黃河下游引水引沙對(duì)輸沙水量影響分析

李仁燕，于 洋，任若璇

（1.東營(yíng)市水利灌溉管理處，山東 東營(yíng)257091；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島266000）

當(dāng)前，水資源短缺已經(jīng)成為黃河流域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的瓶頸。輸沙水量作為衡量輸沙用水效率的一個(gè)重要指標(biāo)，是維持河流系統(tǒng)功能健康的重要方面，構(gòu)成生態(tài)需水量的主要部分[1]。

對(duì)于黃河下游河道，輸沙水量不僅受上游來(lái)水來(lái)沙、邊界狀態(tài)等多方面的影響，還與下游河道要求控制的淤積水平等密切有關(guān)[2]。其中，來(lái)水來(lái)沙條件對(duì)河道輸沙水量具有重要的影響。近幾十年來(lái)，隨著黃河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沿黃引水引沙量逐年增大，造成水沙條件相應(yīng)發(fā)生改變。不過(guò)，現(xiàn)今對(duì)于引水引沙改變水沙條件影響輸沙水量的研究尚開展較少。本文在已有輸沙水量研究成果的基礎(chǔ)上，以黃河下游艾山—利津河段為研究對(duì)象，進(jìn)一步分析研究河道引水引沙對(duì)輸沙水量的影響。

1 輸沙水量的定義與計(jì)算方法

輸沙水量是指在一定水沙條件下，通過(guò)河流某一河段或斷面輸送單位重量泥沙進(jìn)入下游所用的清水的體積，相應(yīng)計(jì)算方法為：

式中：W′為輸沙水量，m3/t；S 為河流過(guò)水?dāng)嗝婧沉?，kg/m3；ρs為泥沙密度，kg/m3，一般取2 650 kg/m3。

大量實(shí)測(cè)資料分析表明，黃河下游河道泥沙輸送具有“多來(lái)多淤多排”的特點(diǎn)，沿程某一過(guò)水?dāng)嗝婧沉靠梢圆捎每紤]上站來(lái)水含沙量的冪律函數(shù)進(jìn)行表示[3]：

式中，S 為出口斷面含沙量，kg/m3；Q 為出口斷面流量，m3/s；S0為進(jìn)口斷面含沙量（當(dāng)有引水引沙情況時(shí)，采用來(lái)沙量減區(qū)間引沙量與來(lái)水量減區(qū)間引水量的比值進(jìn)行修正），kg/m3；K 為輸沙系數(shù)；a、b 分別為輸沙指數(shù)。

結(jié)合式（1）、（2），可以看出，對(duì)于某一具體河段，當(dāng)上游來(lái)水來(lái)沙條件發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)也會(huì)對(duì)輸沙水量產(chǎn)生影響。

2 黃河下游艾利河段水沙變化過(guò)程

圖1～4 分別為黃河下游艾山—利津河段進(jìn)口水文站艾山站1960—2015 年來(lái)水來(lái)沙量、河段區(qū)間引水引沙量以及出口利津站輸沙水量變化過(guò)程。可以看出：20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，黃河下游艾山站年徑流量與輸沙量總體呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢(shì)，但輸沙量減小幅度要大于徑流量減小幅度；區(qū)間引水引沙變化以90 年代為界，90 年代前引水引沙量不斷增大，90 年代后引水量略有減小，引沙量也有所減小，但引沙量減小幅度要大于引水量減小幅度。統(tǒng)計(jì)90 年代艾利河段引水量占來(lái)水量的比值可以高達(dá)26.9%，引沙量占來(lái)沙量的比值達(dá)到15.04%。這表明，河道引水引沙對(duì)來(lái)水來(lái)沙條件已經(jīng)造成重要的影響。受河段水沙條件及其組合變化的影響，出口利津站輸沙水量在90 年代后呈現(xiàn)出急劇增大的趨勢(shì)。

圖1 黃河下游艾山站來(lái)水來(lái)沙量變化

圖2 黃河下游艾利河段引水引沙過(guò)程

圖3 黃河下游艾利河段引水引沙比統(tǒng)計(jì)

3 引水引沙影響輸沙水量分析

根據(jù)黃河下游艾山、利津兩站多年長(zhǎng)序列實(shí)測(cè)水沙及引水引沙資料，考慮河段區(qū)間引水引沙對(duì)河段來(lái)水含沙量S0進(jìn)行修正。通過(guò)多元回歸，得到出口利津站年均含沙量計(jì)算表達(dá)式為：

圖4 黃河下游利津站輸沙水量變化過(guò)程

式中，Slj為利津站年均含沙量，kg/m3；Qlj為利津站年均流量，m3/s；Sas為河段年均來(lái)水含沙量（艾山站來(lái)沙量減引沙量與來(lái)水量減引水量的比值），kg/m3。

圖5 為式（3）計(jì)算得到的利津站年均含沙量與實(shí)測(cè)年均含沙量的對(duì)比情況?？梢钥闯觯河?jì)算值與實(shí)測(cè)值基本位于45°線附近，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.94，兩者符合良好。

圖5 利津站年均含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比情況

基于式（3），假定河段區(qū)間無(wú)引水引沙情況下，計(jì)算出利津站年均含沙量，并結(jié)合式（1）進(jìn)一步計(jì)算利津站的輸沙水量，如圖6 所示。

圖6 有無(wú)引水引沙情況下艾利站輸沙水量變化情況

其中，河段區(qū)間無(wú)引水引沙情況下，來(lái)水含沙量S0即為艾山站來(lái)沙量與來(lái)水量的比值，流量Q 采用艾山站年均流量。統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段艾利河段引水引沙影響輸沙水量結(jié)果見表1。

表1 黃河下游艾利河段引水引沙影響輸沙水量統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié) 論

1）根據(jù)輸沙水量定義與計(jì)算方法，對(duì)黃河下游艾利河段利津站輸沙水量變化過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，黃河下游艾利河段受來(lái)水來(lái)沙量不斷減少及引水引沙量不斷增大影響，出口利津站輸沙水量總體呈現(xiàn)出持續(xù)增大的趨勢(shì)，并在90 年代后急劇增大。

2）對(duì)黃河下游艾利河段有無(wú)引水引沙情況下利津站輸沙水量變化過(guò)程進(jìn)行了比較計(jì)算。結(jié)果表明，1960—2015 年期間，黃河下游艾利河段在無(wú)、有引水引沙情況下年均輸沙水量分別約為87.39 m3/t、84.65 m3/t。引水引沙造成用于輸送單位重量1 t 泥沙的水量減少約2.73 m3，河道增淤約為7.72 億t。