基于懸河特性的黃河下游生態(tài)水量探討

摘要：黃河作為中華民族的母親河，以占全國2%的河川徑流量承擔(dān)著全國巧%的耕地面積和12%人口的供水任務(wù)。黃河亦是世界上泥沙最多的河流，河道內(nèi)必須留足一定的水量用于輸沙入海。同時(shí)，每年還需向流域外沿黃地區(qū)供水約100億m3，水資源供需矛盾極其尖銳。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，用水量不斷增加，生態(tài)水量被大量擠占，導(dǎo)致河道斷流、河床淤積、水體污染等一系列生態(tài)問題。黃河生態(tài)水量研究一直是人們關(guān)切的重大課題。結(jié)合黃河水沙特點(diǎn)和“地上懸河”的特性，采取斷面水量平衡和地下水?dāng)?shù)值模擬等方法，分析了河道滲漏水量及其生態(tài)作用，提出黃河干流生態(tài)水量應(yīng)考慮該部分損失水量，進(jìn)一步完善了下游生態(tài)水量研究的思路與手段，可為黃河生態(tài)系統(tǒng)的維持、黃河水資源的生態(tài)調(diào)度與管理提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地下水?dāng)?shù)值模擬；側(cè)滲補(bǔ)給；水量平衡；生態(tài)水量；懸河特性；黃河下游

中圖分類號(hào)：P333；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.001

1 黃河特性

1.1 水沙特點(diǎn)

（1）水沙異源。黃河下游水沙主要來自三個(gè)區(qū)間：一是河口鎮(zhèn)以上，水多沙少，水流較清，河口鎮(zhèn)斷面多年平均水量約占下游來水總量的55.3%，而年均沙量僅占9.0%；二是河口鎮(zhèn)至三門峽區(qū)間，水少沙多，水流含沙量高，該區(qū)間多年平均水量約占下游來水總量的35.3%，但沙量占89.3%；三是伊洛河和沁河兩大支流，為又一清水來源區(qū)，兩支流多年平均水量占下游來水總量的9.4%，而沙量僅占1.7%?？梢?，進(jìn)入下游的水量大部分來自河口鎮(zhèn)以上，沙量則主要來自河口鎮(zhèn)至三門峽區(qū)間。

（2）水沙量年際變化大。黃河水沙量年際變化極大，沙量尤甚。以三門峽水文站為例，實(shí)測最大年徑流量為659.1億m3（1937年），最小年徑流量僅為120.3億m3（2002年），豐枯極值比為5.5；最大年輸沙量為37.26億t（1933年），最小為0.50億t（2015年），豐枯極值比為74.5。

（3）水沙量年內(nèi)分配不均。黃河水沙量年內(nèi)分布不均，水沙均主要集中于汛期。下游汛期多年平均水量占全年的60%，沙量占全年的80%以上[1]。

1.2 沖淤特性

黃河下游屬于典型的堆積型河道，總體處于不斷淤積的過程之中，同時(shí)又具有多來多淤多排的特點(diǎn)。

1950年7月至1960年6月，三門峽建庫前黃河下游河道各河段均發(fā)生淤積。1960年9月至1964年10月，三門峽水庫蓄水?dāng)r沙，黃河下游河道主槽發(fā)生明顯沖刷，沖刷主要集中在高村以上河段。1964年11月至1973年10月，三門峽水庫滯洪排沙，高村以上河段發(fā)生顯著淤積，主槽淤積嚴(yán)重，河道斷面萎縮。1973年11月，三門峽水庫開始蓄清排渾運(yùn)用。1973年11月至1980年10月，花園口以下河道淤積，下游河道整體淤積。1980年11月至1986年10月多次發(fā)生大洪水，高村至艾山略有淤積，下游河道整體沖刷。1986年11月至1999年10月，龍劉水庫（龍羊峽、劉家峽水庫）聯(lián)合運(yùn)用，進(jìn)入下游的水沙發(fā)生較大變化，汛期來水比例減小，非汛期來水比例增大，下游河道斷面淤積萎縮，下游河道總淤積量為29.62億t，年均淤積量為2.28億t。1999年11月一2016年4月，隨著小浪底水庫蓄水?dāng)r沙和黃河調(diào)水調(diào)沙，下游河道整體呈沖刷趨勢，截至2016年汛前，利津以上河段年均沖刷1.65億t，累計(jì)沖刷28.15億t。黃河下游各河段年均沖淤量見表1。

1.3 下游懸河狀況

黃河水少沙多的自然特性，加之河道外經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水的不斷增加，留在河道內(nèi)用于輸沙的水量嚴(yán)重不足，河床持續(xù)淤積抬升，形成“地上懸河”，并進(jìn)一步呈現(xiàn)出槽高、灘低、堤根洼的特點(diǎn)，俗稱“二級懸河”。黃河下游河道堤內(nèi)灘面普遍高出兩岸地面4～6m，部分河段高差超過10m。河南省新鄉(xiāng)市地面低于黃河河床20m，開封市地面低于黃河河床13m，山東省濟(jì)南市地面低于黃河河床5m。

東壩頭至陶城鋪河段“二級懸河”的灘唇一般高出黃河大堤臨河地面約3m，最大達(dá)5m，灘面橫比降約為0.1%，而縱比降則為0.014%。同時(shí)，灘內(nèi)分布堤河、串溝多達(dá)167條，總長846km。一旦發(fā)生較大洪水，由于河道橫比降遠(yuǎn)大于縱比降，因此灘區(qū)過流比增大，增大了主流頂沖堤防、順堤行洪甚至發(fā)生“滾河”的可能性，將嚴(yán)重危及堤防安全[2-3]。

2 黃河干流輸水損失分析

黃河下游“地上懸河”的特點(diǎn)，使一般河流地表水與沿岸地下水的雙向補(bǔ)給關(guān)系變?yōu)榈乇硭蜓匕兜叵滤膯蜗蜓a(bǔ)給，河流輸水損失加大，導(dǎo)致黃河下游河段一直存在水量不平衡現(xiàn)象，對黃河水資源的精細(xì)化管理造成了影響。本文從水面蒸發(fā)和河道滲漏兩個(gè)方面分析輸水損失量。

2.1 水面蒸發(fā)損失

河道水面蒸發(fā)量一般采用河道平均水體蒸發(fā)量乘以河道水面面積的方法計(jì)算求得，其公式為

E=E河段B河寬L河長（1）式中：E為河道水面蒸發(fā)量；E河段為河道平均水體蒸發(fā)量，采用E601蒸發(fā)皿的蒸發(fā)量折算；B河寬為河道平均水面寬度；L河長為河道長度。

2.2 滲漏損失水量

考慮到黃河干流懸河的特點(diǎn)，滲漏損失較一般河流大，故采用斷面水量平衡和地下水?dāng)?shù)值模擬兩種方法對比分析，相互驗(yàn)證。

2.2.1 斷面水量平衡法

斷面水量平衡法是一種間接計(jì)算河道滲漏量的方法，在水文學(xué)中經(jīng)常采用，主要是通過斷面測流來獲取上下游斷面之間的水量損失，扣除斷面之間的蒸發(fā)量、引水量和補(bǔ)水量的差值等來間接推求河道滲漏量。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡單易算，缺點(diǎn)是精度偏低，只能判斷兩個(gè)斷面之間的總體滲漏水量，不能明確判斷漏失的地段及其分段漏失量。斷面水量平衡方程為

Q上+Q區(qū)+P-（Q下+W取+E+Q滲）=ΔQ（2）式中：Q上為上斷面水文站實(shí)測徑流量；Q區(qū)為河道區(qū)間人流量；尸為河道水面降水補(bǔ)給量；Q下為下斷面水文站實(shí)測徑流量；W取為從干流取走的河道外用水量；Q滲為河道滲漏量；ΔQ為平衡項(xiàng)差值。

在上述上下斷面徑流量、區(qū)間人流量、河道降水補(bǔ)給量、河道外用水量、水面蒸發(fā)量已知且平衡項(xiàng)差值在合理范圍內(nèi)時(shí)，即可求得河道滲漏損失量。

2.2.2 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬方法是目前地下水研究中最為流行和常用的方法，可以模擬復(fù)雜地質(zhì)條件在不同水文情勢下的水量、水位變化過程，常用的數(shù)值方法有有限元法和有限差分法，國際國內(nèi)有較為成熟的可視化計(jì)算軟件，如VisualmODFLOW、FEFLO W、GMS等，這些地下水流模擬軟件大多具有輸入輸出數(shù)據(jù)功能齊全、計(jì)算效率高、可視化效果好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地下水資源評價(jià)、預(yù)報(bào)和各類工程地下水滲流計(jì)算中。數(shù)值法可以詳細(xì)刻畫含水層系統(tǒng)的復(fù)雜三維邊界條件，并可模擬蒸發(fā)、降水、地表水位的時(shí)空變化，更接近實(shí)際情況。

（1）黃河側(cè)滲的范圍。對黃河側(cè)滲量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要首先確定側(cè)滲的影響范圍。黃河側(cè)滲的影響范圍即黃河對地下水影響帶，包括平面上和垂向上兩方面，平面是指黃河水補(bǔ)給地下水的距離和平面范圍，垂向是指與黃河側(cè)滲補(bǔ)給量相關(guān)的地下水的循環(huán)深度。

黃河側(cè)滲影響帶的范圍一般根據(jù)地下水流場特征、地下水動(dòng)態(tài)特征進(jìn)行分析和判斷，也可以通過地下水化學(xué)、環(huán)境同位素特征分析等來進(jìn)行確定。趙云章等[4]采用地下水流場分析法、地下水動(dòng)態(tài)類型比擬法和同位素測試分析等綜合方法，較準(zhǔn)確地劃分了黃河不同河段影響帶的寬度，在同位素取樣的典型剖面上，鄭州剖面黃河側(cè)滲影響帶的寬度南岸約為10.0km，北岸約為13.4km；中牟一原陽一新鄉(xiāng)剖面南岸約為14.4km，北岸約為24.0km；開封一封丘剖面南岸約為18.9km，北岸約為26.2km；濮陽剖面黃河影響帶范圍（北岸）約為19.2km。平建華等[5]利用同位素技術(shù)對黃河下游側(cè)滲影響帶范圍進(jìn)行了研究，認(rèn)為黃河在南岸和北岸對地下水的影響范圍不一樣，南岸在鄭州一帶約為5km，影響范圍相對較小，向下游影響范圍逐漸增大，在中牟和開封一帶為7～10km；北岸影響范圍為9～20km[5]。黃河側(cè)滲影響帶范圍見圖1[6]。

（2）黃河側(cè)滲的數(shù)值模型。對于黃河側(cè)滲影響帶內(nèi)的非均質(zhì)各向異性含水介質(zhì)及多層空間三維結(jié)構(gòu)與非穩(wěn)定性質(zhì)的地下水流系統(tǒng)，可用如下微分方程的定解問題來描述[6]：式中Kx、Ky、Kz為分別為x、y、z方向的滲透系數(shù)；ε為含水層的源匯項(xiàng)，1/d；S為自由水面以下含水層的儲(chǔ)水系數(shù)，1/m；h為地下水位m；Ω為滲流區(qū)；p為潛水面的蒸發(fā)和降水等，1/d；μ為潛水含水層給水度；h0為含水層的初始水位，m；Γ1為滲流區(qū)域的上邊界，即地下水位的自由表面；h1為上邊界自由表面的水位，m；Kn為邊界面法向滲透系數(shù)，m/d；n為邊界面的法線方向；Γ2為滲流區(qū)域的下邊界；q為下邊界的面流量，m2/d；hs為黃河水位，m；σ為河流底部淤積層的阻力系數(shù)σ=L/Ks，其中L為底部淤積層的厚度，Ks為河流底部淤積層的滲透系數(shù)，m/d ；Γ3為滲流區(qū)域的側(cè)向（含河流側(cè)補(bǔ)）邊界。

黃河側(cè)滲影響帶水文地質(zhì)邊界條件概化見圖2。

利用各類數(shù)值模擬軟件建立三維地下水流數(shù)值模型刻畫上述數(shù)學(xué)模型。根據(jù)水文地質(zhì)條件對不同含水層劃分參數(shù)分區(qū)，并依據(jù)各類相關(guān)勘察成果給各分區(qū)參數(shù)賦初始值，通過擬合同時(shí)期的流場和長觀孔的歷時(shí)曲線，識(shí)別水文地質(zhì)參數(shù)、邊界值和其他均衡項(xiàng)，使建立的模型能更準(zhǔn)確地定量描述研究區(qū)地下水系統(tǒng)，預(yù)測黃河側(cè)滲量及其變化趨勢。

3 黃河干流生態(tài)水量研究

河流地表水是一個(gè)整體，具有一定連續(xù)性，承載著保持河流形態(tài)、輸送淡水入海、為近海生物提供營養(yǎng)物、提供各種形態(tài)棲息地等多種功能。同時(shí)，由于黃河水少沙多的特性，因此還必須考慮輸移泥沙、維持河槽過流能力等所需的水量。

3.1 輸沙水量

下游河道沖淤量與進(jìn)入下游的水量、沙量及來水來沙系數(shù)等因子關(guān)系密切。根據(jù)歷史水沙系列及河道沖淤資料，建立控制斷面來沙量、河道淤積度與控制站汛期輸沙水量的關(guān)系：

W=k1Ws-k2Δs+C（4）式中：W為利津站輸沙塑槽用水量，億m3；Ws為三黑小（三門峽、黑石關(guān)、小浪底三站）沙量，億t；ΔWs為下游河段沖淤量，億t；k1、k2為系數(shù)；C為常數(shù)。

3.2 非汛期生態(tài)水量

非汛期生態(tài)需水主要考慮包括保證河道不斷流、維持河口三角洲濕地、水體自凈、生物棲息環(huán)境保護(hù)等用水需求。在進(jìn)行生態(tài)水量計(jì)算時(shí)，一般考慮河道不斷流、維持一定的河流規(guī)模（包括濕周、水面寬度、水面面積、水面縱比降等參數(shù)）、河流水生生物的棲息環(huán)境、維持河道內(nèi)生物多樣性等生態(tài)目標(biāo)，主要采用Tennant法、月（年）保證率設(shè)定法、最小月（年）法、濕周法、生境法等進(jìn)行計(jì)算，最后取各種算法計(jì)算結(jié)果的外包值[7]。

3.3 考慮懸河特性的生態(tài)水量探討

對于一般河流而言，豐水期河流對地下水有一定的補(bǔ)給作用，枯水期地下水會(huì)反向補(bǔ)給河流。由于黃河下游河床高于兩岸地面，因此河道向兩岸地下水的補(bǔ)給為單向補(bǔ)給，每年補(bǔ)給的水量對于緩解地下水超采產(chǎn)生了一定作用，也是維持下游河流兩岸生態(tài)系統(tǒng)的重要因素。下游生態(tài)水量在考慮河道不斷流、生物棲息環(huán)境、生物多樣性等因素的基礎(chǔ)上，必須考慮因“地上懸河”而引起的地下水側(cè)滲補(bǔ)給量，計(jì)算公式為

Q=W輸+max（QT，Qy，Qm，Qs，Q生）+Q滲（S）式中：Q為斷面生態(tài)需水量；W輸為輸沙水量；QT為Tennant法計(jì)算結(jié)果；Qy為月（年）保證率設(shè)定法計(jì)算結(jié)果；Qm為最小月（年）法計(jì)算結(jié)果；Qs為濕周法計(jì)算結(jié)果；Q生為生境法計(jì)算結(jié)果；Q滲為因懸河特性而激發(fā)的滲漏補(bǔ)給量。

4 結(jié)語

黃河作為中華民族的母親河，以占全國2%的河川徑流量承擔(dān)著全國巧%的耕地面積和12%人口的供水任務(wù)。黃河亦是世界上泥沙最多的河流，河道內(nèi)必須留足一定的水量用于輸沙入海。同時(shí)，每年還需向流域外沿黃地區(qū)供水約100億m3，水資源供需矛盾極其尖銳。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，用水量不斷增加，生態(tài)水量被大量擠占，導(dǎo)致河道斷流、河床淤積、水體污染等一系列生態(tài)問題。黨的十八大報(bào)告指出生態(tài)文明建設(shè)是關(guān)系人民福祉、關(guān)乎民族未來的長遠(yuǎn)大計(jì)，把生態(tài)文明建設(shè)放在了突出地位，融入經(jīng)濟(jì)建設(shè)、政治建設(shè)、文化建設(shè)、社會(huì)建設(shè)的各方面和全過程，提出了“五位一體”的總體布局。黃河作為中華民族的母親河，更應(yīng)該高度關(guān)注其生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)與保護(hù)。黃河下游的“地上懸河”增強(qiáng)了河流向地下水的補(bǔ)給作用，具備特殊的生態(tài)作用，在下游生態(tài)環(huán)境水量的分析研究和管理過程中，應(yīng)充分考慮這一特點(diǎn)，合理確定下游各斷面生態(tài)環(huán)境水量，為黃河水資源管理、生態(tài)環(huán)境調(diào)度和下游生態(tài)環(huán)境治理提供決策依據(jù)，為維護(hù)母親河生命健康奠定基礎(chǔ)。

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