基于懸河特性的黃河下游生態水量探討

摘要：黃河作為中華民族的母親河，以占全國2%的河川徑流量承擔著全國巧%的耕地面積和12%人口的供水任務。黃河亦是世界上泥沙最多的河流，河道內必須留足一定的水量用于輸沙入海。同時，每年還需向流域外沿黃地區供水約100億m3，水資源供需矛盾極其尖銳。隨著經濟社會發展，用水量不斷增加，生態水量被大量擠占，導致河道斷流、河床淤積、水體污染等一系列生態問題。黃河生態水量研究一直是人們關切的重大課題。結合黃河水沙特點和“地上懸河”的特性，采取斷面水量平衡和地下水數值模擬等方法，分析了河道滲漏水量及其生態作用，提出黃河干流生態水量應考慮該部分損失水量，進一步完善了下游生態水量研究的思路與手段，可為黃河生態系統的維持、黃河水資源的生態調度與管理提供決策依據。

關鍵詞：地下水數值模擬；側滲補給；水量平衡；生態水量；懸河特性；黃河下游

中圖分類號：P333；TV882.1 文獻標志碼：A Doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.09.001

1 黃河特性

1.1 水沙特點

（1）水沙異源。黃河下游水沙主要來自三個區間：一是河口鎮以上，水多沙少，水流較清，河口鎮斷面多年平均水量約占下游來水總量的55.3%，而年均沙量僅占9.0%；二是河口鎮至三門峽區間，水少沙多，水流含沙量高，該區間多年平均水量約占下游來水總量的35.3%，但沙量占89.3%；三是伊洛河和沁河兩大支流，為又一清水來源區，兩支流多年平均水量占下游來水總量的9.4%，而沙量僅占1.7%。可見，進入下游的水量大部分來自河口鎮以上，沙量則主要來自河口鎮至三門峽區間。

（2）水沙量年際變化大。黃河水沙量年際變化極大，沙量尤甚。以三門峽水文站為例，實測最大年徑流量為659.1億m3（1937年），最小年徑流量僅為120.3億m3（2002年），豐枯極值比為5.5；最大年輸沙量為37.26億t（1933年），最小為0.50億t（2015年），豐枯極值比為74.5。

（3）水沙量年內分配不均。黃河水沙量年內分布不均，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 沖淤特性

黃河下游屬于典型的堆積型河道，總體處于不斷淤積的過程之中，同時又具有多來多淤多排的特點。

1950年7月至1960年6月，三門峽建庫前黃河下游河道各河段均發生淤積。1960年9月至1964年10月，三門峽水庫蓄水攔沙，黃河下游河道主槽發生明顯沖刷，沖刷主要集中在高村以上河段。1964年11月至1973年10月，三門峽水庫滯洪排沙，高村以上河段發生顯著淤積，主槽淤積嚴重，河道斷面萎縮。1973年11月，三門峽水庫開始蓄清排渾運用。1973年11月至1980年10月，花園口以下河道淤積，下游河道整體淤積。1980年11月至1986年10月多次發生大洪水，高村至艾山略有淤積，下游河道整體沖刷。1986年11月至1999年10月，龍劉水庫（龍羊峽、劉家峽水庫）聯合運用，進入下游的水沙發生較大變化，汛期來水比例減小，非汛期來水比例增大，下游河道斷面淤積萎縮，下游河道總淤積量為29.62億t，年均淤積量為2.28億t。1999年11月一2016年4月，隨著小浪底水庫蓄水攔沙和黃河調水調沙，下游河道整體呈沖刷趨勢，截至2016年汛前，利津以上河段年均沖刷1.65億t，累計沖刷28.15億t。黃河下游各河段年均沖淤量見表1。

1.3 下游懸河狀況

黃河水少沙多的自然特性，加之河道外經濟社會用水的不斷增加，留在河道內用于輸沙的水量嚴重不足，河床持續淤積抬升，形成“地上懸河”，并進一步呈現出槽高、灘低、堤根洼的特點，俗稱“二級懸河”。黃河下游河道堤內灘面普遍高出兩岸地面4～6m，部分河段高差超過10m。河南省新鄉市地面低于黃河河床20m，開封市地面低于黃河河床13m，山東省濟南市地面低于黃河河床5m。

東壩頭至陶城鋪河段“二級懸河”的灘唇一般高出黃河大堤臨河地面約3m，最大達5m，灘面橫比降約為0.1%，而縱比降則為0.014%。同時，灘內分布堤河、串溝多達167條，總長846km。一旦發生較大洪水，由于河道橫比降遠大于縱比降，因此灘區過流比增大，增大了主流頂沖堤防、順堤行洪甚至發生“滾河”的可能性，將嚴重危及堤防安全[2-3]。

2 黃河干流輸水損失分析

黃河下游“地上懸河”的特點，使一般河流地表水與沿岸地下水的雙向補給關系變為地表水向沿岸地下水的單向補給，河流輸水損失加大，導致黃河下游河段一直存在水量不平衡現象，對黃河水資源的精細化管理造成了影響。本文從水面蒸發和河道滲漏兩個方面分析輸水損失量。

2.1 水面蒸發損失

河道水面蒸發量一般采用河道平均水體蒸發量乘以河道水面面積的方法計算求得，其公式為

E=E河段B河寬L河長（1）式中：E為河道水面蒸發量；E河段為河道平均水體蒸發量，采用E601蒸發皿的蒸發量折算；B河寬為河道平均水面寬度；L河長為河道長度。

2.2 滲漏損失水量

考慮到黃河干流懸河的特點，滲漏損失較一般河流大，故采用斷面水量平衡和地下水數值模擬兩種方法對比分析，相互驗證。

2.2.1 斷面水量平衡法

斷面水量平衡法是一種間接計算河道滲漏量的方法，在水文學中經常采用，主要是通過斷面測流來獲取上下游斷面之間的水量損失，扣除斷面之間的蒸發量、引水量和補水量的差值等來間接推求河道滲漏量。這種方法的優點是簡單易算，缺點是精度偏低，只能判斷兩個斷面之間的總體滲漏水量，不能明確判斷漏失的地段及其分段漏失量。斷面水量平衡方程為

Q上+Q區+P-（Q下+W取+E+Q滲）=ΔQ（2）式中：Q上為上斷面水文站實測徑流量；Q區為河道區間人流量；尸為河道水面降水補給量；Q下為下斷面水文站實測徑流量；W取為從干流取走的河道外用水量；Q滲為河道滲漏量；ΔQ為平衡項差值。

在上述上下斷面徑流量、區間人流量、河道降水補給量、河道外用水量、水面蒸發量已知且平衡項差值在合理范圍內時，即可求得河道滲漏損失量。

2.2.2 數值模擬法

數值模擬方法是目前地下水研究中最為流行和常用的方法，可以模擬復雜地質條件在不同水文情勢下的水量、水位變化過程，常用的數值方法有有限元法和有限差分法，國際國內有較為成熟的可視化計算軟件，如VisualmODFLOW、FEFLO W、GMS等，這些地下水流模擬軟件大多具有輸入輸出數據功能齊全、計算效率高、可視化效果好等特點，被廣泛應用于地下水資源評價、預報和各類工程地下水滲流計算中。數值法可以詳細刻畫含水層系統的復雜三維邊界條件，并可模擬蒸發、降水、地表水位的時空變化，更接近實際情況。

（1）黃河側滲的范圍。對黃河側滲量進行計算時，需要首先確定側滲的影響范圍。黃河側滲的影響范圍即黃河對地下水影響帶，包括平面上和垂向上兩方面，平面是指黃河水補給地下水的距離和平面范圍，垂向是指與黃河側滲補給量相關的地下水的循環深度。

黃河側滲影響帶的范圍一般根據地下水流場特征、地下水動態特征進行分析和判斷，也可以通過地下水化學、環境同位素特征分析等來進行確定。趙云章等[4]采用地下水流場分析法、地下水動態類型比擬法和同位素測試分析等綜合方法，較準確地劃分了黃河不同河段影響帶的寬度，在同位素取樣的典型剖面上，鄭州剖面黃河側滲影響帶的寬度南岸約為10.0km，北岸約為13.4km；中牟一原陽一新鄉剖面南岸約為14.4km，北岸約為24.0km；開封一封丘剖面南岸約為18.9km，北岸約為26.2km；濮陽剖面黃河影響帶范圍（北岸）約為19.2km。平建華等[5]利用同位素技術對黃河下游側滲影響帶范圍進行了研究，認為黃河在南岸和北岸對地下水的影響范圍不一樣，南岸在鄭州一帶約為5km，影響范圍相對較小，向下游影響范圍逐漸增大，在中牟和開封一帶為7～10km；北岸影響范圍為9～20km[5]。黃河側滲影響帶范圍見圖1[6]。

（2）黃河側滲的數值模型。對于黃河側滲影響帶內的非均質各向異性含水介質及多層空間三維結構與非穩定性質的地下水流系統，可用如下微分方程的定解問題來描述[6]：式中Kx、Ky、Kz為分別為x、y、z方向的滲透系數；ε為含水層的源匯項，1/d；S為自由水面以下含水層的儲水系數，1/m；h為地下水位m；Ω為滲流區；p為潛水面的蒸發和降水等，1/d；μ為潛水含水層給水度；h0為含水層的初始水位，m；Γ1為滲流區域的上邊界，即地下水位的自由表面；h1為上邊界自由表面的水位，m；Kn為邊界面法向滲透系數，m/d；n為邊界面的法線方向；Γ2為滲流區域的下邊界；q為下邊界的面流量，m2/d；hs為黃河水位，m；σ為河流底部淤積層的阻力系數σ=L/Ks，其中L為底部淤積層的厚度，Ks為河流底部淤積層的滲透系數，m/d ；Γ3為滲流區域的側向（含河流側補）邊界。

黃河側滲影響帶水文地質邊界條件概化見圖2。

利用各類數值模擬軟件建立三維地下水流數值模型刻畫上述數學模型。根據水文地質條件對不同含水層劃分參數分區，并依據各類相關勘察成果給各分區參數賦初始值，通過擬合同時期的流場和長觀孔的歷時曲線，識別水文地質參數、邊界值和其他均衡項，使建立的模型能更準確地定量描述研究區地下水系統，預測黃河側滲量及其變化趨勢。

3 黃河干流生態水量研究

河流地表水是一個整體，具有一定連續性，承載著保持河流形態、輸送淡水入海、為近海生物提供營養物、提供各種形態棲息地等多種功能。同時，由于黃河水少沙多的特性，因此還必須考慮輸移泥沙、維持河槽過流能力等所需的水量。

3.1 輸沙水量

下游河道沖淤量與進入下游的水量、沙量及來水來沙系數等因子關系密切。根據歷史水沙系列及河道沖淤資料，建立控制斷面來沙量、河道淤積度與控制站汛期輸沙水量的關系：

W=k1Ws-k2Δs+C（4）式中：W為利津站輸沙塑槽用水量，億m3；Ws為三黑小（三門峽、黑石關、小浪底三站）沙量，億t；ΔWs為下游河段沖淤量，億t；k1、k2為系數；C為常數。

3.2 非汛期生態水量

非汛期生態需水主要考慮包括保證河道不斷流、維持河口三角洲濕地、水體自凈、生物棲息環境保護等用水需求。在進行生態水量計算時，一般考慮河道不斷流、維持一定的河流規模（包括濕周、水面寬度、水面面積、水面縱比降等參數）、河流水生生物的棲息環境、維持河道內生物多樣性等生態目標，主要采用Tennant法、月（年）保證率設定法、最小月（年）法、濕周法、生境法等進行計算，最后取各種算法計算結果的外包值[7]。

3.3 考慮懸河特性的生態水量探討

對于一般河流而言，豐水期河流對地下水有一定的補給作用，枯水期地下水會反向補給河流。由于黃河下游河床高于兩岸地面，因此河道向兩岸地下水的補給為單向補給，每年補給的水量對于緩解地下水超采產生了一定作用，也是維持下游河流兩岸生態系統的重要因素。下游生態水量在考慮河道不斷流、生物棲息環境、生物多樣性等因素的基礎上，必須考慮因“地上懸河”而引起的地下水側滲補給量，計算公式為

Q=W輸+max（QT，Qy，Qm，Qs，Q生）+Q滲（S）式中：Q為斷面生態需水量；W輸為輸沙水量；QT為Tennant法計算結果；Qy為月（年）保證率設定法計算結果；Qm為最小月（年）法計算結果；Qs為濕周法計算結果；Q生為生境法計算結果；Q滲為因懸河特性而激發的滲漏補給量。

4 結語

黃河作為中華民族的母親河，以占全國2%的河川徑流量承擔著全國巧%的耕地面積和12%人口的供水任務。黃河亦是世界上泥沙最多的河流，河道內必須留足一定的水量用于輸沙入海。同時，每年還需向流域外沿黃地區供水約100億m3，水資源供需矛盾極其尖銳。隨著經濟社會發展，用水量不斷增加，生態水量被大量擠占，導致河道斷流、河床淤積、水體污染等一系列生態問題。黨的十八大報告指出生態文明建設是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計，把生態文明建設放在了突出地位，融入經濟建設、政治建設、文化建設、社會建設的各方面和全過程，提出了“五位一體”的總體布局。黃河作為中華民族的母親河，更應該高度關注其生態系統的恢復與保護。黃河下游的“地上懸河”增強了河流向地下水的補給作用，具備特殊的生態作用，在下游生態環境水量的分析研究和管理過程中，應充分考慮這一特點，合理確定下游各斷面生態環境水量，為黃河水資源管理、生態環境調度和下游生態環境治理提供決策依據，為維護母親河生命健康奠定基礎。

參考文獻：

[1]張金良，劉繼祥，萬占偉，等.黃河下游河道形態變化及應對策略[J].人民黃河，201$，40（7）：1-6.

[2]曾慶華.黃河下游二級懸河治理途徑的探討[J].泥沙研究，2004（2）：1-4.

[3]胡一三.黃河治理瑣議筆談[M].鄭州：黃河水利出版社，2017：140-149.

[4]趙云章，邵景力，閆震鵬，等.黃河下游影響帶地下水系統邊界的劃分方法[J].地球學報，2004，25（1）：99-102.

[5]平建華，曹劍峰，蘇小四，等.同位素技術在黃河下游河水側滲影響范圍研究中的應用[J].吉林大學學報（地球科學版），2004，34（3）：399-304.

[6]曹劍峰，冶雪艷，姜紀沂，等.黃河下游懸河段斷流對沿岸地下水影響評價[J].資源科學，2005，27（5）：77-83.

[7]楊志峰，崔保山，劉靜玲，等.生態環境需水量理論、方法與實踐[M].北京：科學出版社，2009：26-30.