洋河干流水沙變化對下游灌區(qū)的影響研究

朱思瑾 李昊哲

為貫徹落實(shí)黨的十九大精神，大力推動(dòng)全社會(huì)節(jié)水，國家發(fā)展改革委、水利部印發(fā)了《國家節(jié)水行動(dòng)方案》（以下簡稱《方案》）?！斗桨浮分刑岢觯罅ν七M(jìn)節(jié)水灌溉，推廣噴灌、微灌、滴灌、低壓管道輸水灌溉等一系列技術(shù)措施［1-2］。2016 年，國家發(fā)改委會(huì)同水利部、國家林業(yè)局印發(fā)了《永定河綜合治理與生態(tài)修復(fù)總體方案》，提出水資源節(jié)約與生態(tài)用水配置等一系列要求［3］。永定河流域洋河二灌區(qū)積極響應(yīng)國家號(hào)召，施行節(jié)水綜合改造，打造以微灌、管灌為主要灌溉方式的高效節(jié)水灌溉面積1 133.33 hm2（1.7萬畝）。

根據(jù)GB/T 50485—2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》，微灌水質(zhì)中懸浮固體物質(zhì)濃度低于50 mg/L 時(shí)，淤堵可能性較低；懸浮固體物質(zhì)濃度在50~100 mg/L時(shí)，淤堵可能性中等；懸浮固體物質(zhì)濃度高于100 mg/L時(shí)，淤堵可能性較高［4］。為進(jìn)一步明確節(jié)水綜合改造后，灌區(qū)非汛期引水含沙量情況以及設(shè)置沉沙池的必要性，本文采用實(shí)測資料分析方法，以工程區(qū)范圍內(nèi)懷來氣象站和響水堡水文站1964—2019年長系列實(shí)測降水、流量、含沙量資料為依托，分析2站年際、汛期、非汛期上述要素變化趨勢，以期對洋河二灌區(qū)未來實(shí)施高效節(jié)水灌溉方式后非汛期引水含沙量是否超標(biāo)以及設(shè)置沉沙池的必要性進(jìn)行全面論證。

1 研究區(qū)概況

1.1 灌區(qū)基本情況

洋河二灌區(qū)位于河北省西北部、官廳水庫上游的永定河流域，灌區(qū)西起張家口市下花園區(qū)，東至懷來縣沙城鎮(zhèn)，北至京張公路和京包鐵路，南至洋河北岸。灌區(qū)渠首位于雞鳴驛村西的洋河北岸，引洋河水進(jìn)行農(nóng)田灌溉。灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積7 333.33 hm2（11 萬畝），有效灌溉面積6 666.67 hm2（10 萬畝），現(xiàn)狀實(shí)際灌溉面積5 466.67 hm2（8.2萬畝）。

洋河是永定河一級支流，屬海河流域，發(fā)源于內(nèi)蒙古自治區(qū)興和縣東洋河，向東流經(jīng)懷安、萬全縣，折東南經(jīng)宣化、張家口市下花園區(qū)，至涿鹿、懷來交界處與桑干河交匯后稱永定河，后入官廳水庫。洋河河道全長253 km，流域面積為15 470 km2。洋河二灌區(qū)一干渠引水口位于懷來縣與涿鹿縣分水口斷面下游1.8 km處，引水口斷面以上流域面積為14 758 km2，分水口斷面以上流域面積為14 749 km2。一干渠引水口上游12.3 km 處設(shè)有響水堡水文站。

1.2 水利工程概況

洋河流域自上至下分別建有友誼水庫、洋河水庫等大中型水利工程。其中東洋河友誼水庫（水庫總庫容1.16億m3）控制流域面積2 250 km2，主要任務(wù)為下游灌溉（包括集成渠和四清大渠2個(gè)灌溉渠道控制的灌區(qū)）。洋河干流的洋河水庫位于響水堡水文站上游5.94 km 處，該水庫為中型水庫，控制流域面積為14 140 km2，總庫容為5 750萬m3，現(xiàn)有庫容為1 800萬m3。

2 水文站水沙變化特征分析

2.1 徑流變化

統(tǒng)計(jì)響水堡水文站1964—2019 年實(shí)測徑流系列，多年平均徑流量2.52億m3，徑流年際變化較大且年內(nèi)分布不均，汛期（6—9月）徑流量占全年徑流量的44.1%。由圖1 和圖2 可知，與1964—1980 年相比，2000年后水文站實(shí)測年徑流量和汛期徑流量均呈顯著減少趨勢。

圖1 響水堡水文站年徑流系列

圖2 響水堡水文站汛期徑流系列

由圖3可知，1964—1980年懷來氣象站年降水量與響水堡水文站實(shí)測年徑流量變化趨勢相近；1980年后年降水量有增加趨勢，但同期年徑流量大幅下降。由于洋河水庫于1973 年下閘蓄水，1980年前后逐年徑流量與同期降水量的關(guān)系發(fā)生本質(zhì)變化，上游降水形成的徑流被水庫攔截、流域土壤持水能力大幅提升，響水堡水文站來流量僅來自于洋河水庫下泄流量和水庫至水文站區(qū)間的坡面流入?yún)R，年徑流量呈大幅減少的趨勢。因此，未來很長一段時(shí)間內(nèi)，響水堡水文站年徑流量仍不會(huì)有明顯的增加趨勢。

圖3 懷來氣象站年降水量—響水堡水文站年徑流量關(guān)系

2.2 含沙量變化

由表1可知，1964—2009年水文站汛期含沙量約為非汛期的10 倍，2010—2019 年間，非汛期含沙量均為0；水文站汛期輸沙量占比自1964—1972年間的85.8%增長至2010—2019 年間的100%。因此，水文站汛期徑流量占比呈降低趨勢而輸沙量占比呈增加趨勢，也間接反映出水文站年輸沙量的減少、非汛期徑流量占比提高和水流含沙量降低的趨勢。

表1 響水堡水文站不同年系列實(shí)測全年、汛期和非汛期平均含沙量、輸沙量

根據(jù)水文站近20 年水沙資料分析，僅2000 年和2004年非汛期輸沙量不為0，其中2000年有54 d，最大含沙量為7 kg/m3，2004年有77 d，最大含沙量為23.5 kg/m3，占非汛期總天數(shù)比例僅為2.7%。近20 年中有10 年汛期輸沙量不為0，共計(jì)215 d，占汛期總天數(shù)比例僅為8.8%，且近10 年汛期水流含沙量也較低，為0.32 kg/m3。

據(jù)此可以判斷，若上游洋河水庫非汛期未有特大洪水入庫，洋河二灌區(qū)非汛期約有97%的概率可以引到水流含沙量符合噴灌規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的灌溉用水；若上游洋河水庫汛期未有特大洪水入庫，洋河二灌區(qū)非汛期約有90%的概率可以引到水流含沙量符合噴灌規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的灌溉用水。此外，洋河二灌區(qū)并非全時(shí)段微灌，因此盡量避開水流含沙量大于0的日期進(jìn)行引水微灌。

2.3 懸移質(zhì)顆粒級配

洋河響水堡水文站位于洋河水庫下游約6 km，經(jīng)水庫沉積，出庫泥沙粒徑較細(xì)。懸移質(zhì)泥沙顆粒級配年際、年內(nèi)各月差別不大，統(tǒng)計(jì)洋河響水堡水文站懸移質(zhì)泥沙顆粒級配可知水文站懸移質(zhì)泥沙最大粒徑為0.5 mm，小于0.1 mm泥沙占比達(dá)90%以上，小于0.08 mm泥沙占比達(dá)85%以上，d50為0.032 mm。

2.4 上游水利工程建設(shè)情況

現(xiàn)狀洋河干流已修建多座攔河壩，自2011年起洋河中游段左衛(wèi)鎮(zhèn)207國道至宣大高速公路洋河大橋段已開展了生態(tài)治理工程，共布設(shè)了28座蓄水建筑物，包括16 座橡膠壩、7 座溢流壩和5 座水力翻板壩，這些攔河蓄水建筑物的建設(shè)對于洋河水庫入庫沙量的大幅減少有直接作用。近年來洋河干流自洋河水庫至洋河二灌區(qū)區(qū)間河段也開展了生態(tài)治理工程，修建了多座攔河溢流景觀壩。攔河溢流景觀壩庫容均較小，為長期保持城區(qū)河道水面景觀，河道管理部門會(huì)定期清理攔河壩淤積泥沙。因洋河水庫入庫徑流大多為城鎮(zhèn)生活與工業(yè)退水，出庫水流含沙量很低，區(qū)間來沙也將被多座攔河景觀壩攔截大部分，這將進(jìn)一步降低洋河二灌區(qū)渠首引水含沙量。

2.5 上游支流入?yún)R水沙情況

洋河二灌區(qū)一干渠引水口斷面以上流域面積為14 758 km2，洋河水庫壩址以上流域面積為14 140 km2，洋河水庫—二灌區(qū)渠首區(qū)間流域面積618 km2，較大支溝只有在洋河左岸下花園區(qū)匯入的戴家營河，流域面積約155 km2。因流域面積較小，一般日降雨量不大于40 mm 時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大流量匯入洋河。當(dāng)?shù)匾坏┌l(fā)生暴雨并形成洪水時(shí)，戴家營溝匯入洋河的水流含沙量會(huì)大于0。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

現(xiàn)狀洋河二灌區(qū)渠首非汛期引水灌溉水流較清澈，水中幾乎不含有泥沙顆粒，每年非汛期引水含沙量為0 的時(shí)間約為97%，基本不影響灌區(qū)引水噴灌；每年汛期引水含沙量為0 的時(shí)間約為90%，同樣基本不影響灌區(qū)引水噴灌。因此，洋河二灌區(qū)引水渠前無需設(shè)置沉沙池，可滿足規(guī)范要求的微灌引水含沙量要求。

3.2 建 議

建議在引水渠渠首適當(dāng)位置設(shè)置水流含沙量觀測設(shè)備，當(dāng)監(jiān)測到水流含沙量高于0.1 kg/m3時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止引水微灌。