桑干河下游石朝区间泥沙系列的研究、分析与确定

刘淑红

（海河水利委员会科技咨询中心，天津 300170）

1 研究的意义

桑干河石朝区间跨河北省张家口市阳原、蔚县、宣化、涿鹿四县，流域面积740 km2。区内河谷狭窄，岩壁陡峻，泥沙输移过程中没有自然沉积区。同时，本区分布着许多高、宽、深、大的坡积冲沟和构造性滑坡带，强烈土壤侵蚀和极强烈土壤侵蚀面积占很大比重，推移质储量达10亿～15亿t。加之距暴雨中心较近，不仅坡面侵蚀剧烈，而且易形成滑坡。一旦滑坡出现，则大体积沙石泥土迅速输向下游，使下游输沙量猛增。据1957—1973年实测资料，17年间平均输沙量达505万t，平均输沙模数0.68万t/（km2·a）。

可见，石朝区间虽然流域面积小，但产沙强度高，对官厅水库的泥沙淤积影响相对较大。在20世纪70年代以后，特别是1983年水土保持重点治理以来，上游水土流失治理得到加强，而本区由于治理难度较大，治理速度相对缓慢，已成为对官厅水库威胁最大的1个沙源。因此，对石朝区间的泥沙系列开展研究、分析，尽可能地延长其输沙量系列及出口站朝阳寺输沙量系列，估算不同状态下输入官厅水库的沙量，以促使有关部门采取相关措施进行综合治理，减少官厅水库淤积、增加兴利库容，对下游北京市、河北省乃至天津市的防洪安全和供水安全都具有重大的现实意义。

2 实测资料的研究分析

进口站 （石匣里）有1951—2004年共54年资料，出口站（朝阳寺）有1957—1973年共17年资料。先依据两站的实测（逐年）雨、沙资料及下游涿鹿站实测逐年降雨资料，计算整理不同阶段均值。经研究、分析，得出以下结论：

2.1 长系列输沙量研究分析

册田水库修建前 （1957—1959年）和修建后（1960—1973年）相比，2个阶段的量值差异很大。在降水量方面，前者均值为423 mm/a，后者均值为296 mm/a，前者是后者的1.43倍。在输沙量方面，石朝区间前者均值为1 147万t/a，后者均值为374万t/a，前者是后者的3.07倍；而石匣里站前者均值为3 469万t/a，后者均值为675万t/a，前者是后者的5.14倍。这说明虽然石朝区间和石匣里以上2个区间输沙量减小幅度都大于降水量的减小幅度，但石匣里以上册（田）石（匣里）区间输沙量减小幅度更大于石朝区间输沙量减小幅度。也就是说，在册田水库建成后的1960—1973年14年间，人类活动对输沙量的影响，册石区间更甚于石朝区间。

2.2 短历时输沙量研究分析

从册田水库建成后的1979、1995年2个丰水年对比中，二者汛期降水量均为512 mm，而石匣里年输沙量分别为404万、93万t，前者是后者的4.34倍。 从册田水库建成后的 1969、1973、1980、1996、2004年5个枯水年对比中，汛期降水量均值均在360 mm左右，而石匣里年输沙量却由1969年的725万t降至2004年的12万t，后者仅为前者的1/60。这说明，20世纪70年代以来的30多年里，伴随着册田水库不排沙和册石区间采取控制泥沙措施，石匣里输沙量大幅度减少；与之相应，它与下游石朝区间产沙量之间的比例关系已发生新的变化，甚至可能使石朝区间输沙量对官厅水库的威胁产生质的影响。这进一步表明，研究、分析以及延长、确定石朝区间泥沙系列具有重要的意义。

3 输沙量系列的研究分析、延长与确定

3.1 相关分析

考虑到石朝区间实测1957—1973年17年输沙量系列包括册田水库修建前的1957—1959年部分，而分析的主要目的又是延长册田水库修建后的1974年以后部分。为此，以1960—1973年系列为主、以1957—1973年系列为辅，开展了石朝区间年输沙量、汛期降水量等相关计算。

（1） 在1957—1973年或1960—1973年这2个特定时间段内，石匣里与朝阳寺两站之间的年输沙量关系较好，相关系数均在0.9以上。其中，1957—1973年线性相关式为S朝=1.317S石+139.6，这与1986年12月水利部海委 《水利水保工程对官厅水库入库水沙量影响的研究》中“S朝=1.27S石+167”的关系式十分相近。表明在这个期间，石匣里以上来沙量很大，它比石朝区间自身产沙量大得多，在朝阳寺输沙量中占据着主导地位。但在这个期间以后，石匣里以上来沙量大幅度减少，使石朝区间产沙量在朝阳寺输沙量中所占份额相应随之大幅度提高，则这种较好的相关关系必然遭到破坏。

（2）研究对比石朝区间年输沙量—石匣里汛期降雨量和石朝区间年输沙量—石匣里平均汛期降雨量2组相关关系，可以有效地避开因石匣里以上来沙量变化剧烈对上述相关关系的影响。其相关系数相对较低，为0.77。同时，由于相关因子为“石朝区间输沙量”，即石匣里、朝阳寺两站输沙量之差，不仅消除了册石区间产沙量对石匣里和朝阳寺输沙量的影响，也消除了册田水库的影响，从而也就不存在1957—1973年系列和1960—1973年系列的性质不同。因此，这2组相关成果尽管相关系数相对较低，但就研究石朝区间输沙量系列而言，意义较大。

3.2 系列延长及采用

根据相关关系，拟选择具有典型意义的3个相关式进行系列延长及采用。

分别对石朝区间年输沙量做延长计算。最后，经综合考虑确定采用相关关系式（2）的成果，并与实测系列组成1951—2004年石朝区间年输沙量系列及相应朝阳寺年输沙量系列。需要指出的是，这个系列是根据1957—1973年石朝区间实测输沙量和石匣里实测汛期降雨量推算的，可称作“60年代水平”的量，未计及1974年以来石朝区间自身治理可能发挥的作用，也未计及1974年以来涿鹿县在朝阳寺断面以上新增加的灌区引沙影响，所给输沙量系列偏大。

考虑到石朝区间水土保持治理速度较慢，又受到大秦铁路建设新增人为增沙因素影响，自身产沙不会减少许多。涿鹿县20世纪70年代以来新增朝阳寺断面以上灌区工程，如桑南灌区、七一大渠、桑北灌区引水口上移、劈山大渠扩建等，确能大量减少朝阳寺输沙量及相应石朝区间输沙量，但可分别另计入朝阳寺—官厅区间减滞沙量计算分析之中。因此，从防治泥沙危害角度出发，认为这个系列相对较为适宜。

4 朝阳寺含沙量系列的研究与确定

永定河上游灌区引洪用沙历史悠久。一可满足作物用水，二可将泥沙引入田间，控制泥沙下泄，对减轻官厅水库淤积意义重大。涿鹿县是永定河上游最大的引沙县，每年约引沙300万t，1975—1998年24年间共引沙约0.73亿t，占张家口市引沙总量的1/4，占官厅全流域引沙总量的1/7，对减轻官厅淤积作用显著。

涿鹿县灌区引沙大部分分布在桑干河两侧，引水口集中于朝阳寺以上的涿鹿县境河段。因此，以上述1957—1973年实测资料为基础，分析研究并确定延长朝阳寺含沙量系列，对进一步研究涿鹿县灌区引沙、桑干河末端河道沉积以及有关官厅泥沙等问题具有一定意义。

4.1 实测系列中特殊年处理

前面已指出，朝阳寺站有1957—1973年实测资料，现对该站和石匣里等站同期实测资料中的1967、1972年2个特殊年进行如下研究处理：

（1）1967年是册田水库建库至2004年45年来唯一一个大沙年，该年册田水库排沙2 211万t，占册田水库45年总排沙量2 947万t的3/4，而且集中在8月5—13日内。这9 d共排沙1 980万t，其中8月11日下泄流量最大，日平均流量达1 140 m3/s，最大洪峰达1 510 m3/s。由于流量过大，下游阳原河段洪水漫滩，形成沉积，共沉积泥沙300万t，使下游石匣里、朝阳寺增加的册田下泄沙量由2 211万t减少到1 911万t。即使如此，仍相当于石匣里自身输沙量909万t的2.1倍和朝阳寺自身输沙量1 859万t的1.03倍。为此，需对本年实测资料进行扣减或剔除册田水库排沙影响的情况计算。

（2）1972年是一个特殊的枯水少沙年，该年石匣里汛期输沙量只有22万t，朝阳寺汛期输沙量76万t，说明朝阳寺汛期输沙量主要是由石朝区间产沙构成的，石朝区间产沙量达朝阳寺汛期输沙量76%，而石朝区间产沙量又是由8月1—7日1次降雨过程形成的。

由此可以看出，8月1—7日朝阳寺输沙量75.92万t（占朝阳寺汛期输沙量76万t的99.8%）中，来自石朝区间58.03万t，占76.4%，并且主要发生在8月4日、8月6日，分别产沙36.91万、13.44万t，共占朝阳寺汛期输沙量的2/3；日平均含沙量分别高达527.3、371.3 kg/m3。而石匣里来沙分别为 13.9万、0.12万t，日平均含沙量分别为74.5、2.79 kg/m3。这表明，在8月1—7日降雨过程中乃至汛期和全年朝阳寺实测输沙量中，起关键作用的是8月4日、8月6日这2 d石朝区间的产沙，并且这2 d的石朝区间产沙主要由该区间孤立暴雨所形成，与其他年份相比有很大特殊性，不宜加入通常样本系列分析。

4.2 长系列相关计算及延长

为延长册田水库建成后朝阳寺含沙量系列，在1960—1973年实测系列计算中需剔除 1972、1967年2个特殊年份，分别对石匣里—朝阳寺年含沙量和石匣里—朝阳寺汛期含沙量展开相关计算。经运算，相关系数分别达0.937和0.919，表明相关关系很好。利用此延长系列的计算成果，可以采取相应措施，减少回淤或者计算兴利库容等。

同样需要指出的是，本延长系列成果与前述1974—2004年石朝区间年输沙量、朝阳寺年输沙量的延长系列成果一样，是依据1973年以前十几年资料推算的，可称作“60年代水平”的成果，因未计1970年以来石朝区间治理因素影响，可能与实际有一定误差。若在工作中需该时段朝阳寺汛期各月含沙量时，可参照同年石匣里汛期各月含沙量与汛期平均含沙量的比例加以推算。

5 结语

通过以上对石朝区间长系列与短历时的泥沙研究，认为官厅水库泥沙由两部分组成：一是未遭遇稀遇洪水的一般年份来沙量，即常规性入库沙量，年均约2.6×106t/a；二是遭遇稀遇洪水时的短历时泥沙，100年一遇、50年一遇、20年一遇的洪水时，估计来沙量分别约为 1.24×108、1.02×108、0.73×108t。

根据以上分析、相关计算及系列延长，建议在未来一段时间里，继续加强官厅水库上游的水土保持生态建设，特别是石朝区间的水土保持综合治理工作，以缓解上游泥沙对官厅水库淤积的影响。