河北省引黄输水河段水文特性分析

赵 勐

（河北省水文水资源勘测局，石家庄 050031）

1 引黄输水概况

河北省属严重的资源型缺水省份，人均和耕地水资源量仅为全国平均值的1/7和1/9，远低于国际极度缺水地区人均水资源占有量的标准。自产地表水大幅度减少，地下水资源量衰减，入境水量锐减，入海水量日渐枯竭。这些变化既是造成缺水矛盾加剧的直接原因，又是缺水状况的综合体现。特别是海河南系黑龙港及运东地区，人均水资源量仅为全国平均值的1/15，是河北省乃至全国水资源供需矛盾最为尖锐的地区。该地区除少量外调水外，一般年份无地表水可以利用，由于大量超采地下水，已造成了地面沉降、机井报废、建筑物破坏、咸水入侵、河道断流、湿地萎缩等一系列环境地质灾害［1-2］，严重影响了该区域社会经济的发展和人民生活水平的提高。

针对河北省水资源短缺问题，河北省政府高度重视，提出了严重缺水的应对方略。其中“完善引黄”是应对方略的重点工程之一。今后将逐步向我省中东部地区扩大引黄水量，重点补充农业及生态用水，实现河北省对黄河水的永续利用［3］。本文采用1994～2011年的引黄输水水文资料，对河北省引黄输水河段水文特性进行分析，为今后引黄输水调度、水资源合理配置、工程规划建设提供技术参考和支撑。

1994～2011 年期间，河北省跨流域引黄调水共17次，其中9次“引黄入冀”，5次“引黄济津”，3次“引黄济淀”。按入境控制站刘口站的水量监测资料统计，引黄水量共计45.45亿m3。

引黄调水监测站网属专用站网，水文测验及资料整编均执行一类测站精度标准。选取输水干线上设立的9处水量、泥沙、冰情监测站资料，来进行输水河段水文特性分析。该9处监测站自上而下依次分布为刘口、张二庄、油故、三朗、连村、八里庄、代庄、周官屯、九宣闸。刘口、九宣闸属河北省入境、出境控制站，张二庄、连村为市界控制站。

2 影响河段水位流量关系的主要因素

在河道水文站，一般能够观测到完整的水位变化过程，而流量监测资料在时间上是间断不连续的。流量因受不同因素影响而变化复杂，只有找出流量的主要影响因素，才能确定水位流量关系，从而推求出流量的连续变化过程［4］。

2.1 断面淤积影响

以张二庄站为例，点绘2000～2004年间4次输水的水位面积关系曲线，如图1所示，该站在不同时期存在着不同程度的淤积。同水位级随着输水时间的延长，水位面积关系点逐渐向左移动，断面出现分段淤积。其淤积速度与上游含沙量、水流挟沙能力等有关。另外，输水初期淤积比较严重，水位面积曲线变化较大。经计算，张二庄站经过4次引黄输水，断面淤积面积达27.0m2，占最大过水断面面积的17%。干线站中张二庄站淤积最为严重，油故站次之，其他站较轻。所以根据淤积情况，张二庄和油故站要选用适合的水位流量整编方法。

图1 张二庄站不同年份水位面积关系

2.2 水流涨落影响

在引黄输水期间，渠首位山闸经常通过闸门变动来调节输水流量，致使下游水流不稳定，水位流量关系紊乱。以刘口站为代表进行水流涨落影响分析，如图2，刘口站因受闸门控制，其水位流速分布不同于天然河道的分布规律。究其原因，一是因位山闸门升降变动，造成水流涨落；二是受下游闸门和涵洞过水能力的影响，当输水流量超过闸门或涵洞设计过水能力时，下游水流的顶托造成本站高水位低流速现象。在输水持续20d后，流速呈现规律性变化，即涨水时关系点落在曲线右边，落水时则分布在左边。张二庄、油故、连村、八里庄站的过水情况大致如此。

图2 刘口站典型年次水位流速关系

2.3 河道结冰影响

冬季引黄输水，结冰对水位流量关系的影响是很复杂的［5-6］。随着冰期冰情的发展，尤其是河道形成冰盖进入封冻期后，河中水流形同管流，湿周增加，水力半径变小，糙率发生变化，河道过水能力减小。冰塞、冰坝还会使水面比降有很大改变。从同流量不同时期的流速比较来看，流冰期流速小于畅流期，封冻期流速小于流冰期，而水位则相应升高。冰塞、冰坝、水位的升高有时会影响到堤防安全。对比连村、代庄、周官屯站相同水位条件下的封冻期、畅流期流量，冰盖下输水比无冰时的流量分别减少27%、26%、34%，见表1。

表1 相同水位条件下输水流量对比

2.4 流量推求方法

不同测站在不同的输水期，其水力影响因素各不相同，针对各站水位流量关系的主要影响因素，提出适合各站的流量推求方法［7］。

刘口站的流速主要受洪水涨落和回水顶托影响，监测断面稳定无冲淤。在输水畅流期，由于水波产生附加比降的影响，涨水点偏右，落水点偏左，呈规律分布，符合临时曲线法或连时序法整编定线条件；张二庄站和油故站，既受断面淤积影响，又受水流涨落影响。在断面稳定期，宜采用临时曲线法，在断面非稳定期，可采用改正水位法或连实测流量过程线法推流。张二庄站用改正水位法推流取得较好结果，主要环节是导向原断面，即把实测流量的过水断面导向淤积前的大断面，再建立导向原断面后的水位流量关系，如图3所示，水位流量关系点较集中，经3种定线检验，完全符合一类精度测站定线要求；连村和八里庄站的施测断面没有明显冲淤变化，流量受水流涨落影响。建议采用临时曲线法、连时序法和连实测流量过程线法推流。

图3 张二庄站改正水位后的水位流量关系

总之，受断面淤积影响的引黄监测站，宜采用改正水位法推求流量，可以消除测深所带来的误差；对受洪水涨落和变动回水影响的站，宜采用临时曲线或连时序法，可以减少水尺读数和单次流量的测验误差；结冰期则可采用临时曲线、改正系数、改正水位或连实测流量过程线法［8］。总之，对于测站，要根据不同时期的主要影响因素来确定适合本站特性的流量整编方法。

3 输水期水流传播特征分析

引黄输水水流传播时间的影响因素包括上游流量大小，输水河道前期河槽湿润程度，河道纵坡，河道断面形状，河道障碍物等。

3.1 水头行进时间

采用2000年以来，引黄济津5次输水水文资料，统计水头途径各监测站区间所需时间及行进速度，从位山闸提闸放水开始，水流到达九宣闸的平均历时为225.3h（9.4d），详见表2。

表2 水头、峰值流量沿程传播时间、速度统计

3.2 峰值流量传播时间

选择几次有较大峰值流量的输水过程，统计其传播历时和速度见表2。从位山闸至九宣闸峰值流量平均传播时间254.4h（10.6d），比水头传播时间长29.1h。各河段峰值与水头传播时间、速度呈同步变化趋势。

4 输水河段泥沙运动特征分析

黄河是一条高含沙河道，十几年的引黄输水，对沿途河道造成了不同程度的淤积。河道中的泥沙运动来自水流的动能影响，水流流速越大，河段越顺直，水体的挟沙能力就越强，泥沙的淤积量相对减少；当断面流速突变减小时，泥沙淤积就明显。如输水河段弯道或闸翼两侧，易出现死、回水或流速明显变缓的区域，水体能量损失较大，水体挟沙能力变小，泥沙沉积相对较多。张二庄弯道、油故节制闸上两侧淤积量较其他河段明显严重。

4.1 含沙量的时空分布

在输水初期，大多河段干涸，取水源头位山闸的上、下游水头落差较大，输水流速骤涨，部分河段发生冲刷，致使输水水头含沙量较大。随着输水时间的延长，水流流速趋于平缓，含沙量逐渐变小，趋于稳定。进入冬季，含沙量明显减少。有些站含沙量偶尔出现跳动现象，是因上、下游闸门变动所致。

从黄河位山闸引水，首先经过沉沙池，水流中约50%的泥沙沉积下来，之后泥沙沿途呈自然缓变沉淀，含沙量随之逐渐减小。图4是2002年11月～2003年1月输水期间典型站点含沙量变化情况。

图4 2002～2003年输水期典型站逐日含沙量过程线

4.2 河段淤积状况分析

1994年以来，共引黄调水17次，河北省境内泥沙淤积量共计1348万t。其中“引黄入冀”和“引黄济淀”共入境沙量580万t，“引黄济津”共淤积沙量768万t。受泥沙资料限制，本次选取代表性较好的前4次“引黄济津”泥沙资料，对各河段泥沙淤积情况进行统计分析。如表3所示，该4次引黄输水，位山闸站输沙总量为2177万t，在输水过程中，约有50.1%的泥沙沉淀在沉沙池内，14.3%淤积在山东干渠，32.5%淤积在河北省境内，3.1%通过九宣闸进入天津市。经过沉沙池后的黄河水，含沙量骤减。在河北省境内，清凉江泥沙淤积较重，清临干渠次之，南运河泥沙淤积较轻。

表3 引黄济津各河段泥沙淤积量统计 单位：万t

5 结语

1994年以来的十几场跨流域引黄输水，使天津市、河北省黑龙港及运东地区严重缺水局面得以缓解。截至2011年，利用“引黄入冀”、“引黄济津”和“引黄济淀”工程，河北省共引入水量45.45亿m3。这些外来水主要通过衡水湖、大浪淀、白洋淀及河道存蓄，用于城市生活、工业和农业灌溉。因引水季节、灌溉水价等各种原因，除5次“引黄济津”外，河北省入境水量均不足5亿m3；黄河是一条高含沙的河流，河水进入河北省之前已有50.1%的泥沙沉积在沉沙池内，但仍有32.5%淤积在河北省境内。1994～2011年间，河北省境内泥沙淤积量共计1348万t，清凉江淤积较严重，清临干渠次之，南运河较轻；本文通过对各输水监测站的水位流量关系分析，得出河段的泥沙淤积、水流涨落、结冰，是引黄输水流量推求的主要影响因素；冬季封冻期输水，因冰塞、冰坝及水位的升高可能要影响到堤防和工程建筑物的安全。揭示引黄输水河段水文特性，可为引黄输水管理、输水调度、水资源合理配置及工程规划建设，提供技术参考依据。

［1］陈家琦，王浩，杨小柳.水资源学［M］.北京：科学出版社，2002.

［2］陈志凯.中国水资源的可持续利用问题［J］.水文，2003，23（1）：1-5.

［3］郎洪钢，陈宝根，朱学思.河北省沿海地区水资源开发利用状况与对策［J］.海河水利，2010，166（6）：5-7.

［4］林传真，周忠远.水文测验与勘查［M］.南京：河海大学出版社，1987.

［5］王春泽.水文科技研究与发展［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

［6］郭海燕，封春华.引黄济津冬季输水冰清观测及初步分析［J］.河北水利，2004（6）.

［7］赵玉然，岳树堂，刘克岩，等.水文水资源监测数据整编处理系统研发与应用［J］.南水北调与水利科技，2009，7（3）：55-58.

［8］SL247—1999，水文资料整编规范［S］.