史東凱

(山西省運(yùn)城市水文水資源勘測分局，山西 呂莊 043800)

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呂莊水庫水文站受水利工程影響的站網(wǎng)調(diào)整探析

史東凱

(山西省運(yùn)城市水文水資源勘測分局，山西 呂莊 043800)

呂莊水庫以上流域的水源開發(fā)已達(dá)到很高程度。為深入研究本流域產(chǎn)流特性，特選取1978～1984年試驗(yàn)資料，該文從本流域自然地理及水利工程分布、徑流還原觀測簡介、河川徑流還原及其問題、地下水還原估算、泥沙還原及水利化影響下站網(wǎng)調(diào)整共六個(gè)方面予以論證，結(jié)論認(rèn)為：在該流域必須把地面、地下水作為整體，從三水轉(zhuǎn)化的觀點(diǎn)來設(shè)計(jì)和調(diào)整站網(wǎng)。

呂莊水庫；徑流還原；河川徑流還原；地下水還原；泥沙還原；水文站網(wǎng)

呂莊水庫水文站位于山西省南部涑水河上游，1955年設(shè)站，原為區(qū)域代表站，1960年呂莊水庫建成后改為水庫站。1958年至1975年，該站上游修起大量小型水利工程，小水庫控制面積占68.5%；1972年后大量開發(fā)地下水，1981年井灌面積達(dá)12萬畝。地面地下水資源大量開發(fā)，改變了天然水文規(guī)律。

1 流域自然地理

呂莊水文站流域面積864 km2，流域東部、南部及北部近分水嶺為石山(占25%)或土石山區(qū)(占15%)；北中部與西北、西南為丘陵區(qū)(占46%)；流域中部為河谷平原區(qū)(占14%)。流域植被較差，僅石山區(qū)上游有少部分石山森林(占全流域6%)。

流域南山坡腳有順涑水河橫貫呂莊以上半個(gè)流域的中條山斷層；在呂莊上游約15 km，在北半流域有與涑水河正交的阜底斷層，成為地下徑流排泄帶。河谷平原區(qū)有涑水河三期古河床，其頂板埋深60～120 m，含水層厚度20～50 m，含水層巖性為砂卵石，富水性強(qiáng)。由于中條山斷層的影響，支流出山后河水大量滲入地下古河床，加之涑水河河道內(nèi)多年來大量挖沙取建材，加大了地表水向地下水轉(zhuǎn)化。據(jù)水利與地質(zhì)部門勘測，呂莊流域是地面水與地下水閉合流域，而且該流域上的較小流域也都是閉合流域，因此作為試驗(yàn)流域是較理想的。

2 徑流還原觀測

本流域除呂莊水文站外，還有冷口水文站(1976年設(shè)立的小河站)。為加強(qiáng)沙渠河流域的試驗(yàn)研究，1984年6月在近出口的孫村增設(shè)了一個(gè)小河站，兼作呂莊水庫的進(jìn)庫站。

河川徑流的還原觀測，重點(diǎn)是抓小型水庫和渠道，起初只調(diào)整或委托觀測蓄變量和用水量，后來又加上排泄量；為反推入庫過程，庫水位觀測相應(yīng)加密；還在本庫和上游加設(shè)雨量點(diǎn)，以使小水庫起到小河站的作用。目前有小水庫委托觀測點(diǎn)6處，渠道引水量委托觀測點(diǎn)15處。為提高水量還原精度與進(jìn)行泥沙還原，1981年至1983年先后對五座小(一)型水庫作了淤積測量，提供了新的、精度較高的庫容曲線。

在1982年還原分析中發(fā)現(xiàn)，地下水開采量在某些年份可達(dá)2 000萬 m3，約占總水量的三分之二，超過年徑流一半，因此地下水觀測、三水轉(zhuǎn)化試驗(yàn)成了不容忽視的新課題，不然年徑流都無法還原。然而這方面正是我們薄弱環(huán)節(jié)，現(xiàn)有的一點(diǎn)地下水動(dòng)態(tài)長觀資料，無論從數(shù)量、質(zhì)量或項(xiàng)目都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了需要。為此，1983年提出把地下水觀測分析作為重點(diǎn)抓，并把研究重點(diǎn)放到較小的沙渠河流域，已于1984年5月打成四眼專用觀測孔，在出口增設(shè)孫村小河站配套。

3 河川徑流還原及其問題

在本來意義上“還原”是指被蓄水、引水工程所調(diào)蓄與引用了的徑流過程與數(shù)量恢復(fù)到天然條件下狀態(tài)，用公式(1)表示為：

W天=W測+∑△V庫+∑Z+∑W灌

式中：W天為天然狀態(tài)下年、月、日次徑流；W測為實(shí)測到的徑流；∑△V庫為各水庫同一時(shí)段內(nèi)的蓄水變量；∑Z為各庫蒸發(fā)、滲漏損失；∑W灌為各庫、渠地面水灌溉引水量，在時(shí)段較長時(shí)要計(jì)入回歸水，應(yīng)改為∑(1-R1)W灌，R1為回歸系數(shù)。

上式右邊各項(xiàng)都能實(shí)測或調(diào)查估算。因此在以水庫、灌溉工程為主時(shí)徑流還原完全可行，一定條件下也能控制誤差。只在時(shí)段較短時(shí)(如次洪水或日還原)要適當(dāng)考慮總工程地點(diǎn)至出口的傳播時(shí)間。洪水過程的還原要復(fù)雜些，但原則上也是可能的。

由于徑流還原沒有“真值”可比，目前一般都是基于地面蓄水、引水工程并不改變產(chǎn)流條件，因而前后降雨～徑流關(guān)系應(yīng)基本一致作為評判標(biāo)準(zhǔn)。這可以用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的方法判定，也可以用類似預(yù)報(bào)誤差評定的簡單方法來衡量，習(xí)慣上常用±20%誤差以內(nèi)點(diǎn)據(jù)合格率來評定。

呂莊以上流域在1960年只有河灌，即使根據(jù)逐年報(bào)表上的實(shí)灌面積推算還原水量，年降雨～徑流關(guān)系和五十年代一致， 1956～1971年±20%范圍內(nèi)的點(diǎn)據(jù)占87%，偏離的1963、1964年是繼1962年豐水年之后連續(xù)的豐水年，所以徑流量明顯偏大。而1972年后同樣方法還原，點(diǎn)據(jù)則系統(tǒng)偏小，系未考慮地下水開采之故。月降雨徑流關(guān)系所反映的規(guī)律也相仿，以七月為例經(jīng)過地面用水還原后1956～1971年基本為一條線，而1972年后系統(tǒng)偏小30%～60%。

至于次洪水還原，呂莊以上沒有洪澆灌區(qū)，小水庫調(diào)蓄對洪量影響都有觀測值可還原。地下水開采會(huì)降低包氣帶土壤水含量，導(dǎo)致地表徑流產(chǎn)流量減少；但在豐水年因地下水開采形成的缺水量得到補(bǔ)充，產(chǎn)流量就將與天然狀態(tài)一致。呂莊站暴雨徑流關(guān)系，其中807與827兩次洪水要比原來減少38.4%和53.2%，這種影響是無法還原的；而1982年8月與1983年因流域不缺水，三次洪水產(chǎn)流量都與原關(guān)系相仿。需要說明，屬半干旱地區(qū)的我省產(chǎn)流問題十分復(fù)雜，目前沒有過關(guān)，以上只找了建庫前幾次洪水資料，用簡單的P+Pa～R關(guān)系做了比較，在數(shù)量上不能作為依據(jù)。

關(guān)于日徑流還原，對屬于自然徑流狀態(tài)(包括基流)并只受蓄水、引水工程影響的還原也可行，只不過要考慮匯流時(shí)間。但受地下水開采影響則無法還原。我們曾對呂莊流域用馬口模型和產(chǎn)、匯流模型摸索過日還原的可能性，除模型本身的缺陷外，結(jié)論都是否定的。

綜上所述，受蓄水、引水工程影響的徑流還原，無論對年、月、日以及次洪水都好辦，也不難控制精度；而呂莊流域還受地下水開采的強(qiáng)烈影響，對此除年徑流還原尚可能外，日、次洪和月徑流的還原都是不可能的。問題在于地下水開采是人為的，它的數(shù)量或時(shí)程分配絕不可能和天然徑流過程相協(xié)調(diào)；還由于地下水大量開采導(dǎo)致基流、地表流和潛水蒸發(fā)減少，促進(jìn)三水轉(zhuǎn)化，相當(dāng)程度上改變了水文規(guī)律，不可能用簡單辦法來還原。

4 地下水還原估算

1970年把打井作為北方水利化的主攻方向，1972年山西大旱許多河流地面水?dāng)嗔鳎偈咕啻蟀l(fā)展。呂莊以上流域1956年前平均每年增加井渠面積約千畝，1972年后平均每年增加約萬畝，1980年底總數(shù)達(dá)12萬畝。地下水埋深也逐年加大，1958年大雨后遍地是水，1962年后逐漸下降；沙渠河上南王灘1970年埋深為0.3 m，1982年11月下降到2 m左右；仁和灘原來下濕不能耕種，現(xiàn)已變?yōu)榱继?；橫水鎮(zhèn)1976年12月至1979年12月潛水埋深從8.9 m降到12.2 m。地下水開發(fā)，初期多為淺井，以后轉(zhuǎn)向深井，實(shí)際上為混采，同樣影響潛水。

地下水的大量開采，首先奪取了河川基流量，減少了潛水蒸發(fā)，改變了產(chǎn)流條件，也將使地表徑流減少，原來地下水(基流)的天然排泄過程當(dāng)然面目皆非了。這樣的條件下作徑流還原當(dāng)然和原概念不同了。在呂莊年徑流還原中我們曾在(1)式基礎(chǔ)上應(yīng)用公式(2)：

W天=W測+∑△V庫+∑Z+∑(1-R1)W灌+∑(1-R2)W采+∑△V地下+Z潛

式中：W采為淺層地下水開采量；R2為井灌回歸系數(shù)；∑△V地下=100U△HF(萬 m3)為地下蓄水變量，U為給水度；Z潛為潛水蒸發(fā)量。

由于資料限制，開采量用每年澆地畝次估算，R2取0.25；地下水蓄變量的水位變幅用各長觀井(共6～8個(gè)井)的算術(shù)平均值，面積固定取平原與低丘陵區(qū)面積249 km2，呂莊以上以亞砂土為主，據(jù)地下水資源評價(jià)中分析給水度U=0.054；潛水蒸發(fā)因地下水觀測井太少埋深圖等資料不夠準(zhǔn)確，故在估算時(shí)忽略。

經(jīng)過地下水還原后的1979～1983年點(diǎn)據(jù)大部分落到還原關(guān)系線±20%區(qū)內(nèi)，其中1983年為繼1982年后連續(xù)豐水年，和1963年、1964年相仿，徑流量偏大。

促使呂莊以上地面地下水轉(zhuǎn)化還有一個(gè)特殊的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件。前已提到，南山坡順河方向斷層使支流河水出山后又鉆入地下補(bǔ)給河谷平川區(qū)地下水；而垂直河道的阜底斷層把涑水河古河床與各支流補(bǔ)給量又都排泄出來，形成呂莊來水中豐沛的基流。另外，從陳村水庫以下至橫水鎮(zhèn)喬寺村長30公里河段為嚴(yán)重漏水河段，河床本身都為砂卵石，1969年后由于大量挖砂石建材，滿河床呈現(xiàn)坑凹狀，使漏水量更加大。

5 泥沙還原問題

水利工程地區(qū)除徑流還原外，還要進(jìn)行泥沙還原。這方面我們所做的工作僅能粗略地估算水庫淤積量。

呂莊水庫本庫的淤積測量按管理體制由工管部門進(jìn)行，呂莊水文站協(xié)助過外業(yè)。上游五個(gè)小(一)型水庫的淤積測量內(nèi)外業(yè)均為呂莊水文站組織進(jìn)行。

水庫淤積量是通過對歷次實(shí)測庫容曲線的分析來進(jìn)行，系根據(jù)“多沙河流水庫庫容特征分析及預(yù)估”一文方法做的。其中呂莊水庫1958年原始庫容測時(shí)精度較差，至1964年第二次測時(shí)不僅沒有淤積，反而增加了400萬 m3。這次分析采用1956至1983年系列，其中1960至1964年淤積量采用水資源評價(jià)的數(shù)據(jù)。楊家園水庫為平原水庫，主要起緩洪作用，該庫1958年原始庫容用假定基面，1976年第二次測時(shí)用大沽基面，二者轉(zhuǎn)換關(guān)系未搞清，故該段淤積測量無法進(jìn)行計(jì)算。但該庫基本未淤。

由于各水庫最后一次測淤年限不同，而這次淤積計(jì)算統(tǒng)一算到1983年測淤后年份的淤積量按汛期雨量比外延。由淤積量轉(zhuǎn)化為侵蝕模數(shù)時(shí)淤積物容重按1.3計(jì)算。

陳村、紫家、三河口、小澗河水庫與冷口水文站自然地理?xiàng)l件相近，觀測年限(大部分為1976年前后至1983年)也相近，但侵蝕模數(shù)卻出入較大，其中尤以紫家水庫最小，按植被等條件為不合理。據(jù)各水庫反映，其原始庫容曲線測制都很粗糙，所以據(jù)以計(jì)算的淤積量也不準(zhǔn)，為減少誤差可取四庫平均侵蝕模數(shù)值1 370 t/km2與冷口水文站根據(jù)實(shí)測輸沙量計(jì)算的侵蝕模數(shù)721 t/km2之比為1.90。據(jù)山東省資料山丘區(qū)河流泥沙的總懸比為1.94，二者十分接近。呂莊水庫本庫1960至1983年淤積568萬 t，侵蝕模數(shù)356 t/km2；加上上游小水庫淤積還原量后，侵蝕模數(shù)達(dá)到436t/km2；如再加上建庫前1956至1959年輸沙資料，則侵蝕模數(shù)為473 km2。水資源評價(jià)中呂莊上游侵蝕模數(shù)346 t/km2，系未加上游還原值。呂莊水庫為平原水庫，所以泥沙還原后侵蝕模數(shù)較小是合理的。其上游橫水鎮(zhèn)附近很長一段河道多年來大量挖取砂石建筑材料，其數(shù)量很難估計(jì)，實(shí)際的侵蝕模數(shù)將大于以上值。

6 水利化影響下呂莊流域水文站網(wǎng)調(diào)整

呂莊流域多年平均河川徑流量為4 340萬 m3。自呂莊水庫運(yùn)用以來，曾經(jīng)棄水的只有1964、1982、1983年，總棄水量不大，約占總來水量的百分之幾。由于地下水大量開發(fā)，較干旱年份幾乎沒有地表水(1979年呂莊進(jìn)庫僅11萬 m3)。這些數(shù)據(jù)和情況說明，呂莊以上流域水資源的開發(fā)程度已經(jīng)非常高了。在絕大部分水資源被利用，特別是大量開發(fā)地下水的條件下，水文站網(wǎng)已不僅是調(diào)整問題了，更亟需重新布局。

我們設(shè)想?yún)吻f流域的水文站網(wǎng)應(yīng)當(dāng)包括四部分：第一部分為雨量蒸發(fā)觀測站網(wǎng)，為水資源計(jì)算所需的站應(yīng)長系列觀測，其它需要的站非長期觀測。第二部分為小河站與試驗(yàn)站，主要解決水文、水資源計(jì)算參數(shù)。這部分站并不長時(shí)期收集資料，利用雨量計(jì)算水資源達(dá)到必要精度時(shí)即可撤銷?，F(xiàn)有冷口、孫村兩處小河站，孫村應(yīng)發(fā)展為三水轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)站，還應(yīng)增加一處黃土丘陵區(qū)小河站。第三部分為水利工程水文觀測站，類似國外的水管理站，其任務(wù)為水文測報(bào)、水資源管理調(diào)度與工程管理運(yùn)用等。該站應(yīng)按水系設(shè)立，還應(yīng)監(jiān)管上游小型工程的測報(bào)管理。在現(xiàn)行管理體制下還可以保留水文站。呂莊上游五個(gè)小(一)型水庫除楊家園水庫兼為進(jìn)庫站外，陳村、紫家、三河口、小澗河四庫加冷口其控制流域面積24.3%，卻控制了水量的81.8%(1979至1983年統(tǒng)計(jì))，是主要產(chǎn)流區(qū)，這些小水庫都可兼作小河站用。第四部分為地下水觀測系統(tǒng)：包括以專用觀測孔為主的動(dòng)態(tài)觀測井網(wǎng)；各種水文地質(zhì)參數(shù)觀測，試驗(yàn)孔以及三水轉(zhuǎn)換專用試驗(yàn)孔；開采量觀測井網(wǎng)等。

7 結(jié)語

呂莊水庫以上流域的水資源開發(fā)已達(dá)很高程度。本文借用1978～1984年試驗(yàn)分析資料進(jìn)行分析，對于像呂莊這樣高開發(fā)地區(qū)的水文站網(wǎng)不僅要調(diào)整，還應(yīng)從三水轉(zhuǎn)化角度出發(fā)，地面、地下一起抓，重新布局，才能較為全面客觀的反映呂莊流域水利特性，更好地為防汛搶險(xiǎn)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

P331.1

B

1004-1184(2016)06-0117-02

2016-08-15

史東凱(1970-)，男，山西聞喜人，工程師，主要從事水文測驗(yàn)、水文資料整編與分析工作。