梁聰聰 劉曉雪

（1.黃河水利委員會(huì)水文局，鄭州 450004；2.黃河水利委員會(huì)河南水文水資源局，鄭州 450004）

1 研究背景

受大陸性季風(fēng)氣候影響，黃河寧蒙河段冬季寒冷而干燥，大部分河段為穩(wěn)定封凍河段。寧蒙河段首凌多出現(xiàn)在11 月中下旬，首封多出現(xiàn)在11 月下旬至12 月上中旬[1]。寧蒙引黃灌區(qū)地處我國西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，當(dāng)?shù)氐乇韽搅髁亢苄。r(nóng)業(yè)灌溉主要依靠引黃河水。由于洗鹽壓堿的需要和便利的引水條件，寧蒙引黃灌區(qū)形成了“大引大排”的灌溉特點(diǎn)。寧蒙灌區(qū)灌溉方式對(duì)河段河道流量變化影響顯著，加之河段流凌封河期與灌區(qū)冬灌期有交叉，故灌區(qū)冬灌期引退水勢(shì)必將影響河段流凌及封河形勢(shì)。

2 引退水特點(diǎn)分析

黃河寧蒙河段冬季無支流加水，可利用水量平衡方法對(duì)比河段進(jìn)出口控制站流量變化過程，分析灌區(qū)引退水規(guī)律。選取下河沿、石嘴山和頭道拐3個(gè)水文斷面作為河段分析節(jié)點(diǎn)斷面，下河沿和石嘴山作為上河段的進(jìn)出口斷面、石嘴山和頭道拐分別作為下河段的進(jìn)出口斷面?？紤]水流傳播時(shí)間對(duì)河段進(jìn)出口斷面日均流量進(jìn)行差值計(jì)算。下河沿—石嘴山段水流傳播時(shí)間為3～5 d[2]，石嘴山—頭道拐段水流傳播時(shí)間為6～9 d[3]。

在無支流匯入、引退水影響和工程調(diào)蓄等影響的河段中，受蒸發(fā)、下滲等水量損耗影響，河道流量在演進(jìn)過程中逐漸減小，進(jìn)出口斷面差值計(jì)算結(jié)果一般為正值，且比較穩(wěn)定。灌區(qū)引水時(shí)，出口斷面流量明顯減小，差值增大。灌區(qū)退水時(shí)，出口斷面流量增加，差值減少，退水量大于流量損失時(shí)出現(xiàn)負(fù)值。退水期結(jié)束差值則恢復(fù)至損失流量。

2.1 引退水影響時(shí)段分析

黃河寧蒙河段引水和退水具有重合期，往往引水未結(jié)束灌區(qū)退水口已開始退水。根據(jù)引流量差值變化情況將引退水期設(shè)3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，差值明顯增大作為引水影響期開始時(shí)間。之后引水減少，退水增大時(shí)，當(dāng)差值等于損失流量時(shí)，退水作為河道流量變化的主要因素，當(dāng)前時(shí)刻作為引水影響期結(jié)束退水影響期開始時(shí)間節(jié)點(diǎn)。再往后退水開始逐漸減小，差值恢復(fù)至損失流量時(shí)刻作為退水影響期結(jié)束時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

據(jù)分析，上、下兩段河段冬灌期退水對(duì)河道流量的影響結(jié)束時(shí)段分別為12月初、11月中下旬。下河沿—石嘴山河段退水對(duì)河道流量影響的結(jié)束時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定，且基本不受區(qū)域降水和上游來水的影響（圖1）。石嘴山—頭道拐河段退水對(duì)河道流量影響的結(jié)束時(shí)間各年波動(dòng)較大，并有推遲的趨勢(shì)，與區(qū)域降水和上游來水情況關(guān)聯(lián)也不大（圖2）。

圖1 下河沿—石嘴山河段退水結(jié)束期與區(qū)域降水和上游來水關(guān)系分析

2.2 引退水水量和峰值分析

下河沿—石嘴山河段引水期，上游進(jìn)口斷面多年平均徑流量為23億m3左右，出口斷面多年平均徑流量為16億m3左右，徑流量減少約7 億m3左右。石嘴山—頭道拐河段10月下旬至引退水結(jié)束，上游進(jìn)口斷面多年平均徑流量為25億m3左右，出口斷面多年平均徑流量為14億m3左右，徑流量減少約10億m3左右（圖3）。

圖3 河段引水量對(duì)比圖

引（退）水期河道流量差的峰值反映引（退）水對(duì)河道流量削減（補(bǔ)給）的最大值，是分析引水造成河段流量波動(dòng)的重要指標(biāo)之一。據(jù)分析，下河沿—石嘴山河段引水和退水造成流量差的峰值分別為上游斷面相應(yīng)流量多年均值的一半和3 成。石嘴山—頭道拐河段各年的退水峰值可占出口斷面相應(yīng)流量的10%～60%（圖4）。

圖4 石嘴山—頭道拐河段退水峰值百分比

2.3 突變?cè)\斷

分別對(duì)上下兩段河段的引水和退水峰值進(jìn)行突變檢驗(yàn)，采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)法，計(jì)算公式[4]為：

其中

式中：xi，xj為分析序列第i、j年的樣本值；rj為第i年數(shù)值大于j年數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)；dk為xj的累計(jì)數(shù)；E(dk)為累計(jì)數(shù)dk的均值；var(dk)為累計(jì)數(shù)dk的方差。

順序時(shí)間序列的秩序列計(jì)算UFk，逆序時(shí)間序列計(jì)算的秩序列計(jì)算UBk，給定顯著性水平α=0.05，對(duì)于臨界值為U0.05=±1.96，將UFk和UBk兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列區(qū)間曲線與U0.05=±1.96 兩條直線繪制在一個(gè)平面直角坐標(biāo)系上（圖5）。檢驗(yàn)情況表明下河沿—頭道拐河段引水和退水峰值均沒有發(fā)生突變，石嘴山—頭道拐河段退水峰值過程在2013 年發(fā)生突變。突變?cè)虺醪椒治鍪鞘芎２獮乘畮煜麻l蓄水影響，海勃灣水庫是一座防凌、發(fā)電的綜合性水利樞紐工程，水庫于2013—2014 年度凌汛期開始下閘蓄水，并應(yīng)用于凌汛期防凌調(diào)度。

圖5 河段引退水突變分析

2.4 引退水對(duì)下游斷面流量波動(dòng)影響分析

受上游水庫防凌調(diào)度影響下河沿?cái)嗝媪髁坑?1月上旬開始減少，11 月下旬達(dá)到低點(diǎn)之后保持平穩(wěn)。石嘴山斷面受上游水庫及石嘴山以上河段引退水雙重影響，流量于10月下旬開始提前減少，11月中旬降至低點(diǎn)，之后略有回升并保持平穩(wěn)。

石嘴山—頭道拐河段在上游來水和引退水的影響下，巴彥高勒、三湖河口、頭道拐三站水文斷面10月流量為石嘴山斷面的3～6成，且呈現(xiàn)緩慢減小。進(jìn)入11月，石嘴山—頭道拐河段流量開始有所回升，回升幅度為4成左右（圖6）。

圖6 各斷面引退水期流量過程

波動(dòng)系數(shù)作為反應(yīng)出口斷面相對(duì)進(jìn)口斷面波動(dòng)的大小的值。波動(dòng)系數(shù)越大，反應(yīng)出口斷面流量受引退水影響后流量波動(dòng)程度越大。據(jù)對(duì)比分析上下兩段河段出口斷面受引退水影響的波動(dòng)程度有下降趨勢(shì)（圖7）。上段波動(dòng)程度較下段小且逐年系數(shù)較為集中，反應(yīng)上段河段各年引退水情況較為下段穩(wěn)定，變化較小。

圖7 斷面波動(dòng)程度分析

3 結(jié) 論

（1）黃河寧蒙河段冬灌期引退水多集中在9月上旬至11月下旬，與流凌封河期具有交叉時(shí)段。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，有40%年份的首凌日出現(xiàn)在引退水期，10%年份首封日出現(xiàn)在引退水期。

（2）黃河寧蒙段部分河段冬灌期引退水對(duì)河段的影響有推遲的趨勢(shì)。下河沿—石嘴山河段引退水對(duì)河道的流量影響的起止時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定。石嘴山—頭道拐河段引退水對(duì)河道流量的影響時(shí)間有推遲的趨勢(shì)。

（3）寧蒙河段引退水峰值較大，退水有減少趨勢(shì)。引退水峰值的上游斷面相應(yīng)流量3～5 成左右。2010 年之前引退水峰值與上游來水關(guān)系密切，上游來水多的年份引水峰值一般會(huì)偏大。2010年之后引退水峰值與上游來水關(guān)系不大，尤其近幾年上游來水明顯偏多，但引退水峰值較為平穩(wěn)。退水峰值自2013年起明顯下降。

（4）受海勃灣水庫下閘蓄水及防凌運(yùn)用影響，石嘴山—頭道拐河段引水峰值經(jīng)檢驗(yàn)出現(xiàn)突變。

（5）引退水致使下游斷面徑流量明顯減少，且影響下游河段各水文斷面流量過程。下河沿—石嘴山段徑流量減少約3～6 成左右，石嘴山—頭道拐段減少4 成左右。同時(shí)使得下游斷面流量提前減少，并出現(xiàn)峰值不等的流量波動(dòng)。