黃河寧蒙河段冬灌期引退水對河道流量影響分析

梁聰聰 劉曉雪

（1.黃河水利委員會水文局，鄭州 450004；2.黃河水利委員會河南水文水資源局，鄭州 450004）

1 研究背景

受大陸性季風(fēng)氣候影響，黃河寧蒙河段冬季寒冷而干燥，大部分河段為穩(wěn)定封凍河段。寧蒙河段首凌多出現(xiàn)在11 月中下旬，首封多出現(xiàn)在11 月下旬至12 月上中旬[1]。寧蒙引黃灌區(qū)地處我國西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強烈，當(dāng)?shù)氐乇韽搅髁亢苄。r(nóng)業(yè)灌溉主要依靠引黃河水。由于洗鹽壓堿的需要和便利的引水條件，寧蒙引黃灌區(qū)形成了“大引大排”的灌溉特點。寧蒙灌區(qū)灌溉方式對河段河道流量變化影響顯著，加之河段流凌封河期與灌區(qū)冬灌期有交叉，故灌區(qū)冬灌期引退水勢必將影響河段流凌及封河形勢。

2 引退水特點分析

黃河寧蒙河段冬季無支流加水，可利用水量平衡方法對比河段進出口控制站流量變化過程，分析灌區(qū)引退水規(guī)律。選取下河沿、石嘴山和頭道拐3個水文斷面作為河段分析節(jié)點斷面，下河沿和石嘴山作為上河段的進出口斷面、石嘴山和頭道拐分別作為下河段的進出口斷面?？紤]水流傳播時間對河段進出口斷面日均流量進行差值計算。下河沿—石嘴山段水流傳播時間為3～5 d[2]，石嘴山—頭道拐段水流傳播時間為6～9 d[3]。

在無支流匯入、引退水影響和工程調(diào)蓄等影響的河段中，受蒸發(fā)、下滲等水量損耗影響，河道流量在演進過程中逐漸減小，進出口斷面差值計算結(jié)果一般為正值，且比較穩(wěn)定。灌區(qū)引水時，出口斷面流量明顯減小，差值增大。灌區(qū)退水時，出口斷面流量增加，差值減少，退水量大于流量損失時出現(xiàn)負值。退水期結(jié)束差值則恢復(fù)至損失流量。

2.1 引退水影響時段分析

黃河寧蒙河段引水和退水具有重合期，往往引水未結(jié)束灌區(qū)退水口已開始退水。根據(jù)引流量差值變化情況將引退水期設(shè)3個時間節(jié)點，差值明顯增大作為引水影響期開始時間。之后引水減少，退水增大時，當(dāng)差值等于損失流量時，退水作為河道流量變化的主要因素，當(dāng)前時刻作為引水影響期結(jié)束退水影響期開始時間節(jié)點。再往后退水開始逐漸減小，差值恢復(fù)至損失流量時刻作為退水影響期結(jié)束時間節(jié)點。

據(jù)分析，上、下兩段河段冬灌期退水對河道流量的影響結(jié)束時段分別為12月初、11月中下旬。下河沿—石嘴山河段退水對河道流量影響的結(jié)束時間相對穩(wěn)定，且基本不受區(qū)域降水和上游來水的影響（圖1）。石嘴山—頭道拐河段退水對河道流量影響的結(jié)束時間各年波動較大，并有推遲的趨勢，與區(qū)域降水和上游來水情況關(guān)聯(lián)也不大（圖2）。

圖1 下河沿—石嘴山河段退水結(jié)束期與區(qū)域降水和上游來水關(guān)系分析

2.2 引退水水量和峰值分析

下河沿—石嘴山河段引水期，上游進口斷面多年平均徑流量為23億m3左右，出口斷面多年平均徑流量為16億m3左右，徑流量減少約7 億m3左右。石嘴山—頭道拐河段10月下旬至引退水結(jié)束，上游進口斷面多年平均徑流量為25億m3左右，出口斷面多年平均徑流量為14億m3左右，徑流量減少約10億m3左右（圖3）。

圖3 河段引水量對比圖

引（退）水期河道流量差的峰值反映引（退）水對河道流量削減（補給）的最大值，是分析引水造成河段流量波動的重要指標(biāo)之一。據(jù)分析，下河沿—石嘴山河段引水和退水造成流量差的峰值分別為上游斷面相應(yīng)流量多年均值的一半和3 成。石嘴山—頭道拐河段各年的退水峰值可占出口斷面相應(yīng)流量的10%～60%（圖4）。

圖4 石嘴山—頭道拐河段退水峰值百分比

2.3 突變診斷

分別對上下兩段河段的引水和退水峰值進行突變檢驗，采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計法，計算公式[4]為：

其中

式中：xi，xj為分析序列第i、j年的樣本值；rj為第i年數(shù)值大于j年數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)；dk為xj的累計數(shù)；E(dk)為累計數(shù)dk的均值；var(dk)為累計數(shù)dk的方差。

順序時間序列的秩序列計算UFk，逆序時間序列計算的秩序列計算UBk，給定顯著性水平α=0.05，對于臨界值為U0.05=±1.96，將UFk和UBk兩個統(tǒng)計量序列區(qū)間曲線與U0.05=±1.96 兩條直線繪制在一個平面直角坐標(biāo)系上（圖5）。檢驗情況表明下河沿—頭道拐河段引水和退水峰值均沒有發(fā)生突變，石嘴山—頭道拐河段退水峰值過程在2013 年發(fā)生突變。突變原因初步分析是受海勃灣水庫下閘蓄水影響，海勃灣水庫是一座防凌、發(fā)電的綜合性水利樞紐工程，水庫于2013—2014 年度凌汛期開始下閘蓄水，并應(yīng)用于凌汛期防凌調(diào)度。

圖5 河段引退水突變分析

2.4 引退水對下游斷面流量波動影響分析

受上游水庫防凌調(diào)度影響下河沿斷面流量于11月上旬開始減少，11 月下旬達到低點之后保持平穩(wěn)。石嘴山斷面受上游水庫及石嘴山以上河段引退水雙重影響，流量于10月下旬開始提前減少，11月中旬降至低點，之后略有回升并保持平穩(wěn)。

石嘴山—頭道拐河段在上游來水和引退水的影響下，巴彥高勒、三湖河口、頭道拐三站水文斷面10月流量為石嘴山斷面的3～6成，且呈現(xiàn)緩慢減小。進入11月，石嘴山—頭道拐河段流量開始有所回升，回升幅度為4成左右（圖6）。

圖6 各斷面引退水期流量過程

波動系數(shù)作為反應(yīng)出口斷面相對進口斷面波動的大小的值。波動系數(shù)越大，反應(yīng)出口斷面流量受引退水影響后流量波動程度越大。據(jù)對比分析上下兩段河段出口斷面受引退水影響的波動程度有下降趨勢（圖7）。上段波動程度較下段小且逐年系數(shù)較為集中，反應(yīng)上段河段各年引退水情況較為下段穩(wěn)定，變化較小。

圖7 斷面波動程度分析

3 結(jié) 論

（1）黃河寧蒙河段冬灌期引退水多集中在9月上旬至11月下旬，與流凌封河期具有交叉時段。根據(jù)統(tǒng)計，有40%年份的首凌日出現(xiàn)在引退水期，10%年份首封日出現(xiàn)在引退水期。

（2）黃河寧蒙段部分河段冬灌期引退水對河段的影響有推遲的趨勢。下河沿—石嘴山河段引退水對河道的流量影響的起止時間相對穩(wěn)定。石嘴山—頭道拐河段引退水對河道流量的影響時間有推遲的趨勢。

（3）寧蒙河段引退水峰值較大，退水有減少趨勢。引退水峰值的上游斷面相應(yīng)流量3～5 成左右。2010 年之前引退水峰值與上游來水關(guān)系密切，上游來水多的年份引水峰值一般會偏大。2010年之后引退水峰值與上游來水關(guān)系不大，尤其近幾年上游來水明顯偏多，但引退水峰值較為平穩(wěn)。退水峰值自2013年起明顯下降。

（4）受海勃灣水庫下閘蓄水及防凌運用影響，石嘴山—頭道拐河段引水峰值經(jīng)檢驗出現(xiàn)突變。

（5）引退水致使下游斷面徑流量明顯減少，且影響下游河段各水文斷面流量過程。下河沿—石嘴山段徑流量減少約3～6 成左右，石嘴山—頭道拐段減少4 成左右。同時使得下游斷面流量提前減少，并出現(xiàn)峰值不等的流量波動。