小開河引黃閘近期引水能力變化初析

劉彥暉 李軍華 張向萍 張楊 江恩慧

摘要：依據(jù)2010-2016年黃河下游小開河灌區(qū)引黃閘附近河段的水沙資料，總結(jié)小開河引黃閘的引水引沙特性，在此基礎(chǔ)上提出近期小開河引黃閘引黃能力變化的原因，并對影響小開河引黃閘引水引沙效果的因素進(jìn)行了簡要分析。結(jié)果表明：小開河引黃閘主要存在大河流量較小時引水條件差、流量較大時引水含沙量大兩方面的問題：河道下切導(dǎo)致的同流量下閘前水位降低、渠道淤積嚴(yán)重、閘前局部河勢的變化是造成小開河引黃閘上述引水引沙問題的主要原因。

關(guān)鍵詞：水沙資料;引水引沙;影響因素;小開河引黃閘

中圖分類號：TV85;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000 - 13 79.2019.02.033

1 引言

小浪底水庫的運(yùn)用對塑造下游河道、穩(wěn)定主槽和黃河下游防洪減淤起到了重要作用，并且為下游沿黃城市及河北、天津、青島地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活和生態(tài)用水提供了穩(wěn)定可靠的水源。近年來，隨著黃河水沙情勢變化，進(jìn)入下游河道的水沙長時間處于中小流量下的低含沙（甚至清水）過程，黃河下游引黃涵閘因渠道淤積、河勢變化、河床下切、灌溉工程不配套等因素影響，導(dǎo)致引水條件與設(shè)計情況相比發(fā)生了變化，造成部分河段涵閘引水困難，特別是每年3-4月的春灌時期，黃河來水量小，水位低，部分河段引黃涵閘出現(xiàn)了無法正常引水的情況，影響了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)適時灌溉。黃河依然是一條典型的多沙河流，引黃工程引水必引沙，隨著引黃閘前河床局部形態(tài)及床沙組成等因素的變化，引黃閘引入的泥沙特別是粗泥沙與原渠系設(shè)計不適應(yīng)，造成引黃渠系泥沙淤積加重。

近期引黃工程引水能力的變化引起社會的普遍關(guān)注。于曉龍等[1]對黃河調(diào)水調(diào)沙以來山東段河道來水及引水條件進(jìn)行分析后，認(rèn)為影響引黃閘引水的因素主要包括用水需求量的增大、來水量的減小、渠道淤積與河道刷深，提出了清淤、穩(wěn)定河勢、建設(shè)泵站等工程措施。李洪明等[2]通過對引黃閘設(shè)計運(yùn)行條件和調(diào)水調(diào)沙前后水位變化情況的分析認(rèn)為，渠道淤積、引渠的不合理布置及河勢變化造成了部分引黃閘枯水期引水困難。王茹等[3]則主要針對黃河調(diào)水調(diào)沙之后濱州市引黃閘現(xiàn)狀進(jìn)行分析，認(rèn)為黃河來水減少和閘后渠道淤積是影響引水的主要因素。王延貴等[4]在大量實(shí)測水沙資料的基礎(chǔ)上分析了典型灌區(qū)泥沙起動與含沙量分布，認(rèn)為渠道的糙率、比降、斷面形狀、來沙組成和引水流量是影響引黃渠道挾沙能力的主要因素，并且分析了灌區(qū)泥沙淤積的主要成因。蔣如琴等[5]分析了典型灌區(qū)輸沙渠挾沙水流輸沙特性。毛偉兵等[6]以小開河灌區(qū)為例，對灌區(qū)的遠(yuǎn)距離輸沙[7]技術(shù)進(jìn)行了探討，并且總結(jié)了小開河灌區(qū)的泥沙分布規(guī)律。胡健等[8]通過小開河灌區(qū)1999-2007年的水沙資料，總結(jié)了該灌區(qū)引水引沙條件與渠道斷面特性，研究了干渠不同渠段的引水分布特征和泥沙長距離輸送及淤積特性。

本文主要依據(jù)2010-2016年小開河引黃閘河段水沙資料，在對小開河引黃閘的閘前大河流量、含沙量、水位和引水流量以及閘后渠首含沙量等水文資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)近期小開河引黃閘的引水引沙特性，同時還對影響小開河引黃閘引水引沙效果的主要因素進(jìn)行分析，以期為認(rèn)識黃河下游灌區(qū)所面臨的引水引沙現(xiàn)狀、改善小開河引黃閘引水引沙條件提供參考。

2 小開河引黃閘研究河段及工程概況

小開河引黃閘位于山東省濱州市境內(nèi)，黃河下游左岸蘭家險工32號壩與34號壩之間（見圖1），上距濼口水文站約114 m，下距利津水文站約76 km。引黃閘附近河段屬彎曲型河段，河勢相對穩(wěn)定。小開河引黃閘上下1.5 km范圍內(nèi)的河道寬度約為400 m.最大河寬位于彎頂附近，寬450 m，最窄處在五甲楊險工附近，寬220 m，河道縱比降為0.009%。小開河引黃閘上游2 km處修建有一座浮橋連通黃河南北兩岸.1.5km處有五甲楊水位站。引黃閘下游2.5 km處蘭家村和5 km處劉春家村附近分別建有蘭家引黃閘和劉春家引黃閘。小開河引黃閘為兩聯(lián)六孔箱式涵洞結(jié)構(gòu)，閘底板高程14 m（大沽高程，下同），堤頂高程25.6 m。工程設(shè)計引水水位16.2 m，設(shè)防水位26.27 m，設(shè)計引水流量60 m/s，可灌溉面積7.33萬hm。該工程的建成有效緩解了濱州工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的緊張狀況，提高了黃河水資源的開發(fā)利用率。

3 小開河引黃閘引水能力變化分析

3.1 小開河引黃閘引水特性

根據(jù)2014-2016年小開河引黃閘引水流量實(shí)測資料（見圖2）可知，在閘前大河流量低于500 m/s時，引黃閘引水流量與大河流量大致成正相關(guān)關(guān)系：隨著大河流量的增大，引黃閘引水流量分布相對散亂。2014-2016年小開河引黃閘年均引水流量為24.23m3/s，其中最大引水流量發(fā)生在2015年7月15日16時，為66.74 m3/s，此時所對應(yīng)的大河流量為1 497m3/s;最小引水流量則發(fā)生在2016年6月23日，僅為4.32 m/s.此時對應(yīng)的大河流量為327 m3/s。小開河灌區(qū)主要是中小流量（引黃閘前的大河流量在1 000 m/S以下）引水，大流量（引黃閘前的大河流量在1 000 m/s以上）引水所占比例較小。2014-2016年間，大河流量在200 m3/s以下時引水次數(shù)占總引水次數(shù)的38.4%，大河流量為200～500 m/s時引水次數(shù)占46.1%，兩者合計為84.5%。其原因是閘前流量較大時一般處于汛期，農(nóng)業(yè)用水大部分依靠降水滿足，對引黃閘引水需求不大。

與小開河引黃閘運(yùn)行初期（1999-2006年）相比，近年來小開河引黃閘引水愈加頻繁，人們對于引黃閘引水的需求也愈來愈大，2014-2016年間年平均引水天數(shù)為142 d.相比運(yùn)行初期（119.2 d）[8]增加了19%;然而年均引水流量卻呈逐年下降的趨勢，2014年平均引水流量最大，達(dá)到30.95 m/s，2016年最小，約為2014年平均引水流量的一半（15.72 m/s）。

目前，大流量下小開河引黃閘引水流量基本滿足引水需求，而中小流量下其存在引水能力不足的問題。例如，大河流量為200 m/s時，2014-2016年引黃閘引水流量普遍較小，年均引水流量分別為18. 55、10.54、22.11 m/s（見圖3）;當(dāng)大河流量增加到400m/s時，引黃閘引水流量逐年降低，從2014年引黃閘引水流量平均值41.22 m/s下降到了2016年引黃閘引水流量均值8.60 m/s。綜上所述，可以看出中小流量下小開河引黃閘引水愈來愈困難。

3.2 小開河引黃閘引沙特性

由于小開河引黃閘閘前沒有大河流量和含沙量的系統(tǒng)觀測資料，因此選取2010-2015年小開河引黃閘上游和下游距離最近的濼口和利津兩個水文站的流量和含沙量數(shù)據(jù)[9-13].根據(jù)距離進(jìn)行插值得到小開河閘前的流量和含沙量，進(jìn)而分析兩者的關(guān)系（見圖4）。

從圖4可以看出，閘前大河流量與含沙量成顯著的正相關(guān)關(guān)系。流量較小時，含沙量較小，如流量在400 m/s以下時含沙量基本在1 kg/m以下，當(dāng)流量為800～1 000 m/s時含沙量最大值接近5 kg/m。

在小開河引黃閘運(yùn)行初期的1999-2006年，年均引水含沙量為3，88 kg/m3，受小浪底水庫蓄水?dāng)r沙作用影響，灌區(qū)年引沙量不大。引水最大含沙量為23.1kg/m3，出現(xiàn)在1999年，最小含沙量為0.89 kg/m，出現(xiàn)在2006年[8]。

考慮到引黃閘的引沙特性，閘后渠首含沙量同樣是重要指標(biāo)之一。圖5為2010-2015年小開河引黃閘閘后渠首含沙量實(shí)測數(shù)據(jù)散點(diǎn)，可以看出：引黃閘閘后渠首含沙量大部分在5 kg/m以下，最大值出現(xiàn)在2012年3月6日，為11.90 kg/m，而最小值僅為0.46kg/m，出現(xiàn)在2010年2月22日。在所統(tǒng)計的實(shí)測數(shù)據(jù)中，閘后渠首位置的平均含沙量為3.38 kg/m，并且每年的渠首含沙量均值變化不大。

綜上所述，小開河引黃閘引水時的大河流量基本在0～1 000 m/s之間，現(xiàn)狀條件下的引水能力與黃河調(diào)水調(diào)沙之前以及引黃閘運(yùn)行初期相比呈下降趨勢，尤其在小流量（大河流量小于500 m/s）下，引黃閘引水能力不足的問題顯著。受黃河調(diào)水調(diào)沙的影響，大河含沙量基本在5 kg/m以下，并且隨大河流量的增大而增大，渠首含沙量較大，大流量時引黃閘存在引水含沙量過大的問題。

4 影響小開河引黃閘引水引沙效果的原因分析

通過對小開河引黃閘2010-2015年引水引沙特性分析可知：在小流量（小于500 m/s）時存在引黃閘引水能力不足的問題，較大流量（500～1000 m/s）時存在引水含沙量過大的問題。針對該情況，下面從河道下切導(dǎo)致閘前水位降低、渠道泥沙淤積、閘前局部河勢變化三個方面對小開河引黃閘引水引沙效果的影響進(jìn)行分析。

4.1 河道下切導(dǎo)致閘前水位降低

據(jù)統(tǒng)計，2002-2013年黃河下游整體呈持續(xù)沖刷狀態(tài)，河床平均下切了1.3～ 2.8 m。盡管近些年下切有逐漸變緩的趨勢，但黃河同流量水位降低，影響了引黃涵閘的引水能力[14]。

小開河引黃閘所在河道斷面距離上游五甲楊斷面1.6 km，距離下游蘭家斷面2，2 km。由表1可知，2015年五甲楊與蘭家斷面的平均河底高程比2008年分別降低0.74 m與0.21 m。近幾年五甲楊斷面與蘭家斷面河床均有不同程度的沖刷，小開河引黃閘河段河底高程變低，河道比降減小。河道存在沖刷現(xiàn)象，導(dǎo)致同流量下閘前水位逐年降低。黃河調(diào)水調(diào)沙之前，以1990年為例，流量為200 m/s時小開河引黃閘閘前水位為16.5 m左右，2006年同流量下閘前水位已經(jīng)下降到16.0 m左右，而到了2016年僅為15，15 m。

4.2 渠道泥沙淤積

閘后渠道淤積[4]主要發(fā)生在涵閘引水期間，在引水過程中容易造成渠道淤積，導(dǎo)致輸水渠道縱比降變小，渠底抬高使過水?dāng)嗝婷娣e縮小，減弱了過流能力，進(jìn)一步降低了渠道水流的挾沙能力，加劇了渠道沿程淤積。同時隨著閘后水位的抬高，引黃閘的引水能力也受到影響。

本文將閘后渠首引水含沙量與大河主流含沙量的比值（引沙比）作為反映小開河引黃閘引水含沙量高低的一項重要指標(biāo)。從表2可以看出，小開河引黃閘引沙比均較大，引沙比最大時所測渠首引水含沙量為9.01 kg/m，是大河含沙量（ 2.01 kg/m）的4倍多。引沙比在100%～ 300%區(qū)間內(nèi)的頻率最高，占所有統(tǒng)計值的69.2%，而在記錄的數(shù)據(jù)中，閘后渠道引水含沙量低于大河主流含沙量的記錄僅出現(xiàn)3次。由此可以看出，近年來小開河引黃閘引水含沙量過高。

4.3 閘前局部河勢變化

小開河引黃閘局部河床形態(tài)變化頻繁，對引水引沙具有一定的影響。小開河引黃閘河段河勢變化主要受閘門口上游32號壩的影響。32號壩緊挨閘門口，壩頭延伸進(jìn)河道40 m左右，當(dāng)水流經(jīng)過32號壩到達(dá)小開河閘門口時，這種固體周界在其延伸方向上發(fā)生過急的變化，促使邊層水流與固體周界發(fā)生分離，形成分離點(diǎn)（流體力學(xué)中常稱為“奇點(diǎn)”）[15]，從而在壩后引黃閘口門前產(chǎn)生豎軸環(huán)流，而豎軸環(huán)流所在區(qū)域正好位于閘門口（見圖6）。

對于天然河流中的環(huán)流結(jié)構(gòu)[16]，“封閉的”豎軸環(huán)流是否造成淤積，取決于環(huán)流強(qiáng)度與縱向水流挾沙力兩個因素。當(dāng)環(huán)流強(qiáng)度小而縱向水流挾沙力較大時產(chǎn)生淤積，當(dāng)引黃閘閘門關(guān)閉時，挾帶泥沙的主流流經(jīng)壩后回流區(qū)域，縱向主流與環(huán)流的水體不斷發(fā)生置換，環(huán)流強(qiáng)度較小，挾沙能力下降，粗沙落淤，在閘門口產(chǎn)生泥沙淤積，引黃閘引水?dāng)嗝婷娣e減小，尤其在流量較小時，引水狀態(tài)基本為回流引水，而非主流引水，同時會產(chǎn)生“拉沙”現(xiàn)象，原本落淤的粗沙隨水流進(jìn)入閘后渠道。由于大流量時主流含沙量相對較大，因此引黃閘引水含沙量過高的問題愈發(fā)明顯。

5 結(jié)論

依據(jù)2010-2016年黃河下游小開河引黃閘河段的水沙資料以及小開河引黃閘的引水引沙資料，總結(jié)了近期小開河引黃閘的引水引沙特性，提出了近期小開河引黃閘引水引沙存在的具體問題，并對影響小開河引黃閘引水引沙效果的因素進(jìn)行了簡要分析，得出以下結(jié)論。

（1） 2014-2016年小開河引黃閘引水資料表明，灌區(qū)年平均引水天數(shù)較運(yùn)行初期增加，引水需求愈來愈大，而年平均引水量呈逐年下降的趨勢。

（2）通過對2010-2015年小開河引黃閘引沙特性的分析，可知小開河引黃閘前大河含沙量不大，而閘后引水含沙量較大，引沙比較大。

（3）河道下切造成的同流量下閘前水位降低、輸沙渠泥沙淤積、閘前局部河勢的變化是小開河引黃閘引水能力變化的主要影響因素。

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