榆神工業(yè)園區(qū)引水工程黃河萬(wàn)鎮(zhèn)斷面的泥沙特征分析

袁水龍 ，張 飛 ，陳田慶

（1.陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,陜西 西安 710075；2.陜西省寶雞市馮家山水庫(kù)管理局,陜西 寶雞 722402）

黃河以水少沙多、含沙量高而著稱(chēng)，其多年平均輸沙量16億t，天然徑流量534億m3[1]。大量學(xué)者對(duì)黃河的泥沙特性，礦物質(zhì)組成以及水沙關(guān)系進(jìn)行了研究[2-4]。從多泥沙河流取水，泥沙含量不僅會(huì)對(duì)水泵工作參數(shù)有明顯的影響，而且會(huì)導(dǎo)致前池、進(jìn)水池、出水池和渠道產(chǎn)生游積[5]。因此，在規(guī)劃、設(shè)計(jì)這類(lèi)取水工程時(shí)，泥沙問(wèn)題應(yīng)予以研究處理，否則將給今后的運(yùn)行、維修和管理造成極大的困難。榆林能源化工基地是陜北能源化工基地的重點(diǎn)地區(qū)，是經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的國(guó)家級(jí)能源基地。榆神工業(yè)區(qū)萬(wàn)鎮(zhèn)引水工程位于神木縣境內(nèi)，以黃河漫灘地下水與黃河地表水為水源，工程地表水取水口在萬(wàn)鎮(zhèn)境內(nèi)，該區(qū)域地處黃河中游黃土高原地貌區(qū)，水土流失嚴(yán)重，黃河含沙量高。取水口斷面的泥沙特征量將直接影響到泥沙處理方式及水泵型號(hào)的選擇，因此必須清楚了解該斷面的泥沙特征量。

1 工程概況

本工程的取水位置位于黃河中游上段萬(wàn)鎮(zhèn)境內(nèi)。黃河中游地區(qū)除河曲、保德、府谷附近河谷較寬之外，其余絕大部分河段河寬僅200~400 m。黃河中游地區(qū)面積的61%為黃土高原地帶，溝壑縱橫，支流眾多，水土流失嚴(yán)重，大量泥沙進(jìn)入黃河，導(dǎo)致黃河成為世界上含沙量最多的河流，年輸沙模數(shù)一般在10000 t/km2至 20000 t/km2，最高可達(dá) 25000 t/km2，最大年輸沙量高達(dá)39.1億t（1933年），龍門(mén)站最高含沙量為933 kg/m3，三門(mén)峽站多年平均輸沙量約16億t，其中90%來(lái)自汛期，平均含沙量35 kg/m3。取水口斷面附近的水文站有黃河干流上的府谷站和吳堡站，以及支流窟野河的溫家川站，其中上游的府谷站距取水口114 km，下游的吳堡站距取水口122 km。

2 水文基本資料

府谷水文站位于萬(wàn)鎮(zhèn)取水口上游114 km處，設(shè)立于1972年1月，至河口距離1786 km，集水面積404039 km2。

吳堡水文站位于萬(wàn)鎮(zhèn)取水口下游約122 km處，設(shè)立于1935年6月，至河口距離1544 km，集水面積433514 km2。該測(cè)驗(yàn)河段基本順直，中高水位單式河槽，河床為卵石細(xì)砂組成。

萬(wàn)鎮(zhèn)取水口至上游府谷區(qū)間的較大支流為窟野河。窟野河于1953年7月設(shè)立溫家川水文站，距離河口7.5 km。距離窟野河河口14 km，集水面積8515 km2，各水文站基本情況見(jiàn)表1。

表1 水文站基本情況一覽表

3 泥沙特征值分析

3.1 輸沙量分析

黃河萬(wàn)鎮(zhèn)取水口斷面位于府谷水文站與吳堡水文站之間，因此選擇府谷站與吳堡站作為設(shè)計(jì)依據(jù)站。取水口斷面距上游府谷站114 km，距下游吳堡站122 km，與上下游站距離均較遠(yuǎn)，取水口上游14 km處為含沙量極大的窟野河，首先選用府谷站與吳堡站1976~2012年37年同期實(shí)測(cè)泥沙資料推求各站點(diǎn)的泥沙特性，然后選用插值法和水文比擬法兩種方案進(jìn)行比較，最終選擇一個(gè)合理值作為取水口斷面的特征值。

對(duì)1976~2012年的天然年輸沙量系列進(jìn)行頻率分析，用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，通過(guò)目估適線法進(jìn)行調(diào)整，最終求得府谷站多年平均年輸沙量為10382萬(wàn)t，吳堡站為24154萬(wàn)t，府谷站變差系數(shù)Cv=1.09，吳堡站變差系數(shù)Cv=0.76，偏態(tài)系數(shù)Cs按經(jīng)驗(yàn)取2.5倍的Cv，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 年輸沙量頻率分析成果表 單位：萬(wàn)t

表3 吳堡站類(lèi)比結(jié)果

表4 府谷站類(lèi)比結(jié)果

表5 面積插值法結(jié)果

由于萬(wàn)鎮(zhèn)設(shè)計(jì)斷面沒(méi)有實(shí)測(cè)的水文資料，所以在該處以府谷站與吳堡站作為參證站，應(yīng)用水文比擬法和插值法計(jì)算得到設(shè)計(jì)斷面的年輸沙總量。計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表3至表5，由上面的計(jì)算結(jié)果可以看出，選用不同的方法計(jì)算的結(jié)果有差異，面積插值法計(jì)算的結(jié)果介于水文比擬法府谷、吳堡站計(jì)算結(jié)果之間，考慮到取水口斷面上游附近的窟野河泥沙含量極大，從工程設(shè)計(jì)安全的角度出發(fā)，應(yīng)該選擇用距離萬(wàn)鎮(zhèn)斷面122 km的下游吳堡站的面積比擬法計(jì)算得到的結(jié)果作為萬(wàn)鎮(zhèn)斷面的設(shè)計(jì)年輸沙量。即多年平均輸沙量為23605萬(wàn)噸，p=0.2%,p=1%,p=2%,p=3%,p=10%的設(shè)計(jì)年輸沙量分別為115235萬(wàn)t、87344 萬(wàn) t、75287 萬(wàn) t、66379 萬(wàn) t、47115 萬(wàn) t。

3.2 含沙量分析

利用實(shí)測(cè)府谷和吳堡同期系列泥沙資料（1976~2012年），統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)的37年系列兩站含沙量，采用年平均含沙量系列求得兩個(gè)水文站相應(yīng)不同頻率下的設(shè)計(jì)值，根據(jù)水文比擬法和面積插值法得到取水口斷面相應(yīng)的泥沙含量。通過(guò)對(duì)府谷、吳堡兩站年平均含沙量頻率分析，得出兩站不同頻率的年均含沙量見(jiàn)表6。同樣應(yīng)用兩種不同的方法計(jì)算取水口斷面的泥沙含量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7~表9，通過(guò)比較，發(fā)現(xiàn)用吳堡站類(lèi)比得到的設(shè)計(jì)斷面含沙量略大于插值法計(jì)算結(jié)果，取對(duì)工程最不利的結(jié)果，以吳堡站作為泥沙含量計(jì)算的參證站，用類(lèi)比法得到取水口斷面的泥沙含量。即年平均含沙量為10.9 kg/m3，不同設(shè)計(jì)頻率 p=0.2%,p=1%,p=2%,p=3%,p=10%分別為 48.61、37.38、32.49、28.87、20.97 kg/m3。

表6 不同頻率含沙量

表7 吳堡站類(lèi)比結(jié)果

表8 府谷站類(lèi)比結(jié)果

表9 面積插值法計(jì)算年平均含沙量

4 顆粒級(jí)配分析

4.1 多年平均顆粒級(jí)配分析

考慮到在設(shè)計(jì)斷面附近窟野河的泥沙含沙量大且顆粒較粗，所以在泥沙顆粒級(jí)配分析中應(yīng)該選取府谷、吳堡、溫家川三個(gè)站來(lái)分析，由于收集到的資料有限，分析時(shí)將資料劃分為三個(gè)時(shí)間階段對(duì)比分析，分別為1976~1979年、1980~1990年、2006~2010年，對(duì)該三個(gè)階段的多年平均顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，分析結(jié)果見(jiàn)表10，結(jié)果表明：府谷站在三個(gè)階段的中值粒徑分別為：0.045、0.024、0.011mm，吳堡站為：0.046、0.029、0.021 mm，溫家川站為：0.096、0.056、0.01mm，該三站的中值粒徑均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)。

4.2 多年汛期泥沙顆粒級(jí)配分析

汛期泥沙級(jí)配分析首先要確定該流域汛期時(shí)間，結(jié)合該流域的汛期洪水形成成因情況，確定每年春汛時(shí)間為3~4月，伏汛時(shí)間為6~10月。黃河流域含沙量近年來(lái)有減少趨勢(shì)，尤其是在2000年以后泥沙顆粒最細(xì)，因此選擇最近的2006~2010年為代表期，對(duì)府谷站、吳堡站、溫家川站近年來(lái)汛期泥沙顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，得到府谷站春汛、伏汛的中值粒徑分別為0.012 mm、0.011 mm，吳堡站分別為 0.026 mm、0.031 mm，溫家川站分別為0.033mm、0.015mm，詳見(jiàn)表11，表12。

表10 多年平均泥沙特征值分析表

表11 2006～2010年汛期平均顆粒級(jí)配表

表12 多年汛期的泥沙顆粒級(jí)配分析表

4.3 取水口斷面顆粒級(jí)配分析

由于窟野河含沙量大且距離取水口較近，因此本研究選擇窟野河溫家川站的顆粒級(jí)配情況直接代替取水口斷面情況，同時(shí)結(jié)合府谷與吳堡站插值計(jì)算得到的取水口斷面顆粒級(jí)配情況，二者相互比較得到取水口斷面的最終結(jié)果。考慮到黃河泥沙近年來(lái)變化趨勢(shì)，選擇最近的2006~2010年連續(xù)5年的泥沙分析結(jié)果，采用兩種方法得到取水口斷面多年平均、春汛平均和伏汛平均的泥沙顆粒特性，見(jiàn)表13，由表可知插值法計(jì)算的多年平均、春汛平均及伏汛平均的泥沙顆粒級(jí)配整體上比較接近。對(duì)比兩種方法的計(jì)算結(jié)果，可看出溫家川站小于0.05mm的泥沙含量除春汛外都是略大于插值計(jì)算結(jié)果的。從前文對(duì)府谷站、吳堡站與溫家川站的泥沙顆粒級(jí)配分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，在2006年以前窟野河的泥沙顆粒比上下游府谷和吳堡站的顆粒都粗，但2006年以后，則是窟野河的泥沙顆粒最細(xì)。由于窟野河距離取水口斷面只有14km，對(duì)取水口斷面的泥沙影響極大，并且考慮到黃河泥沙的主要來(lái)源是伏汛期的泥沙，而插值法計(jì)算的結(jié)果中伏汛期泥沙比重不明顯，從工程安全角度考慮，本次取水口斷面的泥沙顆粒分析結(jié)果將直接采用窟野河溫家川站的泥沙顆粒分析結(jié)果，即取水口斷面泥沙小于0.05mm的多年平均泥沙含量為83%，中值粒徑為0.01mm，平均粒徑為0.027mm。春汛、伏汛小于0.05mm泥沙含量分別為62%、83%，中值粒徑分別為0.033mm、0.015mm，平均粒徑分別為0.059mm、0.03mm。

表13 取水口斷面顆粒級(jí)配分析表

5 水沙系列的選取

水沙代表系列的選取以預(yù)估的未來(lái)水沙量為目的，應(yīng)由盡量少的自然連續(xù)系列組合而成，能夠反映豐、平、枯水年的水沙情況，并適當(dāng)加入大水、大沙年份和一些枯水、枯沙年份。考慮近年來(lái)黃河泥沙減少的明顯趨勢(shì)，本次分析選擇三個(gè)不同時(shí)間長(zhǎng)度水沙系列，分別為府谷、吳堡站2003~2012年10年日平均水沙系列、1993~2012年20年日平均水沙系列和吳堡站1976~2012年37年日平均水沙系列。本次計(jì)算仍然選用兩種方案，即直接用下游吳堡站資料代替設(shè)計(jì)斷面資料和用面積插值計(jì)算得到設(shè)計(jì)斷面值，對(duì)三個(gè)水沙系列不同年份中的日均流量和日均含沙量取均值，分別求出10年平均水沙系列、20年平均水沙系列與37年平均水沙系列的日變化過(guò)程（圖1、圖2）。由圖可以看出，無(wú)論是哪種方案，各個(gè)系列的日均流量過(guò)程變化趨勢(shì)基本相同，但日均含沙量過(guò)程差異較大，時(shí)間系列越長(zhǎng)，含沙量越大。

從圖2可以看出，長(zhǎng)系列與短系列的流量過(guò)程線差異不大，但是泥沙含量差異較大，短系列計(jì)算的含沙量比長(zhǎng)系列的小。短系列更能反映該流域近年來(lái)泥沙變化趨勢(shì)，而長(zhǎng)系列可以反映流域的豐、平、枯年份的流量及含沙量情況，具有更好的代表性。在兩種方案比較上，插值法計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于吳堡站直接代替，這是由于窟野河距離取水口很近，而窟野河含沙量極大，對(duì)取水口影響顯著，因此插值法計(jì)算的結(jié)果偏小。綜合考慮，選擇吳堡站的結(jié)果分析取水口斷面來(lái)水來(lái)沙情況。而長(zhǎng)短系列各有優(yōu)缺點(diǎn)，所以在工程調(diào)節(jié)計(jì)算時(shí)，應(yīng)該用10年、20年、37年系列分別調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行綜合對(duì)比分析。

圖1 吳堡站多年平均設(shè)計(jì)水沙系列過(guò)程線

圖2 插值法所求多年平均設(shè)計(jì)水沙系列過(guò)程線

6 結(jié)論

（1）通過(guò)水文比擬法和面積插值法分別計(jì)算黃河萬(wàn)鎮(zhèn)斷面的設(shè)計(jì)輸沙量和含沙量，結(jié)果表明采用吳堡站水文比擬法計(jì)算結(jié)果最大，從對(duì)工程最不利的角度出發(fā)，得到取水口萬(wàn)鎮(zhèn)斷面多年平均年輸沙量為23605萬(wàn)t，多年平均含沙量為10.9 kg/m3。

（2）對(duì)府谷、吳堡、溫家川三站的多年平均、汛期平均以及不同級(jí)別含沙量條件下的泥沙顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，從工程安全的角度出發(fā)，確定以溫家川站分析結(jié)果作為取水口斷面的設(shè)計(jì)值，即多年平均的小于0.05mm的泥沙含量為83%，中值粒徑為0.01mm，平均粒徑為0.027mm；春汛、伏汛中值粒徑分別為0.033mm、0.015mm，平均粒徑分別為0.059mm、0.030mm。

（3）結(jié)合黃河近年來(lái)水沙變化趨勢(shì)，將吳堡站水沙分為10年、20年、37年三個(gè)系列，分別分析來(lái)水與來(lái)沙的關(guān)系。結(jié)果表明，徑流泥沙資料序列的長(zhǎng)短對(duì)設(shè)計(jì)流量過(guò)程的影響小于設(shè)計(jì)泥沙過(guò)程。在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)各個(gè)系列的優(yōu)缺點(diǎn)，得出取水口萬(wàn)鎮(zhèn)斷面在工程調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)該用10年、20年、37年三個(gè)系列分別調(diào)節(jié)。

[1]姚文藝,冉大川,陳江南.黃河流域近期水沙變化及其趨勢(shì)預(yù)測(cè)[J].水科學(xué)進(jìn)展,2013,24(05):607-616.

[2]許炯心.不同來(lái)源水沙對(duì)黃河入海泥沙通量的影響 [J].海洋與湖沼,2002,33(5):536-545.

[3]成國(guó)棟.黃河三角洲現(xiàn)代沉積作用及模式[M].地質(zhì)出版社,1991.

[4]王臘春,儲(chǔ)同慶.黃河,長(zhǎng)江泥沙特性對(duì)比分析[J].地理研究,1997,16(4):71-79.

[5]曹磊.沿黃供水泵站泥沙特性及定期沖洗式沉沙池優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].太原理工大學(xué),2013.