卞艷麗 黃福貴 曹惠提

摘要：黃河下游三劉寨灌區(qū)引黃涵閘靠流條件良好，但河床下切引起大河水位降低，對(duì)涵閘引水能力產(chǎn)生了一定影響。采用2002-2013年花園口水文站流量、水位資料以及三劉寨灌區(qū)引水量資料，分析得到三劉寨引黃閘閘前黃河水位過程、閘前水位與引水流量的關(guān)系，并由此提出現(xiàn)階段水源和工程條件下涵閘可引水流量旬過程，多年（2007-2011年）平均及50%保證率來水年（2010年）正?？梢糠謩e為8 931萬m和8 395萬m。

關(guān)鍵詞：涵閘;引水條件;引水能力;三劉寨灌區(qū);黃河下游

中圖分類號(hào)：S273;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019 .01. 034

三劉寨引黃灌區(qū)興建于1965年，位于黃河南岸鄭州市中牟縣境內(nèi)。灌區(qū)北臨黃河大堤，南依賈魯河，東與開封縣接壤，涉及中牟縣的雁鳴湖、狼城崗、萬灘、大孟、官渡等5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總土地面積279.67 km，設(shè)計(jì)灌溉面積1.97萬hm，設(shè)計(jì)灌溉保證率50%.灌區(qū)現(xiàn)狀有效灌溉面積1.40萬hm。灌區(qū)是以引黃自流灌溉為主、井灌為輔的井渠結(jié)合灌區(qū)。灌區(qū)現(xiàn)有總干渠1條、干渠3條、支渠15條，干支渠總長122.70 km，其中：總干渠長0.25 km，干渠總長60.45 km.支渠總長62.00 km[1]。灌區(qū)渠首閘三劉寨引黃閘距上游花園口水文站約30 km。

1 來水量分析

來水量分析采用花園口水文站的觀測資料，花園口站以上集水面積為730 036 km，1950-2015年多年平均徑流量為371.08億m，見圖1?？梢钥闯觯?968年劉家峽水庫開始運(yùn)用、1986年龍羊峽水庫開始運(yùn)用在一定程度上改變了花園口斷面的自然水流情勢：1999年小浪底水庫投運(yùn)后，花園口斷面的年徑流量受水庫調(diào)節(jié)的影響相對(duì)較小。

1.1 徑流量年內(nèi)分配

黃河地表徑流量時(shí)空分布具有年內(nèi)分配不均、年際變化大的特點(diǎn)。因年降水量主要集中于6-9月，故河川徑流量主要集中在汛期7-10月，約占全年的57.1%。黃河花園口水文站1950-2013年天然徑流量年內(nèi)分配情況見表1。

1.2 徑流量年際變化

根據(jù)黃河干流花園口水文站1950-2013年的實(shí)測徑流量資料，黃河花園口年徑流量變差系數(shù)為0.35，且按年代均值整體來說呈減小趨勢，具有20世紀(jì)50、60、80年代偏豐，70、90年代以來偏枯的特點(diǎn)，其中：60年代最豐，90年代最枯，21世紀(jì)10年代偏枯。最大年徑流量為861.41億m，出現(xiàn)在1964年：最小年徑流量為142.57億m，出現(xiàn)在1997年;2013年接近平水年。20世紀(jì)90年代平均年徑流量較多年平均值減少近5成。最豐年代和最枯年代年徑流量均值的比值約為2.2。

1.3 來水量頻率分析

由于1968年劉家峽水庫的運(yùn)用、1986年龍羊峽水庫的運(yùn)用改變了大壩下游黃河干流的自然水流情勢，從水文資料的一致性來看，采用1986年龍羊峽水庫運(yùn)行后的水文資料序列較好，但缺點(diǎn)是其序列太短，且1986年以后來水處于偏枯水時(shí)段，代表性較差。綜合考慮，選取劉家峽水庫運(yùn)用后的實(shí)測水文資料序列，即采用花園口水文站1969-2013年實(shí)測水文資料進(jìn)行頻率分析。該水文序列涵蓋了豐、平、枯水時(shí)段，具有一定的代表性。根據(jù)花園口水文站1969-2013年連續(xù)45 a實(shí)測徑流量分析得到花園口水文斷面多年平均年徑流量為320.02億m。頻率分布曲線采用P-Ⅲ型曲線，取Cv值為0.35，Cs/Cv值為3.0。

花園口斷面1969-2013年年徑流量頻率分析結(jié)果見表2?？芍?0%保證率下花園口斷面年徑流量為302.09億m，75%保證率下花園口斷面年徑流量為238.25億m。根據(jù)50%保證率下花園口斷面年徑流量，從供水偏安全的角度考慮，選取2010年花園口斷面的來水過程（年徑流量276.45億m）分析計(jì)算三劉寨灌區(qū)渠首閘引水能力，見圖2。

2 黃河河勢與來水來沙條件

2.1 三劉寨閘前河勢與河床沖淤分析

三劉寨灌區(qū)渠首閘位于中牟縣萬灘鎮(zhèn)三劉寨村東北，黃河南岸大堤樁號(hào)42+200處，處于黃河萬灘彎道段凹岸頂點(diǎn)偏下游。自1966年興建三劉寨引黃渠首閘以來，歷經(jīng)三門峽水庫滯洪排沙運(yùn)用期（1970-1974年）、三門峽水庫蓄清排渾運(yùn)用及下游河道整治期（1975-1984年）、小浪底水庫運(yùn)行初期等幾個(gè)階段，黃河主流基本靠近三劉寨引黃閘處，其垂直距離的變化幅度較小。經(jīng)1960-2005年實(shí)測資料分析，主流距三劉寨閘1.0 km遠(yuǎn)的情況僅有2a，一般只有20～30 m。尤其是近年來黃河控導(dǎo)工程修建后，三劉寨閘未出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，這對(duì)三劉寨閘的引水非常有利。

截至2013年7月，小浪底水庫已進(jìn)行12次調(diào)水調(diào)沙。從黃河調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)資料來看，第一次調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)白鶴一花園口段主槽刷深0.18 m，第二次試驗(yàn)花園口站主槽刷深0.14 m，第三次試驗(yàn)刷深0.02 m。引黃涵閘2002年、2013年設(shè)計(jì)流量對(duì)應(yīng)的黃河水位及變化，見表3。點(diǎn)繪500 m/s流量花園口斷面歷年水位變化圖，見圖3。花園口以上河段在黃河流量為700 m/s情況下，引黃涵閘引水水位平均下降0.93 m;在黃河流量500 m/s情況下，花園口至夾河灘河段引黃涵閘引水水位平均下降0.46 m[2]。

黃河小浪底水庫運(yùn)用后，沖沙效果明顯，河道顯著刷深，綜合分析黃河沿線水位變化，下游河段水位變化趨勢基本一致，普遍下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2002年小浪底水庫攔沙運(yùn)用至今，黃河下游河床平均沖刷下切了1.30～2.86 m; 2002-2013年水位平均降低2.28 m，2008-2013年水位平均降低0.80 m。近年來三劉寨閘歷年引水流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及設(shè)計(jì)流量，主要原因是受黃河沖淤變化影響，小浪底水庫的運(yùn)用及黃河實(shí)行調(diào)水調(diào)沙以來，該段黃河河道受到?jīng)_刷，河床下切，同流量閘前水位下降，加上輸水渠淤積等，使三劉寨閘引水能力逐年下降。但三劉寨閘閘前水位仍高于閘底板高程。

2.2 黃河來水含沙量分析

黃河是一條高含沙河流，統(tǒng)計(jì)花園口水文站1974-2013年實(shí)測泥沙資料，花園口水文站多年平均含沙量為11.84 kg/m。從含沙量各月變化情況來看，黃河下游高含沙量期主要分布在7-9月，其中8月份含沙量最高，為45.84 kg/m。

考慮到小浪底水庫興建以前，花園口水文站泥沙含量為黃河天然含沙量狀態(tài)，而自小浪底水庫建成運(yùn)用后，花園口水文站泥沙含量明顯減小。2002-2013年花園口站各月含沙量均值見表4。由表4可知，2002-2013年花園口站平均含沙量為2.25 kg/m，僅為多年均值的19.00%。從含沙量各月變化情況來看，8月份含沙量最高，為10.36 kg/m。

3 三劉寨灌區(qū)渠首閘引水情況

3.1 引水的流量條件分析

受小浪底水庫建成運(yùn)用后下游河道演變、河床下切的影響，2002年以來花園口以下河床普遍下切1.30～ 2.86 m。河床下切后影響灌區(qū)引水，當(dāng)黃河來水流量小時(shí)，引水能力很小。統(tǒng)計(jì)歷年三劉寨引黃閘引水時(shí)花園口最小黃河流量，見表5.可見歷年三劉寨閘引水時(shí)黃河最小流量在286～ 529 m/s之間。考慮黃河調(diào)水調(diào)沙以來，三劉寨閘附近同流量水位下降，取引水流量較小的2004年花園口流量298 m/s作為三劉寨閘可引水的黃河最小流量值。統(tǒng)計(jì)花園口水文站流量小于298 m/s的天數(shù)，作為三劉寨閘限制引水的時(shí)間。根據(jù)2002-2013年花園口水文站流量資料分析，小于298 m/s的天數(shù)多年平均為20 d.平水年份（2010年）為Od，見表6。

3.2 引水的含沙量條件分析

結(jié)合引黃工程供水的實(shí)際需要，含沙量超過30 kg/m3時(shí)，要限制取水工程引水。統(tǒng)計(jì)2002-2013年三劉寨引黃閘8月份實(shí)際引水日期，見表7。由表7可知，自黃河調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)以來，三劉寨引黃閘雖然在最初幾年還有引水，但2006年以來8月均無引水。

此外，黃河調(diào)水調(diào)沙一般在6月下旬至7月上旬進(jìn)行，分析黃河調(diào)水調(diào)沙期間三劉寨引黃閘的實(shí)際引水情況，見表8。由表8可知，三劉寨引黃閘除最初兩年（2002-2003年）在黃河調(diào)水調(diào)沙期間不引水以外，大多年份在調(diào)水調(diào)沙期間引水.2004-2011年只有2007年在調(diào)水調(diào)沙期間沒有引水。該段黃河含沙量沒有超標(biāo)是三劉寨閘在調(diào)水調(diào)沙期間正常引水的原因之一，另外該時(shí)段也是灌區(qū)農(nóng)業(yè)需水關(guān)鍵期。此外，近幾年河南黃河河務(wù)局在汛前調(diào)水調(diào)沙期間實(shí)施引黃工程“防淤減淤”措施，調(diào)水調(diào)沙后期開閘拉沙沖淤，以防止調(diào)水調(diào)沙后期因水位快速回落而造成引黃取水口及引水渠淤積。

綜合黃河來水含沙量情況及三劉寨閘歷年實(shí)際引水情況，三劉寨引黃閘在8月高含沙量期間不宜引水，而在黃河調(diào)水調(diào)沙期間只要黃河含沙量不超標(biāo)，三劉寨閘都可以正常引水。

4 涵閘正?？梢?/p>

根據(jù)黃河來水及含沙量分析，綜合三劉寨閘歷年實(shí)際引水情況，高含沙量不宜引水期確定為8月。

4.1 引水流量與閘前水位關(guān)系分析

三劉寨引黃閘為三孔涵洞式水閘，孔高2.0 m，寬2.5 m，設(shè)計(jì)流量25 m/s，加大流量30 m/s.設(shè)計(jì)閘底板高程81.64 m，洞身長84.3 m.工程運(yùn)行情況良好。

三劉寨引黃閘位于花園口水文站下游，黃河花園口站一三劉寨閘河段比降約為1/5 000.據(jù)此推求2002-2011年黃河實(shí)施調(diào)水調(diào)沙期間三劉寨閘前黃河水位。2002-2011年三劉寨閘年均引水流量及閘前水位見表9。三劉寨引黃閘年均引水流量1.2～3.1 m/s，年均閘前水位84.6～ 86.3 m[1，3]。

采用花園口水文斷面流量作為三劉寨閘前來水流量，統(tǒng)計(jì)分析2014-2015年三劉寨閘逐日引水流量與相應(yīng)閘前水位的關(guān)系，選擇能夠代表三劉寨閘引水能力的水位一流量關(guān)系點(diǎn)建立二者關(guān)系（見圖4），得到水位一流量關(guān)系式：

H= 0.181 8q+84.606式中：H為閘前水位，m;q為引水流量，m/s。

4.2 涵閘正?？梢?/p>

引黃閘閘前水位高于閘底高程和引水閘不脫流是能夠引到黃河水的關(guān)鍵。按照三劉寨閘正常引水時(shí)間、黃河來水過程、三劉寨閘前黃河水位及引水閘前水位和引水流量關(guān)系分析結(jié)果，計(jì)算三劉寨引黃閘正?？梢俊？紤]受小浪底水利樞紐調(diào)節(jié)的影響，來水量的多年均值采用來水較穩(wěn)定的2007-2011年的多年平均值，與P= 50%來水典型年（2010年）三劉寨閘正?？梢坑?jì)算結(jié)果分別見表10、表11。

三劉寨引黃閘多年（2007-2011年）平均和P=50%來水年（2010年）正?？梢糠謩e為8 931萬m和8 395萬m.平均引水流量分別為3.21 m/s和3.19 m/s。需要說明的是，當(dāng)黃河河勢和河道沖淤發(fā)生較大變化時(shí)，需要對(duì)三劉寨引黃涵閘的引水能力進(jìn)行實(shí)時(shí)修正。

5 結(jié)語

小浪底水庫運(yùn)用對(duì)黃河下游防洪減淤、塑造下游河道、穩(wěn)定主槽起到了重大作用，產(chǎn)生了較大的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境效益。與此同時(shí)，黃河下游河道普遍下切，河勢與水沙形勢發(fā)生了一些變化，使下游引黃涵閘引水條件與設(shè)計(jì)情況相比發(fā)生了變化，造成部分河段涵閘引水困難，需要保持較大的黃河流量才能滿足沿黃涵閘引水對(duì)水位的要求。

通過對(duì)三劉寨引黃閘引水條件、閘前水位與引水流量關(guān)系的分析，得出該閘多年（2007-2011年）平均及P= 50%來水年（2010年）正?？梢糠謩e為8 931萬m和8 395萬m.平均引水流量分別為3.21m/s和3.19 m/s。

由于涵閘引水能力受河道沖淤變化影響較大，因此需要及時(shí)掌握河道沖淤變化，進(jìn)一步完善計(jì)算方法。建議對(duì)黃河下游河段引黃涵閘引水能力進(jìn)行跟蹤研究，及時(shí)掌握黃河下游河段涵閘的引水能力及其變化過程，指導(dǎo)黃河干流水庫和引黃工程的調(diào)度運(yùn)行，提高黃河干流水量調(diào)度的科學(xué)性、針對(duì)性和時(shí)效性，最大限度地發(fā)揮黃河水資源的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境效益。

參考文獻(xiàn)：

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