接采用窟野河溫家川站的泥沙顆粒分析結(jié)果，即取水口斷面泥沙小于0.05mm的多年平均泥沙含量為83%，中值粒徑為0.01mm，平均粒徑為0.027mm。春汛、伏汛小于0.05mm泥沙含量分別為62%、83%，中值粒徑分別為0.033mm、0.015mm，平均粒徑分別為0.059mm、0.03mm。

表13 取水口斷面顆粒級配分析表

5 水沙系列的選取

水沙代表系列的選取以預(yù)估的未來水沙量為目的，應(yīng)由盡量少的自然連續(xù)系列組合而成，能夠反映豐、平、枯水年的水沙情況，并適當(dāng)加入大水、大沙年份和一些枯水、枯沙年份?？紤]近年來黃河泥沙減少的明顯趨勢，本次分析選擇三個不同時間長度水沙系列，分別為府谷、吳堡站2003~2012年10年日平均水沙系列、1993~2012年20年日平均水沙系列和吳堡站1976~2012年37年日平均水沙系列。本次計算仍然選用兩種方案，即直接用下游吳堡站資料代替設(shè)計斷面資料和用面積插值計算得到設(shè)計斷面值，對三個水沙系列不同年份中的日均流量和日均含沙量取均值，分別求出10年平均水沙系列、20年平均水沙系列與37年平均水沙系列的日變化過程（圖1、圖2）。由圖可以看出，無論是哪種方案，各個系列的日均流量過程變化趨勢基本相同，但日均含沙量過程差異較大，時間系列越長，含沙量越大。

從圖2可以看出，長系列與短系列的流量過程線差異不大，但是泥沙含量差異較大，短系列計算的含沙量比長系列的小。短系列更能反映該流域近年來泥沙變化趨勢，而長系列可以反映流域的豐、平、枯年份的流量及含沙量情況，具有更好的代表性。在兩種方案比較上，插值法計算結(jié)果遠(yuǎn)小于吳堡站直接代替，這是由于窟野河距離取水口很近，而窟野河含沙量極大，對取水口影響顯著，因此插值法計算的結(jié)果偏小。綜合考慮，選擇吳堡站的結(jié)果分析取水口斷面來水來沙情況。而長短系列各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以在工程調(diào)節(jié)計算時，應(yīng)該用10年、20年、37年系列分別調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行綜合對比分析。

圖1 吳堡站多年平均設(shè)計水沙系列過程線

圖2 插值法所求多年平均設(shè)計水沙系列過程線

6 結(jié)論

（1）通過水文比擬法和面積插值法分別計算黃河萬鎮(zhèn)斷面的設(shè)計輸沙量和含沙量，結(jié)果表明采用吳堡站水文比擬法計算結(jié)果最大，從對工程最不利的角度出發(fā)，得到取水口萬鎮(zhèn)斷面多年平均年輸沙量為23605萬t，多年平均含沙量為10.9 kg/m3。

（2）對府谷、吳堡、溫家川三站的多年平均、汛期平均以及不同級別含沙量條件下的泥沙顆粒級配進(jìn)行分析，從工程安全的角度出發(fā)，確定以溫家川站分析結(jié)果作為取水口斷面的設(shè)計值，即多年平均的小于0.05mm的泥沙含量為83%，中值粒徑為0.01mm，平均粒徑為0.027mm；春汛、伏汛中值粒徑分別為0.033mm、0.015mm，平均粒徑分別為0.059mm、0.030mm。

（3）結(jié)合黃河近年來水沙變化趨勢，將吳堡站水沙分為10年、20年、37年三個系列，分別分析來水與來沙的關(guān)系。結(jié)果表明，徑流泥沙資料序列的長短對設(shè)計流量過程的影響小于設(shè)計泥沙過程。在工程設(shè)計中，應(yīng)該根據(jù)各個系列的優(yōu)缺點(diǎn)，得出取水口萬鎮(zhèn)斷面在工程調(diào)節(jié)時應(yīng)該用10年、20年、37年三個系列分別調(diào)節(jié)。

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