小开河引黄闸近期引水能力变化初析

刘彦晖 李军华 张向萍 张杨 江恩慧

摘要：依据2010-2016年黄河下游小开河灌区引黄闸附近河段的水沙资料，总结小开河引黄闸的引水引沙特性，在此基础上提出近期小开河引黄闸引黄能力变化的原因，并对影响小开河引黄闸引水引沙效果的因素进行了简要分析。结果表明：小开河引黄闸主要存在大河流量较小时引水条件差、流量较大时引水含沙量大两方面的问题：河道下切导致的同流量下闸前水位降低、渠道淤积严重、闸前局部河势的变化是造成小开河引黄闸上述引水引沙问题的主要原因。

关键词：水沙资料;引水引沙;影响因素;小开河引黄闸

中图分类号：TV85;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000 - 13 79.2019.02.033

1 引言

小浪底水库的运用对塑造下游河道、稳定主槽和黄河下游防洪减淤起到了重要作用，并且为下游沿黄城市及河北、天津、青岛地区工农业生产、生活和生态用水提供了稳定可靠的水源。近年来，随着黄河水沙情势变化，进入下游河道的水沙长时间处于中小流量下的低含沙（甚至清水）过程，黄河下游引黄涵闸因渠道淤积、河势变化、河床下切、灌溉工程不配套等因素影响，导致引水条件与设计情况相比发生了变化，造成部分河段涵闸引水困难，特别是每年3-4月的春灌时期，黄河来水量小，水位低，部分河段引黄涵闸出现了无法正常引水的情况，影响了农业生产适时灌溉。黄河依然是一条典型的多沙河流，引黄工程引水必引沙，随着引黄闸前河床局部形态及床沙组成等因素的变化，引黄闸引入的泥沙特别是粗泥沙与原渠系设计不适应，造成引黄渠系泥沙淤積加重。

近期引黄工程引水能力的变化引起社会的普遍关注。于晓龙等[1]对黄河调水调沙以来山东段河道来水及引水条件进行分析后，认为影响引黄闸引水的因素主要包括用水需求量的增大、来水量的减小、渠道淤积与河道刷深，提出了清淤、稳定河势、建设泵站等工程措施。李洪明等[2]通过对引黄闸设计运行条件和调水调沙前后水位变化情况的分析认为，渠道淤积、引渠的不合理布置及河势变化造成了部分引黄闸枯水期引水困难。王茹等[3]则主要针对黄河调水调沙之后滨州市引黄闸现状进行分析，认为黄河来水减少和闸后渠道淤积是影响引水的主要因素。王延贵等[4]在大量实测水沙资料的基础上分析了典型灌区泥沙起动与含沙量分布，认为渠道的糙率、比降、断面形状、来沙组成和引水流量是影响引黄渠道挟沙能力的主要因素，并且分析了灌区泥沙淤积的主要成因。蒋如琴等[5]分析了典型灌区输沙渠挟沙水流输沙特性。毛伟兵等[6]以小开河灌区为例，对灌区的远距离输沙[7]技术进行了探讨，并且总结了小开河灌区的泥沙分布规律。胡健等[8]通过小开河灌区1999-2007年的水沙资料，总结了该灌区引水引沙条件与渠道断面特性，研究了干渠不同渠段的引水分布特征和泥沙长距离输送及淤积特性。

本文主要依据2010-2016年小开河引黄闸河段水沙资料，在对小开河引黄闸的闸前大河流量、含沙量、水位和引水流量以及闸后渠首含沙量等水文资料进行分析的基础上，总结近期小开河引黄闸的引水引沙特性，同时还对影响小开河引黄闸引水引沙效果的主要因素进行分析，以期为认识黄河下游灌区所面临的引水引沙现状、改善小开河引黄闸引水引沙条件提供参考。

2 小开河引黄闸研究河段及工程概况

小开河引黄闸位于山东省滨州市境内，黄河下游左岸兰家险工32号坝与34号坝之间（见图1），上距泺口水文站约114 m，下距利津水文站约76 km。引黄闸附近河段属弯曲型河段，河势相对稳定。小开河引黄闸上下1.5 km范围内的河道宽度约为400 m.最大河宽位于弯顶附近，宽450 m，最窄处在五甲杨险工附近，宽220 m，河道纵比降为0.009%。小开河引黄闸上游2 km处修建有一座浮桥连通黄河南北两岸.1.5km处有五甲杨水位站。引黄闸下游2.5 km处兰家村和5 km处刘春家村附近分别建有兰家引黄闸和刘春家引黄闸。小开河引黄闸为两联六孔箱式涵洞结构，闸底板高程14 m（大沽高程，下同），堤顶高程25.6 m。工程设计引水水位16.2 m，设防水位26.27 m，设计引水流量60 m/s，可灌溉面积7.33万hm。该工程的建成有效缓解了滨州工农业生产及生活用水的紧张状况，提高了黄河水资源的开发利用率。

3 小开河引黄闸引水能力变化分析

3.1 小开河引黄闸引水特性

根据2014-2016年小开河引黄闸引水流量实测资料（见图2）可知，在闸前大河流量低于500 m/s时，引黄闸引水流量与大河流量大致成正相关关系：随着大河流量的增大，引黄闸引水流量分布相对散乱。2014-2016年小开河引黄闸年均引水流量为24.23m3/s，其中最大引水流量发生在2015年7月15日16时，为66.74 m3/s，此时所对应的大河流量为1 497m3/s;最小引水流量则发生在2016年6月23日，仅为4.32 m/s.此时对应的大河流量为327 m3/s。小开河灌区主要是中小流量（引黄闸前的大河流量在1 000 m/S以下）引水，大流量（引黄闸前的大河流量在1 000 m/s以上）引水所占比例较小。2014-2016年间，大河流量在200 m3/s以下时引水次数占总引水次数的38.4%，大河流量为200～500 m/s时引水次数占46.1%，两者合计为84.5%。其原因是闸前流量较大时一般处于汛期，农业用水大部分依靠降水满足，对引黄闸引水需求不大。

与小开河引黄闸运行初期（1999-2006年）相比，近年来小开河引黄闸引水愈加频繁，人们对于引黄闸引水的需求也愈来愈大，2014-2016年间年平均引水天数为142 d.相比运行初期（119.2 d）[8]增加了19%;然而年均引水流量却呈逐年下降的趋势，2014年平均引水流量最大，达到30.95 m/s，2016年最小，约为2014年平均引水流量的一半（15.72 m/s）。

目前，大流量下小开河引黄闸引水流量基本满足引水需求，而中小流量下其存在引水能力不足的问题。例如，大河流量为200 m/s时，2014-2016年引黄闸引水流量普遍较小，年均引水流量分别为18. 55、10.54、22.11 m/s（见图3）;当大河流量增加到400m/s时，引黄闸引水流量逐年降低，从2014年引黄闸引水流量平均值41.22 m/s下降到了2016年引黄闸引水流量均值8.60 m/s。综上所述，可以看出中小流量下小开河引黄闸引水愈来愈困难。

3.2 小开河引黄闸引沙特性

由于小开河引黄闸闸前没有大河流量和含沙量的系统观测资料，因此选取2010-2015年小开河引黄闸上游和下游距离最近的泺口和利津两个水文站的流量和含沙量数据[9-13].根据距离进行插值得到小开河闸前的流量和含沙量，进而分析两者的关系（见图4）。

从图4可以看出，闸前大河流量与含沙量成显著的正相关关系。流量较小时，含沙量较小，如流量在400 m/s以下时含沙量基本在1 kg/m以下，当流量为800～1 000 m/s时含沙量最大值接近5 kg/m。

在小开河引黄闸运行初期的1999-2006年，年均引水含沙量为3，88 kg/m3，受小浪底水库蓄水拦沙作用影响，灌区年引沙量不大。引水最大含沙量为23.1kg/m3，出现在1999年，最小含沙量为0.89 kg/m，出现在2006年[8]。

考虑到引黄闸的引沙特性，闸后渠首含沙量同样是重要指标之一。图5为2010-2015年小开河引黄闸闸后渠首含沙量实测数据散点，可以看出：引黄闸闸后渠首含沙量大部分在5 kg/m以下，最大值出现在2012年3月6日，为11.90 kg/m，而最小值仅为0.46kg/m，出现在2010年2月22日。在所统计的实测数据中，闸后渠首位置的平均含沙量为3.38 kg/m，并且每年的渠首含沙量均值变化不大。

综上所述，小开河引黄闸引水时的大河流量基本在0～1 000 m/s之间，现状条件下的引水能力与黄河调水调沙之前以及引黄闸运行初期相比呈下降趋势，尤其在小流量（大河流量小于500 m/s）下，引黄闸引水能力不足的问题显著。受黄河调水调沙的影响，大河含沙量基本在5 kg/m以下，并且随大河流量的增大而增大，渠首含沙量较大，大流量时引黄闸存在引水含沙量过大的问题。

4 影响小开河引黄闸引水引沙效果的原因分析

通过对小开河引黄闸2010-2015年引水引沙特性分析可知：在小流量（小于500 m/s）时存在引黄闸引水能力不足的问题，较大流量（500～1000 m/s）时存在引水含沙量过大的问题。针对该情况，下面从河道下切导致闸前水位降低、渠道泥沙淤积、闸前局部河势变化三个方面对小开河引黄闸引水引沙效果的影响进行分析。

4.1 河道下切导致闸前水位降低

据统计，2002-2013年黄河下游整体呈持续冲刷状态，河床平均下切了1.3～ 2.8 m。尽管近些年下切有逐渐变缓的趋势，但黄河同流量水位降低，影响了引黄涵闸的引水能力[14]。

小开河引黄闸所在河道断面距离上游五甲杨断面1.6 km，距离下游兰家断面2，2 km。由表1可知，2015年五甲杨与兰家断面的平均河底高程比2008年分别降低0.74 m与0.21 m。近几年五甲杨断面与兰家断面河床均有不同程度的冲刷，小开河引黄闸河段河底高程变低，河道比降减小。河道存在冲刷现象，导致同流量下闸前水位逐年降低。黄河调水调沙之前，以1990年为例，流量为200 m/s时小开河引黄闸闸前水位为16.5 m左右，2006年同流量下闸前水位已经下降到16.0 m左右，而到了2016年仅为15，15 m。

4.2 渠道泥沙淤积

闸后渠道淤积[4]主要发生在涵闸引水期间，在引水过程中容易造成渠道淤积，导致输水渠道纵比降变小，渠底抬高使过水断面面积缩小，减弱了过流能力，进一步降低了渠道水流的挟沙能力，加剧了渠道沿程淤积。同时随着闸后水位的抬高，引黄闸的引水能力也受到影响。

本文将闸后渠首引水含沙量与大河主流含沙量的比值（引沙比）作为反映小开河引黄闸引水含沙量高低的一项重要指标。从表2可以看出，小开河引黄闸引沙比均较大，引沙比最大时所测渠首引水含沙量为9.01 kg/m，是大河含沙量（ 2.01 kg/m）的4倍多。引沙比在100%～ 300%区间内的频率最高，占所有统计值的69.2%，而在记录的数据中，闸后渠道引水含沙量低于大河主流含沙量的记录仅出现3次。由此可以看出，近年来小开河引黄闸引水含沙量过高。

4.3 闸前局部河势变化

小开河引黄闸局部河床形态变化频繁，对引水引沙具有一定的影响。小开河引黄闸河段河势变化主要受闸门口上游32号坝的影响。32号坝紧挨闸门口，坝头延伸进河道40 m左右，当水流经过32号坝到达小开河闸门口时，这种固体周界在其延伸方向上发生过急的变化，促使边层水流与固体周界发生分离，形成分离点（流体力学中常称为“奇点”）[15]，从而在坝后引黄闸口门前产生竖轴环流，而竖轴环流所在区域正好位于闸门口（见图6）。

對于天然河流中的环流结构[16]，“封闭的”竖轴环流是否造成淤积，取决于环流强度与纵向水流挟沙力两个因素。当环流强度小而纵向水流挟沙力较大时产生淤积，当引黄闸闸门关闭时，挟带泥沙的主流流经坝后回流区域，纵向主流与环流的水体不断发生置换，环流强度较小，挟沙能力下降，粗沙落淤，在闸门口产生泥沙淤积，引黄闸引水断面面积减小，尤其在流量较小时，引水状态基本为回流引水，而非主流引水，同时会产生“拉沙”现象，原本落淤的粗沙随水流进入闸后渠道。由于大流量时主流含沙量相对较大，因此引黄闸引水含沙量过高的问题愈发明显。

5 结论

依据2010-2016年黄河下游小开河引黄闸河段的水沙资料以及小开河引黄闸的引水引沙资料，总结了近期小开河引黄闸的引水引沙特性，提出了近期小开河引黄闸引水引沙存在的具体问题，并对影响小开河引黄闸引水引沙效果的因素进行了简要分析，得出以下结论。

（1） 2014-2016年小开河引黄闸引水资料表明，灌区年平均引水天数较运行初期增加，引水需求愈来愈大，而年平均引水量呈逐年下降的趋势。

（2）通过对2010-2015年小开河引黄闸引沙特性的分析，可知小开河引黄闸前大河含沙量不大，而闸后引水含沙量较大，引沙比较大。

（3）河道下切造成的同流量下闸前水位降低、输沙渠泥沙淤积、闸前局部河势的变化是小开河引黄闸引水能力变化的主要影响因素。

参考文献：

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