黃河下游引水引沙對輸沙水量影響分析

李仁燕，于 洋，任若璇

（1.東營市水利灌溉管理處，山東 東營257091；2.青島理工大學土木工程學院，山東 青島266000）

當前，水資源短缺已經成為黃河流域經濟和社會發展的瓶頸。輸沙水量作為衡量輸沙用水效率的一個重要指標，是維持河流系統功能健康的重要方面，構成生態需水量的主要部分[1]。

對于黃河下游河道，輸沙水量不僅受上游來水來沙、邊界狀態等多方面的影響，還與下游河道要求控制的淤積水平等密切有關[2]。其中，來水來沙條件對河道輸沙水量具有重要的影響。近幾十年來，隨著黃河流域社會經濟的快速發展，沿黃引水引沙量逐年增大，造成水沙條件相應發生改變。不過，現今對于引水引沙改變水沙條件影響輸沙水量的研究尚開展較少。本文在已有輸沙水量研究成果的基礎上，以黃河下游艾山—利津河段為研究對象，進一步分析研究河道引水引沙對輸沙水量的影響。

1 輸沙水量的定義與計算方法

輸沙水量是指在一定水沙條件下，通過河流某一河段或斷面輸送單位重量泥沙進入下游所用的清水的體積，相應計算方法為：

式中：W′為輸沙水量，m3/t；S 為河流過水斷面含沙量，kg/m3；ρs為泥沙密度，kg/m3，一般取2 650 kg/m3。

大量實測資料分析表明，黃河下游河道泥沙輸送具有“多來多淤多排”的特點，沿程某一過水斷面含沙量可以采用考慮上站來水含沙量的冪律函數進行表示[3]：

式中，S 為出口斷面含沙量，kg/m3；Q 為出口斷面流量，m3/s；S0為進口斷面含沙量（當有引水引沙情況時，采用來沙量減區間引沙量與來水量減區間引水量的比值進行修正），kg/m3；K 為輸沙系數；a、b 分別為輸沙指數。

結合式（1）、（2），可以看出，對于某一具體河段，當上游來水來沙條件發生變化時，相應也會對輸沙水量產生影響。

2 黃河下游艾利河段水沙變化過程

圖1～4 分別為黃河下游艾山—利津河段進口水文站艾山站1960—2015 年來水來沙量、河段區間引水引沙量以及出口利津站輸沙水量變化過程。可以看出：20 世紀60 年代以來，黃河下游艾山站年徑流量與輸沙量總體呈現出不斷減少的趨勢，但輸沙量減小幅度要大于徑流量減小幅度；區間引水引沙變化以90 年代為界，90 年代前引水引沙量不斷增大，90 年代后引水量略有減小，引沙量也有所減小，但引沙量減小幅度要大于引水量減小幅度。統計90 年代艾利河段引水量占來水量的比值可以高達26.9%，引沙量占來沙量的比值達到15.04%。這表明，河道引水引沙對來水來沙條件已經造成重要的影響。受河段水沙條件及其組合變化的影響，出口利津站輸沙水量在90 年代后呈現出急劇增大的趨勢。

圖1 黃河下游艾山站來水來沙量變化

圖2 黃河下游艾利河段引水引沙過程

圖3 黃河下游艾利河段引水引沙比統計

3 引水引沙影響輸沙水量分析

根據黃河下游艾山、利津兩站多年長序列實測水沙及引水引沙資料，考慮河段區間引水引沙對河段來水含沙量S0進行修正。通過多元回歸，得到出口利津站年均含沙量計算表達式為：

圖4 黃河下游利津站輸沙水量變化過程

式中，Slj為利津站年均含沙量，kg/m3；Qlj為利津站年均流量，m3/s；Sas為河段年均來水含沙量（艾山站來沙量減引沙量與來水量減引水量的比值），kg/m3。

圖5 為式（3）計算得到的利津站年均含沙量與實測年均含沙量的對比情況。可以看出：計算值與實測值基本位于45°線附近，相關系數R2達到0.94，兩者符合良好。

圖5 利津站年均含沙量計算值與實測值對比情況

基于式（3），假定河段區間無引水引沙情況下，計算出利津站年均含沙量，并結合式（1）進一步計算利津站的輸沙水量，如圖6 所示。

圖6 有無引水引沙情況下艾利站輸沙水量變化情況

其中，河段區間無引水引沙情況下，來水含沙量S0即為艾山站來沙量與來水量的比值，流量Q 采用艾山站年均流量。統計不同時段艾利河段引水引沙影響輸沙水量結果見表1。

表1 黃河下游艾利河段引水引沙影響輸沙水量統計表

4 結 論

1）根據輸沙水量定義與計算方法，對黃河下游艾利河段利津站輸沙水量變化過程進行了計算。結果表明，20 世紀60 年代以來，黃河下游艾利河段受來水來沙量不斷減少及引水引沙量不斷增大影響，出口利津站輸沙水量總體呈現出持續增大的趨勢，并在90 年代后急劇增大。

2）對黃河下游艾利河段有無引水引沙情況下利津站輸沙水量變化過程進行了比較計算。結果表明，1960—2015 年期間，黃河下游艾利河段在無、有引水引沙情況下年均輸沙水量分別約為87.39 m3/t、84.65 m3/t。引水引沙造成用于輸送單位重量1 t 泥沙的水量減少約2.73 m3，河道增淤約為7.72 億t。