黄河上游宁蒙河段平滩流量变化过程研究

董占地，吉祖稳，王党伟，胡海华

（中国水利水电科学研究院，北京 100048）

1 问题的提出

自20世纪60年代以来，随着水利枢纽的修建和人类活动的加剧，尤其是1986年龙羊峡和刘家峡水库联合调度运用、沿黄工农业用水的大量增加及降雨量减少等因素的影响，致使进入宁蒙河段的水沙过程发生了较大变化，水沙搭配不尽合理，河道淤积日趋严重，致使主河槽萎缩、河道排洪输沙能力不断降低，使得该河段的防洪防凌形式日趋严峻［1－7］，因此，进一步加快宁蒙河段的治理是十分必要的。由于平滩流量是指某一断面的水位与该断面滩唇相平时该断面所通过的流量，它是河道主河槽过流能力的重要标志，故对宁蒙河段平滩流量变化过程及其与来水量的响应关系的研究，可为宁蒙河段河道的治理提供必要的技术支持。

由于黄河上游宁蒙河段受大型水利工程、引水渠、支流、排水沟以及十大孔兑等的影响，使得该河段的来水来沙不确定因素较多，致使其水位～流量关系有时不易准确确定；还有，宁蒙河段沿程各河段的河型不尽相同，部分河道宽浅、水流散乱，断面不稳定，致使相应的滩唇高程不易准确确定。因此，黄河宁蒙河段平滩流量的确定有一定的困难和不确定性。在本次研究中所给出的宁蒙河段沿程各水文站的平滩流量，既不能代表黄河上游宁蒙河段的最大平滩流量，也不能代表黄河上游宁蒙河段的最小平滩流量，只是用它来反映黄河上游宁蒙河段平滩流量的平均情况。

在本次研究中所述平滩流量的具体计算方法有以下几个步骤［8］：①点绘宁蒙河段各典型断面逐年的断面图；②根据逐年的典型断面的断面图确定相应年份的汛后滩唇高程；③根据各典型断面的逐日水文资料建立相应年份的水位～流量关系 （如当年没有资料或高水位部分，参照相邻年份的关系进行外延）；④利用③中建立的水位～流量关系，查找②中确定的汛后滩唇高程所对应的流量值，即为本次研究中所确定的平滩流量。

2 来水量的历年变化情况

宁蒙河段内主要设有下河沿、青铜峡、石嘴山、磴口、巴彦高勒、三湖河口、昭君坟和头道拐8个水文站，其中下河沿站为宁夏河段的入口站，石嘴山站为宁夏河段的出口站，也是内蒙河段的入口站，头道拐为内蒙河段的出口站。本文以下河沿、石嘴山和头道拐3个水文站为例分析宁蒙河段的来水量历年变化情况。

图1和图2分别为1965—2004年下河沿站和石嘴山站逐年的年、汛期、非汛期径流量变化过程。

图1 下河沿站1965—2004年径流变化过程图

图2 石嘴山站1965—2004年径流变化过程图

图3 头道拐站1965—2004年径流变化过程图

由图1～3可见，下河沿、石嘴山和头道拐3个站1965—2004年多年平均年径流量分别为289.40亿，268.69亿，205.80亿m3，相应的最大年径流量均为1967年的509.13亿，491.14亿，434.87亿 m3，相应的最小年径流量均为1997年的188.66亿，160.15亿，105.90亿m3，前者分别为后者的2.7、3.1和4.1倍；3站汛期多年平均径流量分别为144.64亿，138.21亿，103.15亿 m3，分别约占相应站多年平均径流量的50.0%、51.4%、50.1%，相应的最大汛期径流量均为1967年的326.19亿，323.65亿，292.34亿m3，相应的最小汛期径流量分别为79.65亿，70.04亿，32.83亿m3，其最大汛期径流量分别为最小汛期径流量的4.1、4.6和8.9倍；3站非汛期多年平均径流量分别为144.77亿，130.48亿，102.65亿 m3，3站历年非汛期径流量变幅相对较小。

1968年10月刘家峡水库开始蓄水，1986年以后又受龙羊峡水库运用的影响，加之降雨量的变化，使得宁蒙河段各水文站年径流量和汛期径流量均有所缩减。由上述数据进一步分析可知：①刘家峡水库运用期间，下河沿、石嘴山、头道拐3站多年平均径流量和汛期径流量分别为318.80亿，295.91亿，237.47亿 m3和169.13亿，162.36亿，128.77亿m3；龙、刘水库联合运用期间，3站多年平均径流量和汛期径流量分别为238.69亿，216.10亿，152.20亿 m3和100.39亿，94.22亿，58.55亿 m3，分别较前 一 时 段 约 减 少 25.1%、27.0%、35.9% 和 40.6%、42.0%、54.5%。由此可见，各水文站汛期年均径流减少的百分比均要大于多年平均年径流量减少的百分比，而且1986年龙羊峡运行以后，较龙羊峡水库运行前衰减更为明显；②宁蒙河段各水文站年径流量和汛期径流量均呈现沿程衰减的趋势，而且内蒙河段较宁夏河段衰减更为明显；③刘家峡水库单独运用期间，各水文站汛期径流量和非汛期径流量大小互现，1986年龙羊峡水库运用以后，各水文站汛期径流量均明显小于非汛期径流量。

3 平滩流量的历年变化过程

图4为根据1965—2004年黄河上游宁蒙河段实测资料确定的沿程各水文站历年汛后的平滩流量变化过程图。由图4可见，黄河上游宁蒙河段各水文站平滩流量的变化趋势是基本相同的，总体上呈逐渐减小的趋势，由20世纪60年代中期的3 600～5 800m3／s减小到目前的1 100～3 600 m3／s。

图4 宁蒙河段各水文站平滩流量变化过程图

从各时段来看，1968年刘家峡水库投入运行，由于水库蓄水调节，使得进入宁蒙河段的年均水量明显减少，挟沙能力降低，平滩流量有所减小。1980年以后，由于黄河上游连续几年出现了较为有利的水沙条件，使得宁蒙河段平滩流量又有所恢复，因此，1965—1986年黄河宁蒙河段沿程各水文站的平滩流量均呈现出先减后增的趋势；1986年以来，由于龙羊峡水库的蓄水调节以及气候条件和人为因素的影响，进入宁蒙河段的水量持续偏少，特别是水库对汛期洪峰流量的削减，排洪 输沙能力降低，河槽淤积萎缩，致使1987—2004年黄河宁蒙河段各水文站平滩流量呈现快速减小的趋势。①1965—1968年，黄河上游来水偏丰，该时期下河沿站和石嘴山站年均径流量分别为417亿，397亿m3，宁夏河段各水文站和内蒙河段各水文站平滩流量分别在4 000～5 000m3／s和3 600～5 200m3／s；②1969—1980年，黄河上游来水量较前期偏少，该时期下河沿站和石嘴山站年均径流量分别为297亿，275亿m3，宁夏河段各水文站和内蒙河段各水文站平滩流量分别减小到3 000～4 000m3／s和2 400～3 600m3／s；③1981—1986年，由于连续几个丰水年，下河沿站和石嘴山站年均径流量分别为362亿，338亿m3，宁夏河段各水文站和内蒙河段各水文站平滩流量分别恢复到3 600～4 900m3／s和3 200～4 100 m3／s；④1986年以后，黄河上游来水量大幅减少，且持续时间长达20a之久，下河沿站和石嘴山站1987—2004年年均径流量分别为239亿，216亿m3，致使宁蒙河段平滩流量持续减小。到2004年为止，宁夏河段各水文站和内蒙河段各水文站平滩流量分别减小到1 700～3 600m3／s和1 100～2 100m3／s，尤其是内蒙河段三湖河口站平滩流量减小最为明显，从1986年的4 100m3／s左右减小到2004年的1 100m3／s左右，这也从一定程度上反映出1986年以来三湖河口站附近淤积最为严重，该河段也成为内蒙古河段过流能力最小的 “卡口河段”。

4 平滩流量与来水量的响应关系

黄河上游宁夏河段和内蒙河段沿程各水文站历年汛后平滩流量与年水量、汛期水量的关系见图5～8。由图5～8可见，黄河宁蒙河段平滩流量与年水量、汛期水量均具有一定的相关关系，其相关系数均在0.55以上。年水量越大，造床能力越强，平滩流量也相应地越大；同样，汛期水量越大，平滩流量也相应越大。黄河上游宁夏河段和内蒙河段各水文站平均平滩流量与年水量、汛期水量分别有如下关系式：

式中：Q平为相应河段平均的平滩流量，m3／s；W年为相应河段各水文站年水量，亿m3；W汛为相应河段各水文站汛期水量，亿m3。

利用式 （1）和式 （3）可以分别计算得到，当年水量为200亿m3时，宁夏河段的平均平滩流量约为3 104m3／s，内蒙河段的平均平滩流量约为2 826m3／s；当年水量为300亿m3时，相应的平均平滩流量分别约为4 250，3 960m3／s；利用式 （2）和式 （4）同样可以计算得到，当汛期水量为80亿m3时，宁夏河段的平均平滩流量约为3 120m3／s，内蒙河段的平均平滩流量约为2 875m3／s；汛期水量为170亿m3时，其相应的平均平滩流量分别约为4 292，4 022m3／s。

图5 宁夏河段平滩流量与年水量的响应关系图

图6 宁夏河段平滩流量与汛期水量的响应关系图

图7 内蒙河段平滩流量与年水量的响应关系图

图8 内蒙河段平滩流量与汛期水量的响应关系图

另外，从图5～8还可以看出，黄河上游宁夏河段和内蒙河段平滩流量与相应水文站年水量和汛期水量的关系均是一条关系带，表明其平滩流量除了与当年的年水量和汛期水量有关外，还与流量过程等因素相关。为了研究流量过程对主河槽过流能力的影响，进一步分析了宁夏河段和内蒙河段各水文站当年的最大日均流量与相应的平滩流量的响应关系 （见图9～10）。

图9 宁夏河段平滩流量与最大流量的响应关系图

由图9～10可见，黄河宁蒙河段平滩流量与相应年份的最大日均流量均具有较好的相关关系，相关系数均在0.65以上，在年 （汛期）来水量一定时，最大日均流量越大，造床能力越强，平滩流量也相应地越大；相反，最大日均流量越小，造床能力越弱，平滩流量也相应地越小。黄河上游宁夏河段和内蒙河段各水文站平均平滩流量与相应的最大日均流量分别有如下关系式：

图10 内蒙河段平滩流量与最大流量的响应关系图

式中：Q平为相应河段平均的平滩流量，m3／s；Qm为相应河段各水文站当年最大日均流量，m3／s。

利用式 （5）和式 （6）计算可以得到，当最大日均流量为1 000m3／s时，宁夏河段的平均平滩流量约为2 569 m3／s，内蒙河段的平均平滩流量约为1 297m3／s；当最大日均流量为2 500m3／s时，宁夏河段和内蒙河段的平均平滩流量分别约为3 884，3 107m3／s。

由上述分析可知，黄河上游年 （汛期）来水量是影响黄河宁蒙河段平滩流量的主要因素，同时其流量过程也在一定程度上决定着宁蒙河段平滩流量的大小。因此，在采用式 （1）～ （4）对宁蒙河段近年来的平均平滩流量进行估算时，会发现其计算值要大于实际值，这主要就是因为1986年龙、刘2库联合调度后，汛期削峰蓄水，凡流量超过1 000m3／s的洪水都受到不同程度的削减，出库洪水流量很少超过2 000m3／s，导致500～1 000m3／s的水流出现天数相对大幅增加，全年流量过程趋于均匀，而大流量水流作用相对衰减，平枯水的作用相对增强，进而促使主槽淤积增多，平滩流量减小。同样，由于流量的减小，利用式 （5）和式 （6）也可以得到平滩流量减小的结论。譬如，内蒙河段三湖河口站，根据实测资料该站2004年年来水量为121亿m3，利用式 （3）计算可得三湖河口站平滩流量为1 582m3／s，而当年最大日均流量仅为992m3／s，利用式 （6）计算可得，其平滩流量为1 285m3／s，前者较后者偏大23.1%，而后者较前者更接近实际情况。

因此，在前述中，当年水量为200亿m3和汛期水量为80亿m3时，只有当年最大日均流量分别达到1 600，2 250 m3／s时，宁夏河段和内蒙河段的平均平滩流量才能分别达到3 100，2 850m3／s左右；当年水量为300亿 m3和汛期水量为170亿m3时，只有当年最大日均流量分别达到2 700，3 600m3／s时，宁夏河段和内蒙河段的平均平滩流量才能分别达到4 300，4 000m3／s左右。

5 主要认识

宁蒙河段平滩流量随时间呈减小的趋势，特别是1986年龙羊峡水库运用后减小更为明显，已由20世纪60年代的3 500～5 200m3／s减小到2004年的1 100～3 600m3／s，其中，宁夏河段由20世纪60年代的4 000～5 000m3／s减小到2004年的17 00～3 600m3／s；内蒙古河段由20世纪60年代的3 600～5 200m3／s减小到2004年的1 100～2 100m3／s，尤其是内蒙古河段三湖河口站的平滩流量减小最为明显，从1986年的4 100m3／s左右减小到2004年的1 100m3／s，内蒙古河段平滩流量减小幅度大于宁夏河段。

宁蒙河段平滩流量与年和汛期来水量是相对应的，其具有随年和汛期来水量增加而增大的规律，这一特征除主要受当年来水量影响外，还受当年洪水过程等的影响。实测资料分析表明，当年来水量为200亿m3或汛期来水量为80亿m3时，宁夏河段和内蒙古河段的平滩流量分别为3 100，2 850m3／s左右；当年来水量为300亿 m3时或汛期来水量为170亿m3时，宁夏河段和内蒙古河段的平滩流量分别约为4 300，4 000m3／s。

需要指出的是，上述认识是在分析平滩流量由大到小、主河槽逐渐萎缩 （淤积过程）的过程中得到的，而塑造和维持宁蒙河段输水输沙通道是使萎缩的主河槽逐渐扩大（冲刷）的过程，上述2个过程中河道与来水量的响应是有差别的，冲刷过程相对更困难一些。

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