榆神工业园区引水工程黄河万镇断面的泥沙特征分析

袁水龙 ，张 飞 ，陈田庆

（1.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710075；2.陕西省宝鸡市冯家山水库管理局,陕西 宝鸡 722402）

黄河以水少沙多、含沙量高而著称，其多年平均输沙量16亿t，天然径流量534亿m3[1]。大量学者对黄河的泥沙特性，矿物质组成以及水沙关系进行了研究[2-4]。从多泥沙河流取水，泥沙含量不仅会对水泵工作参数有明显的影响，而且会导致前池、进水池、出水池和渠道产生游积[5]。因此，在规划、设计这类取水工程时，泥沙问题应予以研究处理，否则将给今后的运行、维修和管理造成极大的困难。榆林能源化工基地是陕北能源化工基地的重点地区，是经国务院批准的国家级能源基地。榆神工业区万镇引水工程位于神木县境内，以黄河漫滩地下水与黄河地表水为水源，工程地表水取水口在万镇境内，该区域地处黄河中游黄土高原地貌区，水土流失严重，黄河含沙量高。取水口断面的泥沙特征量将直接影响到泥沙处理方式及水泵型号的选择，因此必须清楚了解该断面的泥沙特征量。

1 工程概况

本工程的取水位置位于黄河中游上段万镇境内。黄河中游地区除河曲、保德、府谷附近河谷较宽之外，其余绝大部分河段河宽仅200~400 m。黄河中游地区面积的61%为黄土高原地带，沟壑纵横，支流众多，水土流失严重，大量泥沙进入黄河，导致黄河成为世界上含沙量最多的河流，年输沙模数一般在10000 t/km2至 20000 t/km2，最高可达 25000 t/km2，最大年输沙量高达39.1亿t（1933年），龙门站最高含沙量为933 kg/m3，三门峡站多年平均输沙量约16亿t，其中90%来自汛期，平均含沙量35 kg/m3。取水口断面附近的水文站有黄河干流上的府谷站和吴堡站，以及支流窟野河的温家川站，其中上游的府谷站距取水口114 km，下游的吴堡站距取水口122 km。

2 水文基本资料

府谷水文站位于万镇取水口上游114 km处，设立于1972年1月，至河口距离1786 km，集水面积404039 km2。

吴堡水文站位于万镇取水口下游约122 km处，设立于1935年6月，至河口距离1544 km，集水面积433514 km2。该测验河段基本顺直，中高水位单式河槽，河床为卵石细砂组成。

万镇取水口至上游府谷区间的较大支流为窟野河。窟野河于1953年7月设立温家川水文站，距离河口7.5 km。距离窟野河河口14 km，集水面积8515 km2，各水文站基本情况见表1。

表1 水文站基本情况一览表

3 泥沙特征值分析

3.1 输沙量分析

黄河万镇取水口断面位于府谷水文站与吴堡水文站之间，因此选择府谷站与吴堡站作为设计依据站。取水口断面距上游府谷站114 km，距下游吴堡站122 km，与上下游站距离均较远，取水口上游14 km处为含沙量极大的窟野河，首先选用府谷站与吴堡站1976~2012年37年同期实测泥沙资料推求各站点的泥沙特性，然后选用插值法和水文比拟法两种方案进行比较，最终选择一个合理值作为取水口断面的特征值。

对1976~2012年的天然年输沙量系列进行频率分析，用皮尔逊Ⅲ型曲线进行适线，通过目估适线法进行调整，最终求得府谷站多年平均年输沙量为10382万t，吴堡站为24154万t，府谷站变差系数Cv=1.09，吴堡站变差系数Cv=0.76，偏态系数Cs按经验取2.5倍的Cv，计算结果见表2。

表2 年输沙量频率分析成果表 单位：万t

表3 吴堡站类比结果

表4 府谷站类比结果

表5 面积插值法结果

由于万镇设计断面没有实测的水文资料，所以在该处以府谷站与吴堡站作为参证站，应用水文比拟法和插值法计算得到设计断面的年输沙总量。计算结果分别见表3至表5，由上面的计算结果可以看出，选用不同的方法计算的结果有差异，面积插值法计算的结果介于水文比拟法府谷、吴堡站计算结果之间，考虑到取水口断面上游附近的窟野河泥沙含量极大，从工程设计安全的角度出发，应该选择用距离万镇断面122 km的下游吴堡站的面积比拟法计算得到的结果作为万镇断面的设计年输沙量。即多年平均输沙量为23605万吨，p=0.2%,p=1%,p=2%,p=3%,p=10%的设计年输沙量分别为115235万t、87344 万 t、75287 万 t、66379 万 t、47115 万 t。

3.2 含沙量分析

利用实测府谷和吴堡同期系列泥沙资料（1976~2012年），统计实测的37年系列两站含沙量，采用年平均含沙量系列求得两个水文站相应不同频率下的设计值，根据水文比拟法和面积插值法得到取水口断面相应的泥沙含量。通过对府谷、吴堡两站年平均含沙量频率分析，得出两站不同频率的年均含沙量见表6。同样应用两种不同的方法计算取水口断面的泥沙含量，计算结果见表7~表9，通过比较，发现用吴堡站类比得到的设计断面含沙量略大于插值法计算结果，取对工程最不利的结果，以吴堡站作为泥沙含量计算的参证站，用类比法得到取水口断面的泥沙含量。即年平均含沙量为10.9 kg/m3，不同设计频率 p=0.2%,p=1%,p=2%,p=3%,p=10%分别为 48.61、37.38、32.49、28.87、20.97 kg/m3。

表6 不同频率含沙量

表7 吴堡站类比结果

表8 府谷站类比结果

表9 面积插值法计算年平均含沙量

4 颗粒级配分析

4.1 多年平均颗粒级配分析

考虑到在设计断面附近窟野河的泥沙含沙量大且颗粒较粗，所以在泥沙颗粒级配分析中应该选取府谷、吴堡、温家川三个站来分析，由于收集到的资料有限，分析时将资料划分为三个时间阶段对比分析，分别为1976~1979年、1980~1990年、2006~2010年，对该三个阶段的多年平均颗粒级配进行分析，分析结果见表10，结果表明：府谷站在三个阶段的中值粒径分别为：0.045、0.024、0.011mm，吴堡站为：0.046、0.029、0.021 mm，温家川站为：0.096、0.056、0.01mm，该三站的中值粒径均表现出逐渐减小的趋势。

4.2 多年汛期泥沙颗粒级配分析

汛期泥沙级配分析首先要确定该流域汛期时间，结合该流域的汛期洪水形成成因情况，确定每年春汛时间为3~4月，伏汛时间为6~10月。黄河流域含沙量近年来有减少趋势，尤其是在2000年以后泥沙颗粒最细，因此选择最近的2006~2010年为代表期，对府谷站、吴堡站、温家川站近年来汛期泥沙颗粒级配进行分析，得到府谷站春汛、伏汛的中值粒径分别为0.012 mm、0.011 mm，吴堡站分别为 0.026 mm、0.031 mm，温家川站分别为0.033mm、0.015mm，详见表11，表12。

表10 多年平均泥沙特征值分析表

表11 2006～2010年汛期平均颗粒级配表

表12 多年汛期的泥沙颗粒级配分析表

4.3 取水口断面颗粒级配分析

由于窟野河含沙量大且距离取水口较近，因此本研究选择窟野河温家川站的颗粒级配情况直接代替取水口断面情况，同时结合府谷与吴堡站插值计算得到的取水口断面颗粒级配情况，二者相互比较得到取水口断面的最终结果。考虑到黄河泥沙近年来变化趋势，选择最近的2006~2010年连续5年的泥沙分析结果，采用两种方法得到取水口断面多年平均、春汛平均和伏汛平均的泥沙颗粒特性，见表13，由表可知插值法计算的多年平均、春汛平均及伏汛平均的泥沙颗粒级配整体上比较接近。对比两种方法的计算结果，可看出温家川站小于0.05mm的泥沙含量除春汛外都是略大于插值计算结果的。从前文对府谷站、吴堡站与温家川站的泥沙颗粒级配分析结果中发现，在2006年以前窟野河的泥沙颗粒比上下游府谷和吴堡站的颗粒都粗，但2006年以后，则是窟野河的泥沙颗粒最细。由于窟野河距离取水口断面只有14km，对取水口断面的泥沙影响极大，并且考虑到黄河泥沙的主要来源是伏汛期的泥沙，而插值法计算的结果中伏汛期泥沙比重不明显，从工程安全角度考虑，本次取水口断面的泥沙颗粒分析结果将直接采用窟野河温家川站的泥沙颗粒分析结果，即取水口断面泥沙小于0.05mm的多年平均泥沙含量为83%，中值粒径为0.01mm，平均粒径为0.027mm。春汛、伏汛小于0.05mm泥沙含量分别为62%、83%，中值粒径分别为0.033mm、0.015mm，平均粒径分别为0.059mm、0.03mm。

表13 取水口断面颗粒级配分析表

5 水沙系列的选取

水沙代表系列的选取以预估的未来水沙量为目的，应由尽量少的自然连续系列组合而成，能够反映丰、平、枯水年的水沙情况，并适当加入大水、大沙年份和一些枯水、枯沙年份。考虑近年来黄河泥沙减少的明显趋势，本次分析选择三个不同时间长度水沙系列，分别为府谷、吴堡站2003~2012年10年日平均水沙系列、1993~2012年20年日平均水沙系列和吴堡站1976~2012年37年日平均水沙系列。本次计算仍然选用两种方案，即直接用下游吴堡站资料代替设计断面资料和用面积插值计算得到设计断面值，对三个水沙系列不同年份中的日均流量和日均含沙量取均值，分别求出10年平均水沙系列、20年平均水沙系列与37年平均水沙系列的日变化过程（图1、图2）。由图可以看出，无论是哪种方案，各个系列的日均流量过程变化趋势基本相同，但日均含沙量过程差异较大，时间系列越长，含沙量越大。

从图2可以看出，长系列与短系列的流量过程线差异不大，但是泥沙含量差异较大，短系列计算的含沙量比长系列的小。短系列更能反映该流域近年来泥沙变化趋势，而长系列可以反映流域的丰、平、枯年份的流量及含沙量情况，具有更好的代表性。在两种方案比较上，插值法计算结果远小于吴堡站直接代替，这是由于窟野河距离取水口很近，而窟野河含沙量极大，对取水口影响显著，因此插值法计算的结果偏小。综合考虑，选择吴堡站的结果分析取水口断面来水来沙情况。而长短系列各有优缺点，所以在工程调节计算时，应该用10年、20年、37年系列分别调节，然后进行综合对比分析。

图1 吴堡站多年平均设计水沙系列过程线

图2 插值法所求多年平均设计水沙系列过程线

6 结论

（1）通过水文比拟法和面积插值法分别计算黄河万镇断面的设计输沙量和含沙量，结果表明采用吴堡站水文比拟法计算结果最大，从对工程最不利的角度出发，得到取水口万镇断面多年平均年输沙量为23605万t，多年平均含沙量为10.9 kg/m3。

（2）对府谷、吴堡、温家川三站的多年平均、汛期平均以及不同级别含沙量条件下的泥沙颗粒级配进行分析，从工程安全的角度出发，确定以温家川站分析结果作为取水口断面的设计值，即多年平均的小于0.05mm的泥沙含量为83%，中值粒径为0.01mm，平均粒径为0.027mm；春汛、伏汛中值粒径分别为0.033mm、0.015mm，平均粒径分别为0.059mm、0.030mm。

（3）结合黄河近年来水沙变化趋势，将吴堡站水沙分为10年、20年、37年三个系列，分别分析来水与来沙的关系。结果表明，径流泥沙资料序列的长短对设计流量过程的影响小于设计泥沙过程。在工程设计中，应该根据各个系列的优缺点，得出取水口万镇断面在工程调节时应该用10年、20年、37年三个系列分别调节。

[1]姚文艺,冉大川,陈江南.黄河流域近期水沙变化及其趋势预测[J].水科学进展,2013,24(05):607-616.

[2]许炯心.不同来源水沙对黄河入海泥沙通量的影响 [J].海洋与湖沼,2002,33(5):536-545.

[3]成国栋.黄河三角洲现代沉积作用及模式[M].地质出版社,1991.

[4]王腊春,储同庆.黄河,长江泥沙特性对比分析[J].地理研究,1997,16(4):71-79.

[5]曹磊.沿黄供水泵站泥沙特性及定期冲洗式沉沙池优化设计研究[D].太原理工大学,2013.