三湖河口～头道拐段槽蓄水增量影响因素分析

2012-11-25陈伟伟冯相明严宝文

水科学与工程技术 2012年3期

方立，陈伟伟，冯相明，严宝文

（1.河南黄河水文勘测设计院，郑州450004；2.黄河水利科学研究院，郑州450003；3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100）

黄河内蒙古河段每年凌汛期因封冻冰盖等因素影响而滞留在河道中的水量称为槽蓄水增量。其产生、发展和消亡过程及由此形成的凌汛洪水是黄河上游较为独特的水文现象，研究内蒙古河道槽蓄水增量的变化规律对防治凌汛灾害有重要意义［1］。

1 槽蓄水增量变化及理论推算过程

槽蓄水增量的变化是随着稳定封冻后冰盖不断增长而增加的，当封冻发展到最长时，槽蓄水增量也达到最大；其后在冰盖稳定时槽蓄水增量变化不大；当气温升高冰盖开始消融时，槽蓄水增量逐渐减少，水量向下游释放；直到开河时槽蓄水增量集中释放形成凌汛洪峰。每年的槽蓄水增量与当年的气温及上游来水量有关，但变化过程各有特点［2］。

由于每年气温和上游来水及冰融特点不同，槽蓄水增量的变化及多少也不相同。一般是从河段首封之日开始计算，考虑水流传播时间、沿程水位表现、断面水深、冰花及流速等因素，采用多站点对比，根据长短河段相结合的水量平衡原理，槽蓄水增量一般由以下公式计算。

△W=∑（Q1－Q2）△t式中△W表示凌汛期槽蓄水增量，Q1、Q2表示河段进出口流量，△t表示时段长。

2 近几年槽蓄水增量分布

内蒙古河段最大槽蓄水增量一般出现在稳定封河期间，开河前期上游水量自上而下转移到三湖河口～头道拐河段，且释放缓慢，3月中旬后期才开始大量释放。

黄河龙羊峡水库（1986年投入运用）和刘家峡水库（1968年投入运用）联合运用前，内蒙古河段槽蓄水增量变化比较平缓，槽蓄水增量一般在10亿m3以下，而水库联合运用后，槽蓄水增量增加的时期较长（除1996～1997年度外），每年槽蓄水增量都在10亿m3以上。

内蒙古最大槽蓄水增量为18.98亿m3，出现在1999～2000年凌汛期，最小槽蓄水增量为4.51亿m3，出现在1996～1997年凌汛期，多年均值11.5亿m3（1997～2005年）。

内蒙古河段槽蓄水增量主要按照石嘴山～巴彦高勒、巴彦高勒～三湖河口、三湖河口～头道拐3个大段，4个重要站点进行分析、计算。通过对2006～2012年6个凌汛年度内蒙古河段槽蓄水增量分布的统计，见表1。3

表1 内蒙古河段槽蓄水增量统计单位：亿m

从表中可以看出：全段最大槽蓄水增量分别为13.0亿m3、16.0亿m3、17.0亿m3，16.2亿m3、14.4亿m3、13.5亿m3，三湖河口～头道拐段槽蓄水增量分别为9.4亿m3、10.5亿m3、11.0亿m3、7.2亿m3、5.4亿m3、6.0亿m3，占全段比例分别为72.3%，65.6%、73.5%、44.4%、37.5%、44.4%。

2006～2012年6 个凌汛年度中，最大槽蓄水增量在2月中旬出现时间较多，这个期间为内蒙古河段稳定封河阶段。2006～2009年前3个年度比例达70%左右，2009～2012年后3个年度比例接近50%，从一个侧面反映出三湖河口～头道拐段占全段槽蓄水增量比重较大，凌汛期的大部分槽蓄水增量主要集中于这个区域。

3 槽蓄水增量影响因素分析

槽蓄水增量是在气温变化、河道封冻条件下形成的，气温的急剧变化是造成槽蓄水增量变化的主要因素，槽蓄水增量主要是由冰和河道内的水构成，当气温急剧下降时，河道内水转化为冰的速度就加快；同时上游水库调度来水较大时，水面宽阔，有利于冰的形成；而当河槽过流能力及河道内建筑物影响冰凌的流动时，就会加大河道内冰凌的堆积量，从而引起壅水程度升高，增大滞留水量［3］。

由此可见，槽蓄水增量的形成是气温变化、上游来水、河道边界条件等多种因素综合影响的结果。

3.1 气温变化

根据2006～2012年度6个凌汛年度包头站1～3月旬气温统计，如表2，图1所示。从图1中可以看出，2007～2008年度和2011～2012年度1月～2月旬气温在多年均值以下，其余年度在多年均值以上，3月中旬各个年度气温基本都在多年均值以上。2007～2008年度1～2月旬气温变化均在其余年度气温变化曲线以下，而2007～2008年度3月上旬气温变化却在其余年度气温曲线以上，曲线变化可以反映出2007～2008年度气温变化较大。

2007～2008 年度凌汛期1月下旬和2月上旬气温为20世纪90年代以来同期最低，3月上旬气温为90年代以来同期最高，期间出现了内蒙古河段历史第三位槽蓄水增量16亿m3，且大部分槽蓄水增量集中在三湖河口～头道拐段。从一个侧面可以得出：气温起伏变化剧烈是导致槽蓄水增量变化的重要因素。

表2 包头站6个年度1～3月旬气温统计单位：℃

3.2 上游来水

黄河龙羊峡水库和刘家峡水库联合运用以来，增大了凌汛期下泄流量，使得凌汛期进入内蒙古河段水量增大。图2为2006～2012年6个凌汛年度中，三湖河口径流量与三湖河口～头道拐段最大槽蓄水增量关系，由于3月进入内蒙古开河阶段，槽蓄水量开始释放，因此影响此段最大槽蓄水增量的时间为11月～翌年2月的径流量，本次三湖河口径流量计算仅包含11月～翌年2月。

从图2可以看出，2006～2012年6个年度三湖河口～头道拐段槽蓄水增量与三湖河口来水径流量曲线趋势较为一致，具有较好的相关性，即槽蓄水增量随着径流量增大而增大。

3.3 河道边界条件及建筑物

龙羊峡水库建成前，宁蒙河段该时期呈微淤状态，内蒙古河段年平均淤积量约为0.22亿t。龙羊峡、刘家峡水库建成运用后，改变了天然洪水的来水过程，主槽淤积萎缩越来越严重，内蒙古河段年平均淤积量0.514亿t，淤积多集中于河道主槽［4］。宁蒙河段平滩流量已由20世纪80年代的3000～4000m3/s降为目前的1500m3/s左右，局部河段平滩流量不足1000m3/s。

泥沙淤积造成河槽断面的持续萎缩和河槽断面过流能力不断下降，图3为三湖河口站2011年、2010年与1987年水位流量关系图，可以看出曲线形态相似，整体向左上抬升，同流量水位普遍抬高。

同时，近几年黄河内蒙古河段河道内共有已建、在建公路、铁路桥梁30座。有些桥梁在施工过程中，临时修建的施工桥梁及滩地道路，大部分高出地面1m，严重阻碍凌汛期河道行凌，河道内建筑物修建对凌期槽蓄水增量的分布，特别是三湖河口～包头之间的水位、流速及槽蓄水增量都有显著的影响。

4 典型年分析

2008～2009 年度凌汛期，内蒙古河段最大槽蓄增量17亿m3左右，较1970～2005年多年均值11.5亿m3偏多48%，较龙刘水库联合调度以来多年均值13亿m3偏多31%，排历史第5位。其中三湖河～头道拐河段槽蓄增量为12.5亿m3，为历史最大值。主要原因是三湖河口、头道拐断面首封时间较早，头道拐断面流量持续偏小，且与三湖河口断面流量相差较大，偏小30%～40%。封冻初期槽蓄水增量主要集中在巴彦高勒～三湖河口段，稳定封河后槽蓄水增量主要集中于三湖河口～头道拐河段，随着上游河段解冻，大量槽蓄水增量逐渐移入下游河段，造成三湖河口～头道拐河段槽蓄水增量创历史最高纪录。