黃河下游三劉寨引黃灌區引水能力分析

卞艷麗 黃福貴 曹惠提

摘要：黃河下游三劉寨灌區引黃涵閘靠流條件良好，但河床下切引起大河水位降低，對涵閘引水能力產生了一定影響。采用2002-2013年花園口水文站流量、水位資料以及三劉寨灌區引水量資料，分析得到三劉寨引黃閘閘前黃河水位過程、閘前水位與引水流量的關系，并由此提出現階段水源和工程條件下涵閘可引水流量旬過程，多年（2007-2011年）平均及50%保證率來水年（2010年）正?？梢糠謩e為8 931萬m和8 395萬m。

關鍵詞：涵閘;引水條件;引水能力;三劉寨灌區;黃河下游

中圖分類號：S273;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019 .01. 034

三劉寨引黃灌區興建于1965年，位于黃河南岸鄭州市中牟縣境內。灌區北臨黃河大堤，南依賈魯河，東與開封縣接壤，涉及中牟縣的雁鳴湖、狼城崗、萬灘、大孟、官渡等5個鄉鎮，總土地面積279.67 km，設計灌溉面積1.97萬hm，設計灌溉保證率50%.灌區現狀有效灌溉面積1.40萬hm。灌區是以引黃自流灌溉為主、井灌為輔的井渠結合灌區。灌區現有總干渠1條、干渠3條、支渠15條，干支渠總長122.70 km，其中：總干渠長0.25 km，干渠總長60.45 km.支渠總長62.00 km[1]。灌區渠首閘三劉寨引黃閘距上游花園口水文站約30 km。

1 來水量分析

來水量分析采用花園口水文站的觀測資料，花園口站以上集水面積為730 036 km，1950-2015年多年平均徑流量為371.08億m，見圖1?？梢钥闯?，1968年劉家峽水庫開始運用、1986年龍羊峽水庫開始運用在一定程度上改變了花園口斷面的自然水流情勢：1999年小浪底水庫投運后，花園口斷面的年徑流量受水庫調節的影響相對較小。

1.1 徑流量年內分配

黃河地表徑流量時空分布具有年內分配不均、年際變化大的特點。因年降水量主要集中于6-9月，故河川徑流量主要集中在汛期7-10月，約占全年的57.1%。黃河花園口水文站1950-2013年天然徑流量年內分配情況見表1。

1.2 徑流量年際變化

根據黃河干流花園口水文站1950-2013年的實測徑流量資料，黃河花園口年徑流量變差系數為0.35，且按年代均值整體來說呈減小趨勢，具有20世紀50、60、80年代偏豐，70、90年代以來偏枯的特點，其中：60年代最豐，90年代最枯，21世紀10年代偏枯。最大年徑流量為861.41億m，出現在1964年：最小年徑流量為142.57億m，出現在1997年;2013年接近平水年。20世紀90年代平均年徑流量較多年平均值減少近5成。最豐年代和最枯年代年徑流量均值的比值約為2.2。

1.3 來水量頻率分析

由于1968年劉家峽水庫的運用、1986年龍羊峽水庫的運用改變了大壩下游黃河干流的自然水流情勢，從水文資料的一致性來看，采用1986年龍羊峽水庫運行后的水文資料序列較好，但缺點是其序列太短，且1986年以后來水處于偏枯水時段，代表性較差。綜合考慮，選取劉家峽水庫運用后的實測水文資料序列，即采用花園口水文站1969-2013年實測水文資料進行頻率分析。該水文序列涵蓋了豐、平、枯水時段，具有一定的代表性。根據花園口水文站1969-2013年連續45 a實測徑流量分析得到花園口水文斷面多年平均年徑流量為320.02億m。頻率分布曲線采用P-Ⅲ型曲線，取Cv值為0.35，Cs/Cv值為3.0。

花園口斷面1969-2013年年徑流量頻率分析結果見表2?？芍?，50%保證率下花園口斷面年徑流量為302.09億m，75%保證率下花園口斷面年徑流量為238.25億m。根據50%保證率下花園口斷面年徑流量，從供水偏安全的角度考慮，選取2010年花園口斷面的來水過程（年徑流量276.45億m）分析計算三劉寨灌區渠首閘引水能力，見圖2。

2 黃河河勢與來水來沙條件

2.1 三劉寨閘前河勢與河床沖淤分析

三劉寨灌區渠首閘位于中牟縣萬灘鎮三劉寨村東北，黃河南岸大堤樁號42+200處，處于黃河萬灘彎道段凹岸頂點偏下游。自1966年興建三劉寨引黃渠首閘以來，歷經三門峽水庫滯洪排沙運用期（1970-1974年）、三門峽水庫蓄清排渾運用及下游河道整治期（1975-1984年）、小浪底水庫運行初期等幾個階段，黃河主流基本靠近三劉寨引黃閘處，其垂直距離的變化幅度較小。經1960-2005年實測資料分析，主流距三劉寨閘1.0 km遠的情況僅有2a，一般只有20～30 m。尤其是近年來黃河控導工程修建后，三劉寨閘未出現脫流現象，這對三劉寨閘的引水非常有利。

截至2013年7月，小浪底水庫已進行12次調水調沙。從黃河調水調沙試驗資料來看，第一次調水調沙試驗白鶴一花園口段主槽刷深0.18 m，第二次試驗花園口站主槽刷深0.14 m，第三次試驗刷深0.02 m。引黃涵閘2002年、2013年設計流量對應的黃河水位及變化，見表3。點繪500 m/s流量花園口斷面歷年水位變化圖，見圖3?；▓@口以上河段在黃河流量為700 m/s情況下，引黃涵閘引水水位平均下降0.93 m;在黃河流量500 m/s情況下，花園口至夾河灘河段引黃涵閘引水水位平均下降0.46 m[2]。

黃河小浪底水庫運用后，沖沙效果明顯，河道顯著刷深，綜合分析黃河沿線水位變化，下游河段水位變化趨勢基本一致，普遍下降。據統計，自2002年小浪底水庫攔沙運用至今，黃河下游河床平均沖刷下切了1.30～2.86 m; 2002-2013年水位平均降低2.28 m，2008-2013年水位平均降低0.80 m。近年來三劉寨閘歷年引水流量遠遠不及設計流量，主要原因是受黃河沖淤變化影響，小浪底水庫的運用及黃河實行調水調沙以來，該段黃河河道受到沖刷，河床下切，同流量閘前水位下降，加上輸水渠淤積等，使三劉寨閘引水能力逐年下降。但三劉寨閘閘前水位仍高于閘底板高程。

2.2 黃河來水含沙量分析

黃河是一條高含沙河流，統計花園口水文站1974-2013年實測泥沙資料，花園口水文站多年平均含沙量為11.84 kg/m。從含沙量各月變化情況來看，黃河下游高含沙量期主要分布在7-9月，其中8月份含沙量最高，為45.84 kg/m。

考慮到小浪底水庫興建以前，花園口水文站泥沙含量為黃河天然含沙量狀態，而自小浪底水庫建成運用后，花園口水文站泥沙含量明顯減小。2002-2013年花園口站各月含沙量均值見表4。由表4可知，2002-2013年花園口站平均含沙量為2.25 kg/m，僅為多年均值的19.00%。從含沙量各月變化情況來看，8月份含沙量最高，為10.36 kg/m。

3 三劉寨灌區渠首閘引水情況

3.1 引水的流量條件分析

受小浪底水庫建成運用后下游河道演變、河床下切的影響，2002年以來花園口以下河床普遍下切1.30～ 2.86 m。河床下切后影響灌區引水，當黃河來水流量小時，引水能力很小。統計歷年三劉寨引黃閘引水時花園口最小黃河流量，見表5.可見歷年三劉寨閘引水時黃河最小流量在286～ 529 m/s之間?？紤]黃河調水調沙以來，三劉寨閘附近同流量水位下降，取引水流量較小的2004年花園口流量298 m/s作為三劉寨閘可引水的黃河最小流量值。統計花園口水文站流量小于298 m/s的天數，作為三劉寨閘限制引水的時間。根據2002-2013年花園口水文站流量資料分析，小于298 m/s的天數多年平均為20 d.平水年份（2010年）為Od，見表6。

3.2 引水的含沙量條件分析

結合引黃工程供水的實際需要，含沙量超過30 kg/m3時，要限制取水工程引水。統計2002-2013年三劉寨引黃閘8月份實際引水日期，見表7。由表7可知，自黃河調水調沙試驗以來，三劉寨引黃閘雖然在最初幾年還有引水，但2006年以來8月均無引水。

此外，黃河調水調沙一般在6月下旬至7月上旬進行，分析黃河調水調沙期間三劉寨引黃閘的實際引水情況，見表8。由表8可知，三劉寨引黃閘除最初兩年（2002-2003年）在黃河調水調沙期間不引水以外，大多年份在調水調沙期間引水.2004-2011年只有2007年在調水調沙期間沒有引水。該段黃河含沙量沒有超標是三劉寨閘在調水調沙期間正常引水的原因之一，另外該時段也是灌區農業需水關鍵期。此外，近幾年河南黃河河務局在汛前調水調沙期間實施引黃工程“防淤減淤”措施，調水調沙后期開閘拉沙沖淤，以防止調水調沙后期因水位快速回落而造成引黃取水口及引水渠淤積。

綜合黃河來水含沙量情況及三劉寨閘歷年實際引水情況，三劉寨引黃閘在8月高含沙量期間不宜引水，而在黃河調水調沙期間只要黃河含沙量不超標，三劉寨閘都可以正常引水。

4 涵閘正?？梢?/p>

根據黃河來水及含沙量分析，綜合三劉寨閘歷年實際引水情況，高含沙量不宜引水期確定為8月。

4.1 引水流量與閘前水位關系分析

三劉寨引黃閘為三孔涵洞式水閘，孔高2.0 m，寬2.5 m，設計流量25 m/s，加大流量30 m/s.設計閘底板高程81.64 m，洞身長84.3 m.工程運行情況良好。

三劉寨引黃閘位于花園口水文站下游，黃河花園口站一三劉寨閘河段比降約為1/5 000.據此推求2002-2011年黃河實施調水調沙期間三劉寨閘前黃河水位。2002-2011年三劉寨閘年均引水流量及閘前水位見表9。三劉寨引黃閘年均引水流量1.2～3.1 m/s，年均閘前水位84.6～ 86.3 m[1，3]。

采用花園口水文斷面流量作為三劉寨閘前來水流量，統計分析2014-2015年三劉寨閘逐日引水流量與相應閘前水位的關系，選擇能夠代表三劉寨閘引水能力的水位一流量關系點建立二者關系（見圖4），得到水位一流量關系式：

H= 0.181 8q+84.606式中：H為閘前水位，m;q為引水流量，m/s。

4.2 涵閘正?？梢?/p>

引黃閘閘前水位高于閘底高程和引水閘不脫流是能夠引到黃河水的關鍵。按照三劉寨閘正常引水時間、黃河來水過程、三劉寨閘前黃河水位及引水閘前水位和引水流量關系分析結果，計算三劉寨引黃閘正?？梢??？紤]受小浪底水利樞紐調節的影響，來水量的多年均值采用來水較穩定的2007-2011年的多年平均值，與P= 50%來水典型年（2010年）三劉寨閘正?？梢坑嬎憬Y果分別見表10、表11。

三劉寨引黃閘多年（2007-2011年）平均和P=50%來水年（2010年）正?？梢糠謩e為8 931萬m和8 395萬m.平均引水流量分別為3.21 m/s和3.19 m/s。需要說明的是，當黃河河勢和河道沖淤發生較大變化時，需要對三劉寨引黃涵閘的引水能力進行實時修正。

5 結語

小浪底水庫運用對黃河下游防洪減淤、塑造下游河道、穩定主槽起到了重大作用，產生了較大的社會、經濟和生態環境效益。與此同時，黃河下游河道普遍下切，河勢與水沙形勢發生了一些變化，使下游引黃涵閘引水條件與設計情況相比發生了變化，造成部分河段涵閘引水困難，需要保持較大的黃河流量才能滿足沿黃涵閘引水對水位的要求。

通過對三劉寨引黃閘引水條件、閘前水位與引水流量關系的分析，得出該閘多年（2007-2011年）平均及P= 50%來水年（2010年）正?？梢糠謩e為8 931萬m和8 395萬m.平均引水流量分別為3.21m/s和3.19 m/s。

由于涵閘引水能力受河道沖淤變化影響較大，因此需要及時掌握河道沖淤變化，進一步完善計算方法。建議對黃河下游河段引黃涵閘引水能力進行跟蹤研究，及時掌握黃河下游河段涵閘的引水能力及其變化過程，指導黃河干流水庫和引黃工程的調度運行，提高黃河干流水量調度的科學性、針對性和時效性，最大限度地發揮黃河水資源的經濟、社會及環境效益。

參考文獻：

[1] 鄭州市水利建筑勘測設計院，河南省農業綜合開發中牟縣三劉寨灌區節水配套改造項目可行性研究報告[R].鄭州：鄭州市水利建筑勘測設計院，2009：180-210.

[2] 黃河水利科學研究院，黃河下游引黃涵閘引水能力調研報告[R].鄭州：黃河水利科學研究院，2015：21-35.

[3] 河南省水利科學研究院，中牟縣三劉寨灌區中央湖引黃調蓄工程水資源論證報告[R].鄭州：河南省水利科學研究院，2013：63-90.