吕庄水库水文站受水利工程影响的站网调整探析

2016-03-10史东凯

地下水 2016年6期

关键词：模数水文站淤积

史东凯

(山西省运城市水文水资源勘测分局，山西吕庄 043800)

吕庄水库水文站受水利工程影响的站网调整探析

史东凯

(山西省运城市水文水资源勘测分局，山西吕庄 043800)

吕庄水库以上流域的水源开发已达到很高程度。为深入研究本流域产流特性，特选取1978～1984年试验资料，该文从本流域自然地理及水利工程分布、径流还原观测简介、河川径流还原及其问题、地下水还原估算、泥沙还原及水利化影响下站网调整共六个方面予以论证，结论认为：在该流域必须把地面、地下水作为整体，从三水转化的观点来设计和调整站网。

吕庄水库；径流还原；河川径流还原；地下水还原；泥沙还原；水文站网

吕庄水库水文站位于山西省南部涑水河上游，1955年设站，原为区域代表站，1960年吕庄水库建成后改为水库站。1958年至1975年，该站上游修起大量小型水利工程，小水库控制面积占68.5%；1972年后大量开发地下水，1981年井灌面积达12万亩。地面地下水资源大量开发，改变了天然水文规律。

1 流域自然地理

吕庄水文站流域面积864 km2，流域东部、南部及北部近分水岭为石山(占25%)或土石山区(占15%)；北中部与西北、西南为丘陵区(占46%)；流域中部为河谷平原区(占14%)。流域植被较差，仅石山区上游有少部分石山森林(占全流域6%)。

流域南山坡脚有顺涑水河横贯吕庄以上半个流域的中条山断层；在吕庄上游约15 km，在北半流域有与涑水河正交的阜底断层，成为地下径流排泄带。河谷平原区有涑水河三期古河床，其顶板埋深60～120 m，含水层厚度20～50 m，含水层岩性为砂卵石，富水性强。由于中条山断层的影响，支流出山后河水大量渗入地下古河床，加之涑水河河道内多年来大量挖沙取建材，加大了地表水向地下水转化。据水利与地质部门勘测，吕庄流域是地面水与地下水闭合流域，而且该流域上的较小流域也都是闭合流域，因此作为试验流域是较理想的。

2 径流还原观测

本流域除吕庄水文站外，还有冷口水文站(1976年设立的小河站)。为加强沙渠河流域的试验研究，1984年6月在近出口的孙村增设了一个小河站，兼作吕庄水库的进库站。

河川径流的还原观测，重点是抓小型水库和渠道，起初只调整或委托观测蓄变量和用水量，后来又加上排泄量；为反推入库过程，库水位观测相应加密；还在本库和上游加设雨量点，以使小水库起到小河站的作用。目前有小水库委托观测点6处，渠道引水量委托观测点15处。为提高水量还原精度与进行泥沙还原，1981年至1983年先后对五座小(一)型水库作了淤积测量，提供了新的、精度较高的库容曲线。

在1982年还原分析中发现，地下水开采量在某些年份可达2 000万 m3，约占总水量的三分之二，超过年径流一半，因此地下水观测、三水转化试验成了不容忽视的新课题，不然年径流都无法还原。然而这方面正是我们薄弱环节，现有的一点地下水动态长观资料，无论从数量、质量或项目都远远满足不了需要。为此，1983年提出把地下水观测分析作为重点抓，并把研究重点放到较小的沙渠河流域，已于1984年5月打成四眼专用观测孔，在出口增设孙村小河站配套。

3 河川径流还原及其问题

在本来意义上“还原”是指被蓄水、引水工程所调蓄与引用了的径流过程与数量恢复到天然条件下状态，用公式(1)表示为：

W天=W测+∑△V库+∑Z+∑W灌

式中：W天为天然状态下年、月、日次径流；W测为实测到的径流；∑△V库为各水库同一时段内的蓄水变量；∑Z为各库蒸发、渗漏损失；∑W灌为各库、渠地面水灌溉引水量，在时段较长时要计入回归水，应改为∑(1-R1)W灌，R1为回归系数。

上式右边各项都能实测或调查估算。因此在以水库、灌溉工程为主时径流还原完全可行，一定条件下也能控制误差。只在时段较短时(如次洪水或日还原)要适当考虑总工程地点至出口的传播时间。洪水过程的还原要复杂些，但原则上也是可能的。

由于径流还原没有“真值”可比，目前一般都是基于地面蓄水、引水工程并不改变产流条件，因而前后降雨～径流关系应基本一致作为评判标准。这可以用统计检验的方法判定，也可以用类似预报误差评定的简单方法来衡量，习惯上常用±20%误差以内点据合格率来评定。

吕庄以上流域在1960年只有河灌，即使根据逐年报表上的实灌面积推算还原水量，年降雨～径流关系和五十年代一致， 1956～1971年±20%范围内的点据占87%，偏离的1963、1964年是继1962年丰水年之后连续的丰水年，所以径流量明显偏大。而1972年后同样方法还原，点据则系统偏小，系未考虑地下水开采之故。月降雨径流关系所反映的规律也相仿，以七月为例经过地面用水还原后1956～1971年基本为一条线，而1972年后系统偏小30%～60%。

至于次洪水还原，吕庄以上没有洪浇灌区，小水库调蓄对洪量影响都有观测值可还原。地下水开采会降低包气带土壤水含量，导致地表径流产流量减少；但在丰水年因地下水开采形成的缺水量得到补充，产流量就将与天然状态一致。吕庄站暴雨径流关系，其中807与827两次洪水要比原来减少38.4%和53.2%，这种影响是无法还原的；而1982年8月与1983年因流域不缺水，三次洪水产流量都与原关系相仿。需要说明，属半干旱地区的我省产流问题十分复杂，目前没有过关，以上只找了建库前几次洪水资料，用简单的P+Pa～R关系做了比较，在数量上不能作为依据。

关于日径流还原，对属于自然径流状态(包括基流)并只受蓄水、引水工程影响的还原也可行，只不过要考虑汇流时间。但受地下水开采影响则无法还原。我们曾对吕庄流域用马口模型和产、汇流模型摸索过日还原的可能性，除模型本身的缺陷外，结论都是否定的。

综上所述，受蓄水、引水工程影响的径流还原，无论对年、月、日以及次洪水都好办，也不难控制精度；而吕庄流域还受地下水开采的强烈影响，对此除年径流还原尚可能外，日、次洪和月径流的还原都是不可能的。问题在于地下水开采是人为的，它的数量或时程分配绝不可能和天然径流过程相协调；还由于地下水大量开采导致基流、地表流和潜水蒸发减少，促进三水转化，相当程度上改变了水文规律，不可能用简单办法来还原。

4 地下水还原估算

1970年把打井作为北方水利化的主攻方向，1972年山西大旱许多河流地面水断流，促使井灌大发展。吕庄以上流域1956年前平均每年增加井渠面积约千亩，1972年后平均每年增加约万亩，1980年底总数达12万亩。地下水埋深也逐年加大，1958年大雨后遍地是水，1962年后逐渐下降；沙渠河上南王滩1970年埋深为0.3 m，1982年11月下降到2 m左右；仁和滩原来下湿不能耕种，现已变为良田；横水镇1976年12月至1979年12月潜水埋深从8.9 m降到12.2 m。地下水开发，初期多为浅井，以后转向深井，实际上为混采，同样影响潜水。

地下水的大量开采，首先夺取了河川基流量，减少了潜水蒸发，改变了产流条件，也将使地表径流减少，原来地下水(基流)的天然排泄过程当然面目皆非了。这样的条件下作径流还原当然和原概念不同了。在吕庄年径流还原中我们曾在(1)式基础上应用公式(2)：

W天=W测+∑△V库+∑Z+∑(1-R1)W灌+∑(1-R2)W采+∑△V地下+Z潜

式中：W采为浅层地下水开采量；R2为井灌回归系数；∑△V地下=100U△HF(万 m3)为地下蓄水变量，U为给水度；Z潜为潜水蒸发量。

由于资料限制，开采量用每年浇地亩次估算，R2取0.25；地下水蓄变量的水位变幅用各长观井(共6～8个井)的算术平均值，面积固定取平原与低丘陵区面积249 km2，吕庄以上以亚砂土为主，据地下水资源评价中分析给水度U=0.054；潜水蒸发因地下水观测井太少埋深图等资料不够准确，故在估算时忽略。

经过地下水还原后的1979～1983年点据大部分落到还原关系线±20%区内，其中1983年为继1982年后连续丰水年，和1963年、1964年相仿，径流量偏大。

促使吕庄以上地面地下水转化还有一个特殊的地质与水文地质条件。前已提到，南山坡顺河方向断层使支流河水出山后又钻入地下补给河谷平川区地下水；而垂直河道的阜底断层把涑水河古河床与各支流补给量又都排泄出来，形成吕庄来水中丰沛的基流。另外，从陈村水库以下至横水镇乔寺村长30公里河段为严重漏水河段，河床本身都为砂卵石，1969年后由于大量挖砂石建材，满河床呈现坑凹状，使漏水量更加大。

5 泥沙还原问题

水利工程地区除径流还原外，还要进行泥沙还原。这方面我们所做的工作仅能粗略地估算水库淤积量。

吕庄水库本库的淤积测量按管理体制由工管部门进行，吕庄水文站协助过外业。上游五个小(一)型水库的淤积测量内外业均为吕庄水文站组织进行。

水库淤积量是通过对历次实测库容曲线的分析来进行，系根据“多沙河流水库库容特征分析及预估”一文方法做的。其中吕庄水库1958年原始库容测时精度较差，至1964年第二次测时不仅没有淤积，反而增加了400万 m3。这次分析采用1956至1983年系列，其中1960至1964年淤积量采用水资源评价的数据。杨家园水库为平原水库，主要起缓洪作用，该库1958年原始库容用假定基面，1976年第二次测时用大沽基面，二者转换关系未搞清，故该段淤积测量无法进行计算。但该库基本未淤。

由于各水库最后一次测淤年限不同，而这次淤积计算统一算到1983年测淤后年份的淤积量按汛期雨量比外延。由淤积量转化为侵蚀模数时淤积物容重按1.3计算。

陈村、紫家、三河口、小涧河水库与冷口水文站自然地理条件相近，观测年限(大部分为1976年前后至1983年)也相近，但侵蚀模数却出入较大，其中尤以紫家水库最小，按植被等条件为不合理。据各水库反映，其原始库容曲线测制都很粗糙，所以据以计算的淤积量也不准，为减少误差可取四库平均侵蚀模数值1 370 t/km2与冷口水文站根据实测输沙量计算的侵蚀模数721 t/km2之比为1.90。据山东省资料山丘区河流泥沙的总悬比为1.94，二者十分接近。吕庄水库本库1960至1983年淤积568万 t，侵蚀模数356 t/km2；加上上游小水库淤积还原量后，侵蚀模数达到436t/km2；如再加上建库前1956至1959年输沙资料，则侵蚀模数为473 km2。水资源评价中吕庄上游侵蚀模数346 t/km2，系未加上游还原值。吕庄水库为平原水库，所以泥沙还原后侵蚀模数较小是合理的。其上游横水镇附近很长一段河道多年来大量挖取砂石建筑材料，其数量很难估计，实际的侵蚀模数将大于以上值。

6 水利化影响下吕庄流域水文站网调整

吕庄流域多年平均河川径流量为4 340万 m3。自吕庄水库运用以来，曾经弃水的只有1964、1982、1983年，总弃水量不大，约占总来水量的百分之几。由于地下水大量开发，较干旱年份几乎没有地表水(1979年吕庄进库仅11万 m3)。这些数据和情况说明，吕庄以上流域水资源的开发程度已经非常高了。在绝大部分水资源被利用，特别是大量开发地下水的条件下，水文站网已不仅是调整问题了，更亟需重新布局。

我们设想吕庄流域的水文站网应当包括四部分：第一部分为雨量蒸发观测站网，为水资源计算所需的站应长系列观测，其它需要的站非长期观测。第二部分为小河站与试验站，主要解决水文、水资源计算参数。这部分站并不长时期收集资料，利用雨量计算水资源达到必要精度时即可撤销。现有冷口、孙村两处小河站，孙村应发展为三水转化实验站，还应增加一处黄土丘陵区小河站。第三部分为水利工程水文观测站，类似国外的水管理站，其任务为水文测报、水资源管理调度与工程管理运用等。该站应按水系设立，还应监管上游小型工程的测报管理。在现行管理体制下还可以保留水文站。吕庄上游五个小(一)型水库除杨家园水库兼为进库站外，陈村、紫家、三河口、小涧河四库加冷口其控制流域面积24.3%，却控制了水量的81.8%(1979至1983年统计)，是主要产流区，这些小水库都可兼作小河站用。第四部分为地下水观测系统：包括以专用观测孔为主的动态观测井网；各种水文地质参数观测，试验孔以及三水转换专用试验孔；开采量观测井网等。