黄河下游排沙特性及其对径流需求量的分析(尹国康)

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黄河下游排沙特性及其对径流需求量的分析

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尹国康水利论文F8L&A;} y
(南京大学 大地海洋科学系)
水利论文.hJmL-PE

摘要:通过黄河下游特征水沙年及三门峡水库不同方式运行期间泥沙输入与输出的分析、排沙能力对水沙条件依赖关系的分析,论述了黄河下游排沙特性,并对黄河排沙的径流需求量作了探讨。为黄河流域可持续发展工程建设,如南水北调供水规划、建立黄河流域水资源配置体系,提供科学依据。

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关键词:黄河下游; 排沙能力; 径流

SJ T4IugY0

基金项目国家自然科学基金资助项目(49671006)。

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作者简介:尹国康(1936-),男,南京大学教授。水利论文:w:r ~]6B8u?5Z

  黄河水少沙多,水资源先天不足,工农业用水供需矛盾日益尖锐。1972年以来,黄河下游断流几乎连年发生,断流时空规模逐年扩大。排沙、稀释净化所需水量引起人们的关注水利论文 K7g)L#R\

1 黄河下游排沙过程的历史回顾

j*h+i%}pI0

  黄河水少沙多,下游河道排沙能力长期不能满足过量来沙要求。就近46年(1950~1995)实测数据累计。自小黑小①进入下游河道的沙量达561.652×108t②,经沿途落淤、旁引,到达距小浪底760.7km的利津断面,排出沙量减至423.86×108t,相应排沙比为75.47%。可见黄河下游是加积性河流,平均每年都有25%的来沙落淤。但在另一方面,它又是一条具有均衡趋向性的河流[1],具有较强的自动调整功能,几乎每年都出现泥沙输出量大于输入量的冲刷期。从表1可以看出,冲大于淤的月份主要出现在3、4月和9~12月。由于不同时段来水来沙条件差异和人类活动的影响,其相应的排沙比也各有特点。水利论文P5]4Q3vj'fey

表1 黄河下游1950~1990年系列利津站相对于小黑小站排沙比Rs>1的月份数
w H2rUeQ0
Table 1 Months of sediment inflow outflow ratio in excess of 100 percentin the lower Yellow River during the period 19501990

6['Ql;A6p;}7o6|)C0

j#\o RZ c @s})Y0
123456789101112

Rs>1的月数111822281983620242621
占统计年份的%26.843.953.768.346.319.57.314.648.858.563.451.6

1.1 反映天然本色的50年代水利论文4t-~!nVb|Yrx

  这个时期,由于生产力水平较低,人类活动对流域影响较小,黄河下游水沙来量及其过程基本保留着天然本色。这十年排沙比为74.93%(表2),与上述1950~1995年系列排沙比相近,其汛期排沙比与年排沙比相近,但汛期(7~10月)排沙量却占到年排沙总量的86.21%。至于年内进入下游河段沙量小于排沙量的10和11两个月,其排沙量仅占到年排沙总量的14。92%(表2)。作为这个时期丰水丰沙年典型的1958年,该年年排沙比及汛期排沙比分别为70.23%和71.22%,汛期排沙量占到年排沙量的91.91%,因此,如何把握大流量排沙,显得十分重要。

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表2 黄河下游各时期排沙比、汛期(7~10月)及冲刷期排沙量与年排沙量(108t)之比水利论文alY}s
Table 2 Sediment inflow outflow ratio of the lower Yellow River at various pariods水利论文ud!HyO yJ


年份水利论文YQTS4q%?

年份年总沙量(累计)汛期总沙量(累计)

⑧Rs>1的月份数

7q!o8Ga%Y2K0

⑨利津Rs>1月份总沙量水利论文O$Pn){ z(P9aM$q%V

⑩⑨/①水利论文8_qfvPMZseG



①利津②小黑小③Rs④利津⑤小黑小⑥Rs

⑦ ④/①

0fW9h'b(e Pc;l0

1950~1959

$Q3B o$et!@'uk)H[[5R0
131.97176.1260.7493113.77150.480.75610.8621219.6870.1492
1960~196449.0435.6221.376736.80024.5461.49920.7504839.86280.8129
1965~197396.02139.8360.686778.380113.8550.68840.8163231.41770.3272
1974~1985100.79130.4870.772489.636126.7210.70740.8893830.44510.3021
1980~198963.90282.7030.772757.77879.9440.72270.9042817.5550.2747
1950~1990399.626519.1020.7691337.692451.4010.74810.84504181.5360.4543

 注:排沙比Rs指通过利津沙量与同期进入黄河下游沙量之比。

1.2 三门峡水库蓄水拦沙运行期

u'Rz4]:B#s0

  1960.9~1964.10期间,由于三门峡水库蓄水拦沙,进入下游河道沙量大幅度削减,水沙过程发生了很大的变化,年内河床以冲刷为主的月份长达8个月(4~6、8~12月)之久,该冲刷期排沙量占到年排沙量的81.29%,而汛期排沙量与年排沙量之比值却较50年代少了11个百分点。年和汛期排沙比分别高达137.67%及149.92%(表2)。最能反映该时期黄河下游水沙过程及其造床效应特点的是1961年,三门峡水库下泄清水,河床强烈冲刷,年及汛期排沙比分别高达530.38%和395.20%,年内以冲为主的月份长达11个月之久,冲刷期排沙量占到全年99.98%(表3)。成为黄河下游近代发展史上年冲刷量最大的一年。水利论文 F/L [)t7Zo*B

1.3 三门峡水库滞洪排沙运行期

0{-m.P!T9G*F3_,i0

  1964.10~1973.10期间,三门峡水库改为滞洪排沙运行,进入下游河道沙量大幅度增加,年径流过程调平,河道严重淤积,平均年内河床淤积历时长达10个月之久,年和汛期排沙比均不足69%(表2)。水沙条件的改变,造床过程立即作出反应。1965年为水库运行方式改变后的头一年,黄河下游全年都处于淤积状态,年排沙比仅57.43%;汛期排沙量仅占到年排沙量的61.75%(表3)。在这期间,1969、1970年为黄河少水多沙年,三门峡水库排出沙量多,而下游河道排沙能力较低,这两年的排沙量仅分别为43.61%和50.70%。水利论文pA#]n#}1q

1.4 三门峡水库蓄清排浑运行期

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  1973年10月以来,三门峡水库在非汛期流域来水含沙量较小时蓄水,汛期降低水位,进行防洪排沙,改变了黄河下游年内冲淤过程[2]。若将1975年作为水库蓄清排浑对下游河道效应的典型年,则该年黄河下游排沙比达85.55%,年内冲大于淤的月份长达9个月(1~6、10~12月),这9个月的排沙量占到年排沙量的45.27%(表3)。从1974~1985或1980~1989年系列实测数据看,黄河下游年排沙比逾77%,汛期排沙量占到年排沙量的90%左右。年内冲刷量大于淤积量的月份虽长达8个月(1~5、10~12月),但这8个月的排沙量却只占年排沙量的30%左右(表2)。

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表3 黄河下游特征水沙年排沙比特点
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Table 3 Characteristics of sediment inflow outflow ratio of the lower Yellow River in the selected years

S {+j w9gh!O0h`#n0

年份年沙量(108t)汛 期(108t)⑦ ④/①⑧Rs>1的月份数⑨利津Rs>1月份总沙量⑩ ⑨/①


①利津②小黑小③Rsa④利津⑤小黑小⑥Rsf

195821.00029.9000.70219.3027.1000.71220.919136.6700.3176
19618.9901.6955.3046.0301.5263.95200.6708118.9880.9998
19654.3407.5570.5742.6803.7820.70860.617500.0000.0000
197512.60014.7290.85610.013.6830.73080.793795.7040.4527
198310.2439.0311.1378.1938.6670.94530.799995.1840.5061
19849.3399.2901.0058.7728.5591.02490.939394.0360.4322
19830.9582.8060.3410.7722.5090.30770.805960.5940.6200

  Rs、Rsa、Rsf分别为排沙比,年排沙比及汛期(7~10月)排沙比。

  1983年和1984年为这个时期的丰水年,也是黄河近代史上不多见的以冲刷为主的年份,年排沙比逾100%,其中汛期排沙比也在100%左右。年内冲大于淤的月份长达9个月,这9个月排沙量占到年排沙量的50%左右(表3)。说明加积性河流经过多年淤积积累之后,同样也会出现连续数年以冲刷为主的减削过程,这是加积性河流力求达到均衡状态中,自我调整行为在较长时间尺度上的体现。

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  1986年以来,黄河流域气候更为干旱,旁引水量日益加大,黄河下游水量显著减少,河槽淤积加重。自1986至1995年十年累计,其排沙比仅57.85%,其中1987年,利津站年径流量仅108.43×108m3,年和汛期排沙比均减至35%以内。但是,即便加积作用这样突出的年份,黄河下游年内仍有六个月以冲刷为主,并且这6个月的排沙量占到全年排沙量的62%(表3)。说明加积性河流自动调整作用是十分灵敏和强烈的。水利论文7r(sX3_D X3q Z

  从1950年至1990年计,黄河下游年和汛期排沙比分别为76.91%和74.81%,汛期排沙量占到年排沙量的84.5%,这与50年代的情形相近。然而年内平均有4个月份(4,9~11月)以冲刷为主,这4个月的排沙量占到年排沙总量的45.43%,这方面又与50年代差别较大。所有这些都与来水来沙条件分不开的。水利论文ECGn+sQ"o7N[R

2 黄河下游排沙能力对来水来沙条件的依赖关系

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表4 黄河下游部分年份水沙特征值*
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Table 4 Characteristics of runoff and sediment load entering into the lower Yellow River in the selected years , of which a and b are respectively the coefficient and exponent in equation Qs=aQb水利论文kq[C+]


测站年份年水量
!Mo0e |(K!pdR{0(108m3)
年沙量水利论文g-zACd.p9W ^
(108t)
年平均含沙量(kg/m3)abc

&A.J,l D)f_k:j0

水利论文{.YF&O&} M

1928200.94.8824.290.011872.1240.867
1933498.939.1078.370.011432.0630.967
1937659.526.2039.730.008922.0260.970
1958547.529.9054.610.310401.6190.960
1959430.029.1067.670.008432.1410.943
1950~1959432.217.6140.750.010402.0810.977
1919~1959426.416.0037.520.016292.0130.972

-s1U3x W{.AR0

水利论文%wIWR[!K1@A)H

1958596.6521.0035.200.015671.9320.975
1959297.9114.3048.000.0001062.7430.987
1961519.788.9917.300.032521.8030.991
1965381.044.3411.390.000072.6510.978
1975478.2912.6026.340.229521.5970.946
1983490.2910.2420.870.031541.8190.953
1987108.430.9588.840.077571.6820.913
1950~1959480.5013.2027.460.000542.4070.986

*表中a、b为月平均输沙率Qs(kg/s)与月平均流量Q(m3/s)关系Qs=aQb中的a、b 值,r为相关系数。水利论文C$DK{8d5uX}

2.1 排沙能力与水沙条件的关系

)n bs!~:V7If^2n0

  在月平均输沙率\$Qs与月平均流量Q关系:Qs=aQb\$分析中,考虑了黄河下游上断面陕县站1919~1959年系列数据,分析了这段期间出现最大洪水的1937年、上大型洪水的1933年、下大型洪水的1958年[3]、中水丰沙的1959年和水量较枯的1928年的水沙关系。对于下断面利津站,还考虑了三门峡水库兴建后不同运行方式典型年份的水情和沙情。分析表明(表4),黄河下游来沙与来水之间关系密切,但Qs=aQb关系中,来沙系数a值及输沙率对流量的变化率b值,由于各个年份水沙条件的差异,有一定的波动。其中b值波动幅度较小,变化在1.62至2.74的范围;a值变化幅度较大,其变化范围由0.00001至0.3104。至于a、b两值之间,也存在着一定的联系,即当a值偏大时,则b值偏小,反之亦然。

,BJ3VlNpS?0

2.2 排沙能力深受径流过程的制约

v [ rbO2Kn)}5X(ri0

  黄河下游径流过程不仅由于自然原因,其年际之间有较大的差异而且由于水库调节和沿程大量引水等人为原因,加大了径流过程年际之间的差异(表5),对排沙能力产生了重要的影响。水利论文 I&uu*V3c'hT

表5 黄河下游利津站来水来沙特征年之径流量W(108m3)的年内分配百分数(%)水利论文[~2c rS4~pj
Table 5 Percentages of annual distribution of runoff and sediment load on the Lijin station of lower Yellow River水利论文i }W(@'W3T+O'h


S-O2ZfL;a0
123456789101112

19581.272.182.262.652.510.8519.0726.5616.5112.269.914.19
19592.562.743.876.442.975.2511.1526.5621.937.046.542.74
1950~19592.693.244.425.504.645.0614.0220.5615.3212.238.353.97
19610.350.270.992.475.416.1814.4312.1610.5218.0418.1511.03
19657.035.987.529.6610.904.5015.7511.396.948.937.693.73
19754.304.272.312.112.630.765.9915.5715.6126.4315.124.91
19832.692.551.620.744.144.667.7518.9414.3123.5811.887.15
19879.935.001.421.780.8813.1716.727.1418.984.157.2213.61

2.2.1 径流过程对排沙效应的模拟 鉴于输沙率随流量呈高次幂增长(表4),即使年径流量不变的情形下,河道排沙能力仍随年径流过程而异。在这里,以利津站1950~1959系列平均年径流量480.5×108m3为基准,按表5中径流年内分配情形,计算得到各特征水沙年之各月径流量(表6)。然后由表6中各月径流量转换成各月平均流量(表从略),再根据各月平均流量,采用表4中利津站1950~1959系列统计关系。水利论文D'z g,M-a.E3mn| i@

表6 在年径流量相同(480.5×108m3)情形下,按表5中径流年内分配,计算所得利津站各月径流量(108m3水利论文@7nz!}x c[;t|/?)}^
Table 6 Annual runoff being equal, as the annual distribution of runoff listed in Table 5,水利论文%R?[7J"A1u
the monthly runoffs obtained through calculation on the Lijinstation

'|#{Ii ]R\0

水利论文/u9a)x-s%d|3_X)qd

123456789101112总和

19586.10210.47510.85912.73312.0614.08491.631126.61279.33158.90947.61820.133480.5
195912.30113.16618.59530.94414.27125.22753.576128.726105.3733.82731.42513.166480.5
19611.68181.29744.75711.86825.99529.69569.33658.42950.54986.68287.21152.999480.5
196533.77928.73436.13446.41652.37521.65375.67954.72933.34742.90936.95117.923480.5
197520.66220.51711.10010.13912.6373.651828.78275.67975.006126.9972.65223.593480.5
198312.92612.2537.7843.555719.89322.39137.23991.00768.760113.3057.08334.356480.5
198747.71424.0256.8238.55294.228463.28280.34034.30891.19919.94134.69265.396480.5
1950~195912.92615.56821.23826.42822.29524.31367.36698.79173.61358.76540.12219.076480.5

Qs=0.00054Q2.407,计算得到各特征水沙年之各月平均输沙率Qs值(表从略),最后将各月平均输沙率转换成各特征水沙年之各月排沙量(表7)。水利论文/L `eY;` z

表7 据表6中各月径流量的相应流量和Qs=0.00054Q2.407关系,计算所得利津站各月排沙量(108t)
4?4NdTk S0
Table 7 As the corresponding discharges of monthly runoffs listed in Table 6 and the equation Qs=0.00054Q2.407,水利论文3O3l i4Y9d&pF'fE
the month values of sedimnt outflow obtained by calculation in the Lijin station水利论文bM7G!C}{;X x


123456789101112总和

19580.00700.02900.02730.04200.03540.00294.645210.11633.43861.60411.00650.121121.075
19590.03700.05030.09990.35670.05280.21801.276510.52806.80940.42210.37010.043720.265
19610.00300.00020.0380.03560.00390.32302.37441.57281.16234.06394.31881.243615.323
19650.42050.32880.49470.94661.20850.15062.93121.34380.42690.74810.54670.09169.638
19750.12880.14610.02890.02440.03940.00210.28612.93123.004710.1912.78250.177319.742
19830.04180.04230.12290.00210.11760.16380.53174.56942.43737.74331.55730.438217.768
19870.96580.21360.00880.01610.00301.99593.38470.43664.80970.11840.46972.062614.485
1950~19590.04180.07520.13770.24390.15480.19962.21535.56732.87191.59450.66640.106313.875

2.2.2 模拟结果的启示 表7中数据揭示,在年径流量相同情形下,由于排放过程的差异其年排沙量产生显著的差异,其中1958、1959、1975年的排沙能力均高出1965年排沙能力的一倍以上,因此,如何把握天然洪水输沙和利用水库人造洪峰排沙,对黄河下游走向稳定十分重要。

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3 黄河排沙用水

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