基于悬河特性的黄河下游生态水量探讨

摘要：黄河作为中华民族的母亲河，以占全国2%的河川径流量承担着全国巧%的耕地面积和12%人口的供水任务。黄河亦是世界上泥沙最多的河流，河道内必须留足一定的水量用于输沙入海。同时，每年还需向流域外沿黄地区供水约100亿m3，水资源供需矛盾极其尖锐。随着经济社会发展，用水量不断增加，生态水量被大量挤占，导致河道断流、河床淤积、水体污染等一系列生态问题。黄河生态水量研究一直是人们关切的重大课题。结合黄河水沙特点和“地上悬河”的特性，采取断面水量平衡和地下水数值模拟等方法，分析了河道渗漏水量及其生态作用，提出黄河干流生态水量应考虑该部分损失水量，进一步完善了下游生态水量研究的思路与手段，可为黄河生态系统的维持、黄河水资源的生态调度与管理提供决策依据。

关键词：地下水数值模拟；侧渗补给；水量平衡；生态水量；悬河特性；黄河下游

中图分类号：P333；TV882.1 文献标志码：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.001

1 黄河特性

1.1 水沙特点

（1）水沙异源。黄河下游水沙主要来自三个区间：一是河口镇以上，水多沙少，水流较清，河口镇断面多年平均水量约占下游来水总量的55.3%，而年均沙量仅占9.0%；二是河口镇至三门峡区间，水少沙多，水流含沙量高，该区间多年平均水量约占下游来水总量的35.3%，但沙量占89.3%；三是伊洛河和沁河两大支流，为又一清水来源区，两支流多年平均水量占下游来水总量的9.4%，而沙量仅占1.7%。可见，进入下游的水量大部分来自河口镇以上，沙量则主要来自河口镇至三门峡区间。

（2）水沙量年际变化大。黄河水沙量年际变化极大，沙量尤甚。以三门峡水文站为例，实测最大年径流量为659.1亿m3（1937年），最小年径流量仅为120.3亿m3（2002年），丰枯极值比为5.5；最大年输沙量为37.26亿t（1933年），最小为0.50亿t（2015年），丰枯极值比为74.5。

（3）水沙量年内分配不均。黄河水沙量年内分布不均，水沙均主要集中于汛期。下游汛期多年平均水量占全年的60%，沙量占全年的80%以上[1]。

1.2 冲淤特性

黄河下游属于典型的堆积型河道，总体处于不断淤积的过程之中，同時又具有多来多淤多排的特点。

1950年7月至1960年6月，三门峡建库前黄河下游河道各河段均发生淤积。1960年9月至1964年10月，三门峡水库蓄水拦沙，黄河下游河道主槽发生明显冲刷，冲刷主要集中在高村以上河段。1964年11月至1973年10月，三门峡水库滞洪排沙，高村以上河段发生显著淤积，主槽淤积严重，河道断面萎缩。1973年11月，三门峡水库开始蓄清排浑运用。1973年11月至1980年10月，花园口以下河道淤积，下游河道整体淤积。1980年11月至1986年10月多次发生大洪水，高村至艾山略有淤积，下游河道整体冲刷。1986年11月至1999年10月，龙刘水库（龙羊峡、刘家峡水库）联合运用，进入下游的水沙发生较大变化，汛期来水比例减小，非汛期来水比例增大，下游河道断面淤积萎缩，下游河道总淤积量为29.62亿t，年均淤积量为2.28亿t。1999年11月一2016年4月，随着小浪底水库蓄水拦沙和黄河调水调沙，下游河道整体呈冲刷趋势，截至2016年汛前，利津以上河段年均冲刷1.65亿t，累计冲刷28.15亿t。黄河下游各河段年均冲淤量见表1。

1.3 下游悬河状况

黄河水少沙多的自然特性，加之河道外经济社会用水的不断增加，留在河道内用于输沙的水量严重不足，河床持续淤积抬升，形成“地上悬河”，并进一步呈现出槽高、滩低、堤根洼的特点，俗称“二级悬河”。黄河下游河道堤内滩面普遍高出两岸地面4～6m，部分河段高差超过10m。河南省新乡市地面低于黄河河床20m，开封市地面低于黄河河床13m，山东省济南市地面低于黄河河床5m。

东坝头至陶城铺河段“二级悬河”的滩唇一般高出黄河大堤临河地面约3m，最大达5m，滩面横比降约为0.1%，而纵比降则为0.014%。同时，滩内分布堤河、串沟多达167条，总长846km。一旦发生较大洪水，由于河道横比降远大于纵比降，因此滩区过流比增大，增大了主流顶冲堤防、顺堤行洪甚至发生“滚河”的可能性，将严重危及堤防安全[2-3]。

2 黄河干流输水损失分析

黄河下游“地上悬河”的特点，使一般河流地表水与沿岸地下水的双向补给关系变为地表水向沿岸地下水的单向补给，河流输水损失加大，导致黄河下游河段一直存在水量不平衡现象，对黄河水资源的精细化管理造成了影响。本文从水面蒸发和河道渗漏两个方面分析输水损失量。

2.1 水面蒸发损失

河道水面蒸发量一般采用河道平均水体蒸发量乘以河道水面面积的方法计算求得，其公式为

E=E河段B河宽L河长（1）式中：E为河道水面蒸发量；E河段为河道平均水体蒸发量，采用E601蒸发皿的蒸发量折算；B河宽为河道平均水面宽度；L河长为河道长度。

2.2 渗漏损失水量

考虑到黄河干流悬河的特点，渗漏损失较一般河流大，故采用断面水量平衡和地下水数值模拟两种方法对比分析，相互验证。

2.2.1 断面水量平衡法

断面水量平衡法是一种间接计算河道渗漏量的方法，在水文学中经常采用，主要是通过断面测流来获取上下游断面之间的水量损失，扣除断面之间的蒸发量、引水量和补水量的差值等来间接推求河道渗漏量。这种方法的优点是简单易算，缺点是精度偏低，只能判断两个断面之间的总体渗漏水量，不能明确判断漏失的地段及其分段漏失量。断面水量平衡方程为

Q上+Q区+P-（Q下+W取+E+Q渗）=ΔQ（2）式中：Q上为上断面水文站实测径流量；Q区为河道区间人流量；尸为河道水面降水补给量；Q下为下断面水文站实测径流量；W取为从干流取走的河道外用水量；Q渗为河道渗漏量；ΔQ为平衡项差值。

在上述上下断面径流量、区间人流量、河道降水补给量、河道外用水量、水面蒸发量已知且平衡项差值在合理范围内时，即可求得河道渗漏损失量。

2.2.2 数值模拟法

数值模拟方法是目前地下水研究中最为流行和常用的方法，可以模拟复杂地质条件在不同水文情势下的水量、水位变化过程，常用的数值方法有有限元法和有限差分法，国际国内有较为成熟的可视化计算软件，如VisualmODFLOW、FEFLO W、GMS等，这些地下水流模拟软件大多具有输入输出数据功能齐全、计算效率高、可视化效果好等特点，被广泛应用于地下水资源评价、预报和各类工程地下水渗流计算中。数值法可以详细刻画含水层系统的复杂三维边界条件，并可模拟蒸发、降水、地表水位的时空变化，更接近实际情况。

（1）黄河侧渗的范围。对黄河侧渗量进行计算时，需要首先确定侧渗的影响范围。黄河侧渗的影响范围即黄河对地下水影响带，包括平面上和垂向上两方面，平面是指黄河水补给地下水的距离和平面范围，垂向是指与黄河侧渗补给量相关的地下水的循环深度。

黄河侧渗影响带的范围一般根据地下水流场特征、地下水动态特征进行分析和判断，也可以通过地下水化学、环境同位素特征分析等来进行确定。赵云章等[4]采用地下水流场分析法、地下水动态类型比拟法和同位素测试分析等综合方法，较准确地划分了黄河不同河段影响带的宽度，在同位素取样的典型剖面上，郑州剖面黄河侧渗影响带的宽度南岸约为10.0km，北岸约为13.4km；中牟一原阳一新乡剖面南岸约为14.4km，北岸约为24.0km；开封一封丘剖面南岸约为18.9km，北岸约为26.2km；濮阳剖面黄河影响带范围（北岸）约为19.2km。平建华等[5]利用同位素技术对黄河下游侧渗影响带范围进行了研究，认为黄河在南岸和北岸对地下水的影响范围不一样，南岸在郑州一带约为5km，影响范围相对较小，向下游影响范围逐渐增大，在中牟和开封一带为7～10km；北岸影响范围为9～20km[5]。黄河侧渗影响带范围见图1[6]。

（2）黄河侧渗的数值模型。对于黄河侧渗影响带内的非均质各向异性含水介质及多层空间三维结构与非稳定性质的地下水流系统，可用如下微分方程的定解问题来描述[6]：式中Kx、Ky、Kz为分别为x、y、z方向的渗透系数；ε为含水层的源汇项，1/d；S为自由水面以下含水层的储水系数，1/m；h为地下水位m；Ω为渗流区；p为潜水面的蒸发和降水等，1/d；μ为潜水含水层给水度；h0为含水层的初始水位，m；Γ1为渗流区域的上边界，即地下水位的自由表面；h1为上边界自由表面的水位，m；Kn为边界面法向渗透系数，m/d；n为边界面的法线方向；Γ2为渗流区域的下边界；q为下边界的面流量，m2/d；hs为黄河水位，m；σ为河流底部淤积层的阻力系数σ=L/Ks，其中L为底部淤积层的厚度，Ks为河流底部淤积层的渗透系数，m/d ；Γ3为渗流区域的侧向（含河流侧补）边界。

黄河侧渗影响带水文地质边界条件概化见图2。

利用各類数值模拟软件建立三维地下水流数值模型刻画上述数学模型。根据水文地质条件对不同含水层划分参数分区，并依据各类相关勘察成果给各分区参数赋初始值，通过拟合同时期的流场和长观孔的历时曲线，识别水文地质参数、边界值和其他均衡项，使建立的模型能更准确地定量描述研究区地下水系统，预测黄河侧渗量及其变化趋势。

3 黄河干流生态水量研究

河流地表水是一个整体，具有一定连续性，承载着保持河流形态、输送淡水入海、为近海生物提供营养物、提供各种形态栖息地等多种功能。同时，由于黄河水少沙多的特性，因此还必须考虑输移泥沙、维持河槽过流能力等所需的水量。

3.1 输沙水量

下游河道冲淤量与进入下游的水量、沙量及来水来沙系数等因子关系密切。根据历史水沙系列及河道冲淤资料，建立控制断面来沙量、河道淤积度与控制站汛期输沙水量的关系：

W=k1Ws-k2Δs+C（4）式中：W为利津站输沙塑槽用水量，亿m3；Ws为三黑小（三门峡、黑石关、小浪底三站）沙量，亿t；ΔWs为下游河段冲淤量，亿t；k1、k2为系数；C为常数。

3.2 非汛期生态水量

非汛期生态需水主要考虑包括保证河道不断流、维持河口三角洲湿地、水体自净、生物栖息环境保护等用水需求。在进行生态水量计算时，一般考虑河道不断流、维持一定的河流规模（包括湿周、水面宽度、水面面积、水面纵比降等参数）、河流水生生物的栖息环境、维持河道内生物多样性等生态目标，主要采用Tennant法、月（年）保证率设定法、最小月（年）法、湿周法、生境法等进行计算，最后取各种算法计算结果的外包值[7]。

3.3 考虑悬河特性的生态水量探讨

对于一般河流而言，丰水期河流对地下水有一定的补给作用，枯水期地下水会反向补给河流。由于黄河下游河床高于两岸地面，因此河道向两岸地下水的补给为单向补给，每年补给的水量对于缓解地下水超采产生了一定作用，也是维持下游河流两岸生态系统的重要因素。下游生态水量在考虑河道不断流、生物栖息环境、生物多样性等因素的基础上，必须考虑因“地上悬河”而引起的地下水侧渗补给量，计算公式为

Q=W输+max（QT，Qy，Qm，Qs，Q生）+Q渗（S）式中：Q为断面生态需水量；W输为输沙水量；QT为Tennant法计算结果；Qy为月（年）保证率设定法计算结果；Qm为最小月（年）法计算结果；Qs为湿周法计算结果；Q生为生境法计算结果；Q渗为因悬河特性而激发的渗漏补给量。

4 结语

黄河作为中华民族的母亲河，以占全国2%的河川径流量承担着全国巧%的耕地面积和12%人口的供水任务。黄河亦是世界上泥沙最多的河流，河道内必须留足一定的水量用于输沙入海。同时，每年还需向流域外沿黄地区供水约100亿m3，水资源供需矛盾极其尖锐。随着经济社会发展，用水量不断增加，生态水量被大量挤占，导致河道断流、河床淤积、水体污染等一系列生态问题。党的十八大报告指出生态文明建设是关系人民福祉、关乎民族未来的长远大计，把生态文明建设放在了突出地位，融入经济建设、政治建设、文化建设、社会建设的各方面和全过程，提出了“五位一体”的总体布局。黄河作为中华民族的母亲河，更应该高度关注其生态系统的恢复与保护。黄河下游的“地上悬河”增强了河流向地下水的补给作用，具备特殊的生态作用，在下游生态环境水量的分析研究和管理过程中，应充分考虑这一特点，合理确定下游各断面生态环境水量，为黄河水资源管理、生态环境调度和下游生态环境治理提供决策依据，为维护母亲河生命健康奠定基础。

参考文献：

[1]张金良，刘继祥，万占伟，等.黄河下游河道形态变化及应对策略[J].人民黄河，201$，40（7）：1-6.

[2]曾庆华.黄河下游二级悬河治理途径的探讨[J].泥沙研究，2004（2）：1-4.

[3]胡一三.黄河治理琐议笔谈[M].郑州：黄河水利出版社，2017：140-149.

[4]赵云章，邵景力，闫震鹏，等.黄河下游影响带地下水系统边界的划分方法[J].地球学报，2004，25（1）：99-102.

[5]平建华，曹剑峰，苏小四，等.同位素技术在黄河下游河水侧渗影响范围研究中的应用[J].吉林大学学报（地球科学版），2004，34（3）：399-304.

[6]曹剑峰，冶雪艳，姜纪沂，等.黄河下游悬河段断流对沿岸地下水影响评价[J].资源科学，2005，27（5）：77-83.

[7]杨志峰，崔保山，刘静玲，等.生态环境需水量理论、方法与实践[M].北京：科学出版社，2009：26-30.