桑干河下游石朝區(qū)間泥沙系列的研究、分析與確定

劉淑紅

（海河水利委員會(huì)科技咨詢中心，天津 300170）

1 研究的意義

桑干河石朝區(qū)間跨河北省張家口市陽(yáng)原、蔚縣、宣化、涿鹿四縣，流域面積740 km2。區(qū)內(nèi)河谷狹窄，巖壁陡峻，泥沙輸移過(guò)程中沒(méi)有自然沉積區(qū)。同時(shí)，本區(qū)分布著許多高、寬、深、大的坡積沖溝和構(gòu)造性滑坡帶，強(qiáng)烈土壤侵蝕和極強(qiáng)烈土壤侵蝕面積占很大比重，推移質(zhì)儲(chǔ)量達(dá)10億～15億t。加之距暴雨中心較近，不僅坡面侵蝕劇烈，而且易形成滑坡。一旦滑坡出現(xiàn)，則大體積沙石泥土迅速輸向下游，使下游輸沙量猛增。據(jù)1957—1973年實(shí)測(cè)資料，17年間平均輸沙量達(dá)505萬(wàn)t，平均輸沙模數(shù)0.68萬(wàn)t/（km2·a）。

可見(jiàn)，石朝區(qū)間雖然流域面積小，但產(chǎn)沙強(qiáng)度高，對(duì)官?gòu)d水庫(kù)的泥沙淤積影響相對(duì)較大。在20世紀(jì)70年代以后，特別是1983年水土保持重點(diǎn)治理以來(lái)，上游水土流失治理得到加強(qiáng)，而本區(qū)由于治理難度較大，治理速度相對(duì)緩慢，已成為對(duì)官?gòu)d水庫(kù)威脅最大的1個(gè)沙源。因此，對(duì)石朝區(qū)間的泥沙系列開(kāi)展研究、分析，盡可能地延長(zhǎng)其輸沙量系列及出口站朝陽(yáng)寺輸沙量系列，估算不同狀態(tài)下輸入官?gòu)d水庫(kù)的沙量，以促使有關(guān)部門采取相關(guān)措施進(jìn)行綜合治理，減少官?gòu)d水庫(kù)淤積、增加興利庫(kù)容，對(duì)下游北京市、河北省乃至天津市的防洪安全和供水安全都具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 實(shí)測(cè)資料的研究分析

進(jìn)口站 （石匣里）有1951—2004年共54年資料，出口站（朝陽(yáng)寺）有1957—1973年共17年資料。先依據(jù)兩站的實(shí)測(cè)（逐年）雨、沙資料及下游涿鹿站實(shí)測(cè)逐年降雨資料，計(jì)算整理不同階段均值。經(jīng)研究、分析，得出以下結(jié)論：

2.1 長(zhǎng)系列輸沙量研究分析

冊(cè)田水庫(kù)修建前 （1957—1959年）和修建后（1960—1973年）相比，2個(gè)階段的量值差異很大。在降水量方面，前者均值為423 mm/a，后者均值為296 mm/a，前者是后者的1.43倍。在輸沙量方面，石朝區(qū)間前者均值為1 147萬(wàn)t/a，后者均值為374萬(wàn)t/a，前者是后者的3.07倍；而石匣里站前者均值為3 469萬(wàn)t/a，后者均值為675萬(wàn)t/a，前者是后者的5.14倍。這說(shuō)明雖然石朝區(qū)間和石匣里以上2個(gè)區(qū)間輸沙量減小幅度都大于降水量的減小幅度，但石匣里以上冊(cè)（田）石（匣里）區(qū)間輸沙量減小幅度更大于石朝區(qū)間輸沙量減小幅度。也就是說(shuō)，在冊(cè)田水庫(kù)建成后的1960—1973年14年間，人類活動(dòng)對(duì)輸沙量的影響，冊(cè)石區(qū)間更甚于石朝區(qū)間。

2.2 短歷時(shí)輸沙量研究分析

從冊(cè)田水庫(kù)建成后的1979、1995年2個(gè)豐水年對(duì)比中，二者汛期降水量均為512 mm，而石匣里年輸沙量分別為404萬(wàn)、93萬(wàn)t，前者是后者的4.34倍。 從冊(cè)田水庫(kù)建成后的 1969、1973、1980、1996、2004年5個(gè)枯水年對(duì)比中，汛期降水量均值均在360 mm左右，而石匣里年輸沙量卻由1969年的725萬(wàn)t降至2004年的12萬(wàn)t，后者僅為前者的1/60。這說(shuō)明，20世紀(jì)70年代以來(lái)的30多年里，伴隨著冊(cè)田水庫(kù)不排沙和冊(cè)石區(qū)間采取控制泥沙措施，石匣里輸沙量大幅度減少；與之相應(yīng)，它與下游石朝區(qū)間產(chǎn)沙量之間的比例關(guān)系已發(fā)生新的變化，甚至可能使石朝區(qū)間輸沙量對(duì)官?gòu)d水庫(kù)的威脅產(chǎn)生質(zhì)的影響。這進(jìn)一步表明，研究、分析以及延長(zhǎng)、確定石朝區(qū)間泥沙系列具有重要的意義。

3 輸沙量系列的研究分析、延長(zhǎng)與確定

3.1 相關(guān)分析

考慮到石朝區(qū)間實(shí)測(cè)1957—1973年17年輸沙量系列包括冊(cè)田水庫(kù)修建前的1957—1959年部分，而分析的主要目的又是延長(zhǎng)冊(cè)田水庫(kù)修建后的1974年以后部分。為此，以1960—1973年系列為主、以1957—1973年系列為輔，開(kāi)展了石朝區(qū)間年輸沙量、汛期降水量等相關(guān)計(jì)算。

（1） 在1957—1973年或1960—1973年這2個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)，石匣里與朝陽(yáng)寺兩站之間的年輸沙量關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。其中，1957—1973年線性相關(guān)式為S朝=1.317S石+139.6，這與1986年12月水利部海委 《水利水保工程對(duì)官?gòu)d水庫(kù)入庫(kù)水沙量影響的研究》中“S朝=1.27S石+167”的關(guān)系式十分相近。表明在這個(gè)期間，石匣里以上來(lái)沙量很大，它比石朝區(qū)間自身產(chǎn)沙量大得多，在朝陽(yáng)寺輸沙量中占據(jù)著主導(dǎo)地位。但在這個(gè)期間以后，石匣里以上來(lái)沙量大幅度減少，使石朝區(qū)間產(chǎn)沙量在朝陽(yáng)寺輸沙量中所占份額相應(yīng)隨之大幅度提高，則這種較好的相關(guān)關(guān)系必然遭到破壞。

（2）研究對(duì)比石朝區(qū)間年輸沙量—石匣里汛期降雨量和石朝區(qū)間年輸沙量—石匣里平均汛期降雨量2組相關(guān)關(guān)系，可以有效地避開(kāi)因石匣里以上來(lái)沙量變化劇烈對(duì)上述相關(guān)關(guān)系的影響。其相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，為0.77。同時(shí)，由于相關(guān)因子為“石朝區(qū)間輸沙量”，即石匣里、朝陽(yáng)寺兩站輸沙量之差，不僅消除了冊(cè)石區(qū)間產(chǎn)沙量對(duì)石匣里和朝陽(yáng)寺輸沙量的影響，也消除了冊(cè)田水庫(kù)的影響，從而也就不存在1957—1973年系列和1960—1973年系列的性質(zhì)不同。因此，這2組相關(guān)成果盡管相關(guān)系數(shù)相對(duì)較低，但就研究石朝區(qū)間輸沙量系列而言，意義較大。

3.2 系列延長(zhǎng)及采用

根據(jù)相關(guān)關(guān)系，擬選擇具有典型意義的3個(gè)相關(guān)式進(jìn)行系列延長(zhǎng)及采用。

分別對(duì)石朝區(qū)間年輸沙量做延長(zhǎng)計(jì)算。最后，經(jīng)綜合考慮確定采用相關(guān)關(guān)系式（2）的成果，并與實(shí)測(cè)系列組成1951—2004年石朝區(qū)間年輸沙量系列及相應(yīng)朝陽(yáng)寺年輸沙量系列。需要指出的是，這個(gè)系列是根據(jù)1957—1973年石朝區(qū)間實(shí)測(cè)輸沙量和石匣里實(shí)測(cè)汛期降雨量推算的，可稱作“60年代水平”的量，未計(jì)及1974年以來(lái)石朝區(qū)間自身治理可能發(fā)揮的作用，也未計(jì)及1974年以來(lái)涿鹿縣在朝陽(yáng)寺斷面以上新增加的灌區(qū)引沙影響，所給輸沙量系列偏大。

考慮到石朝區(qū)間水土保持治理速度較慢，又受到大秦鐵路建設(shè)新增人為增沙因素影響，自身產(chǎn)沙不會(huì)減少許多。涿鹿縣20世紀(jì)70年代以來(lái)新增朝陽(yáng)寺斷面以上灌區(qū)工程，如桑南灌區(qū)、七一大渠、桑北灌區(qū)引水口上移、劈山大渠擴(kuò)建等，確能大量減少朝陽(yáng)寺輸沙量及相應(yīng)石朝區(qū)間輸沙量，但可分別另計(jì)入朝陽(yáng)寺—官?gòu)d區(qū)間減滯沙量計(jì)算分析之中。因此，從防治泥沙危害角度出發(fā)，認(rèn)為這個(gè)系列相對(duì)較為適宜。

4 朝陽(yáng)寺含沙量系列的研究與確定

永定河上游灌區(qū)引洪用沙歷史悠久。一可滿足作物用水，二可將泥沙引入田間，控制泥沙下泄，對(duì)減輕官?gòu)d水庫(kù)淤積意義重大。涿鹿縣是永定河上游最大的引沙縣，每年約引沙300萬(wàn)t，1975—1998年24年間共引沙約0.73億t，占張家口市引沙總量的1/4，占官?gòu)d全流域引沙總量的1/7，對(duì)減輕官?gòu)d淤積作用顯著。

涿鹿縣灌區(qū)引沙大部分分布在桑干河兩側(cè)，引水口集中于朝陽(yáng)寺以上的涿鹿縣境河段。因此，以上述1957—1973年實(shí)測(cè)資料為基礎(chǔ)，分析研究并確定延長(zhǎng)朝陽(yáng)寺含沙量系列，對(duì)進(jìn)一步研究涿鹿縣灌區(qū)引沙、桑干河末端河道沉積以及有關(guān)官?gòu)d泥沙等問(wèn)題具有一定意義。

4.1 實(shí)測(cè)系列中特殊年處理

前面已指出，朝陽(yáng)寺站有1957—1973年實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)對(duì)該站和石匣里等站同期實(shí)測(cè)資料中的1967、1972年2個(gè)特殊年進(jìn)行如下研究處理：

（1）1967年是冊(cè)田水庫(kù)建庫(kù)至2004年45年來(lái)唯一一個(gè)大沙年，該年冊(cè)田水庫(kù)排沙2 211萬(wàn)t，占冊(cè)田水庫(kù)45年總排沙量2 947萬(wàn)t的3/4，而且集中在8月5—13日內(nèi)。這9 d共排沙1 980萬(wàn)t，其中8月11日下泄流量最大，日平均流量達(dá)1 140 m3/s，最大洪峰達(dá)1 510 m3/s。由于流量過(guò)大，下游陽(yáng)原河段洪水漫灘，形成沉積，共沉積泥沙300萬(wàn)t，使下游石匣里、朝陽(yáng)寺增加的冊(cè)田下泄沙量由2 211萬(wàn)t減少到1 911萬(wàn)t。即使如此，仍相當(dāng)于石匣里自身輸沙量909萬(wàn)t的2.1倍和朝陽(yáng)寺自身輸沙量1 859萬(wàn)t的1.03倍。為此，需對(duì)本年實(shí)測(cè)資料進(jìn)行扣減或剔除冊(cè)田水庫(kù)排沙影響的情況計(jì)算。

（2）1972年是一個(gè)特殊的枯水少沙年，該年石匣里汛期輸沙量只有22萬(wàn)t，朝陽(yáng)寺汛期輸沙量76萬(wàn)t，說(shuō)明朝陽(yáng)寺汛期輸沙量主要是由石朝區(qū)間產(chǎn)沙構(gòu)成的，石朝區(qū)間產(chǎn)沙量達(dá)朝陽(yáng)寺汛期輸沙量76%，而石朝區(qū)間產(chǎn)沙量又是由8月1—7日1次降雨過(guò)程形成的。

由此可以看出，8月1—7日朝陽(yáng)寺輸沙量75.92萬(wàn)t（占朝陽(yáng)寺汛期輸沙量76萬(wàn)t的99.8%）中，來(lái)自石朝區(qū)間58.03萬(wàn)t，占76.4%，并且主要發(fā)生在8月4日、8月6日，分別產(chǎn)沙36.91萬(wàn)、13.44萬(wàn)t，共占朝陽(yáng)寺汛期輸沙量的2/3；日平均含沙量分別高達(dá)527.3、371.3 kg/m3。而石匣里來(lái)沙分別為 13.9萬(wàn)、0.12萬(wàn)t，日平均含沙量分別為74.5、2.79 kg/m3。這表明，在8月1—7日降雨過(guò)程中乃至汛期和全年朝陽(yáng)寺實(shí)測(cè)輸沙量中，起關(guān)鍵作用的是8月4日、8月6日這2 d石朝區(qū)間的產(chǎn)沙，并且這2 d的石朝區(qū)間產(chǎn)沙主要由該區(qū)間孤立暴雨所形成，與其他年份相比有很大特殊性，不宜加入通常樣本系列分析。

4.2 長(zhǎng)系列相關(guān)計(jì)算及延長(zhǎng)

為延長(zhǎng)冊(cè)田水庫(kù)建成后朝陽(yáng)寺含沙量系列，在1960—1973年實(shí)測(cè)系列計(jì)算中需剔除 1972、1967年2個(gè)特殊年份，分別對(duì)石匣里—朝陽(yáng)寺年含沙量和石匣里—朝陽(yáng)寺汛期含沙量展開(kāi)相關(guān)計(jì)算。經(jīng)運(yùn)算，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.937和0.919，表明相關(guān)關(guān)系很好。利用此延長(zhǎng)系列的計(jì)算成果，可以采取相應(yīng)措施，減少回淤或者計(jì)算興利庫(kù)容等。

同樣需要指出的是，本延長(zhǎng)系列成果與前述1974—2004年石朝區(qū)間年輸沙量、朝陽(yáng)寺年輸沙量的延長(zhǎng)系列成果一樣，是依據(jù)1973年以前十幾年資料推算的，可稱作“60年代水平”的成果，因未計(jì)1970年以來(lái)石朝區(qū)間治理因素影響，可能與實(shí)際有一定誤差。若在工作中需該時(shí)段朝陽(yáng)寺汛期各月含沙量時(shí)，可參照同年石匣里汛期各月含沙量與汛期平均含沙量的比例加以推算。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)石朝區(qū)間長(zhǎng)系列與短歷時(shí)的泥沙研究，認(rèn)為官?gòu)d水庫(kù)泥沙由兩部分組成：一是未遭遇稀遇洪水的一般年份來(lái)沙量，即常規(guī)性入庫(kù)沙量，年均約2.6×106t/a；二是遭遇稀遇洪水時(shí)的短歷時(shí)泥沙，100年一遇、50年一遇、20年一遇的洪水時(shí)，估計(jì)來(lái)沙量分別約為 1.24×108、1.02×108、0.73×108t。

根據(jù)以上分析、相關(guān)計(jì)算及系列延長(zhǎng)，建議在未來(lái)一段時(shí)間里，繼續(xù)加強(qiáng)官?gòu)d水庫(kù)上游的水土保持生態(tài)建設(shè)，特別是石朝區(qū)間的水土保持綜合治理工作，以緩解上游泥沙對(duì)官?gòu)d水庫(kù)淤積的影響。