黄河下游三刘寨引黄灌区引水能力分析

卞艳丽 黄福贵 曹惠提

摘要：黄河下游三刘寨灌区引黄涵闸靠流条件良好，但河床下切引起大河水位降低，对涵闸引水能力产生了一定影响。采用2002-2013年花园口水文站流量、水位资料以及三刘寨灌区引水量资料，分析得到三刘寨引黄闸闸前黄河水位过程、闸前水位与引水流量的关系，并由此提出现阶段水源和工程条件下涵闸可引水流量旬过程，多年（2007-2011年）平均及50%保证率来水年（2010年）正常可引水量分别为8 931万m和8 395万m。

关键词：涵闸;引水条件;引水能力;三刘寨灌区;黄河下游

中图分类号：S273;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019 .01. 034

三刘寨引黄灌区兴建于1965年，位于黄河南岸郑州市中牟县境内。灌区北临黄河大堤，南依贾鲁河，东与开封县接壤，涉及中牟县的雁鸣湖、狼城岗、万滩、大孟、官渡等5个乡镇，总土地面积279.67 km，设计灌溉面积1.97万hm，设计灌溉保证率50%.灌区现状有效灌溉面积1.40万hm。灌区是以引黄自流灌溉为主、井灌为辅的井渠结合灌区。灌区现有总干渠1条、干渠3条、支渠15条，干支渠总长122.70 km，其中：总干渠长0.25 km，干渠总长60.45 km.支渠总长62.00 km[1]。灌区渠首闸三刘寨引黄闸距上游花园口水文站约30 km。

1 来水量分析

来水量分析采用花园口水文站的观测资料，花园口站以上集水面积为730 036 km，1950-2015年多年平均径流量为371.08亿m，见图1。可以看出，1968年刘家峡水库开始运用、1986年龙羊峡水库开始运用在一定程度上改变了花园口断面的自然水流情势：1999年小浪底水库投运后，花园口断面的年径流量受水库调节的影响相对较小。

1.1 径流量年内分配

黄河地表径流量时空分布具有年内分配不均、年际变化大的特点。因年降水量主要集中于6-9月，故河川径流量主要集中在汛期7-10月，约占全年的57.1%。黄河花园口水文站1950-2013年天然径流量年内分配情况见表1。

1.2 径流量年际变化

根据黄河干流花园口水文站1950-2013年的实测径流量资料，黄河花园口年径流量变差系数为0.35，且按年代均值整体来说呈减小趋势，具有20世纪50、60、80年代偏豐，70、90年代以来偏枯的特点，其中：60年代最丰，90年代最枯，21世纪10年代偏枯。最大年径流量为861.41亿m，出现在1964年：最小年径流量为142.57亿m，出现在1997年;2013年接近平水年。20世纪90年代平均年径流量较多年平均值减少近5成。最丰年代和最枯年代年径流量均值的比值约为2.2。

1.3 来水量频率分析

由于1968年刘家峡水库的运用、1986年龙羊峡水库的运用改变了大坝下游黄河干流的自然水流情势，从水文资料的一致性来看，采用1986年龙羊峡水库运行后的水文资料序列较好，但缺点是其序列太短，且1986年以后来水处于偏枯水时段，代表性较差。综合考虑，选取刘家峡水库运用后的实测水文资料序列，即采用花园口水文站1969-2013年实测水文资料进行频率分析。该水文序列涵盖了丰、平、枯水时段，具有一定的代表性。根据花园口水文站1969-2013年连续45 a实测径流量分析得到花园口水文断面多年平均年径流量为320.02亿m。频率分布曲线采用P-Ⅲ型曲线，取Cv值为0.35，Cs/Cv值为3.0。

花园口断面1969-2013年年径流量频率分析结果见表2。可知，50%保证率下花园口断面年径流量为302.09亿m，75%保证率下花园口断面年径流量为238.25亿m。根据50%保证率下花园口断面年径流量，从供水偏安全的角度考虑，选取2010年花园口断面的来水过程（年径流量276.45亿m）分析计算三刘寨灌区渠首闸引水能力，见图2。

2 黄河河势与来水来沙条件

2.1 三刘寨闸前河势与河床冲淤分析

三刘寨灌区渠首闸位于中牟县万滩镇三刘寨村东北，黄河南岸大堤桩号42+200处，处于黄河万滩弯道段凹岸顶点偏下游。自1966年兴建三刘寨引黄渠首闸以来，历经三门峡水库滞洪排沙运用期（1970-1974年）、三门峡水库蓄清排浑运用及下游河道整治期（1975-1984年）、小浪底水库运行初期等几个阶段，黄河主流基本靠近三刘寨引黄闸处，其垂直距离的变化幅度较小。经1960-2005年实测资料分析，主流距三刘寨闸1.0 km远的情况仅有2a，一般只有20～30 m。尤其是近年来黄河控导工程修建后，三刘寨闸未出现脱流现象，这对三刘寨闸的引水非常有利。

截至2013年7月，小浪底水库已进行12次调水调沙。从黄河调水调沙试验资料来看，第一次调水调沙试验白鹤一花园口段主槽刷深0.18 m，第二次试验花园口站主槽刷深0.14 m，第三次试验刷深0.02 m。引黄涵闸2002年、2013年设计流量对应的黄河水位及变化，见表3。点绘500 m/s流量花园口断面历年水位变化图，见图3。花园口以上河段在黄河流量为700 m/s情况下，引黄涵闸引水水位平均下降0.93 m;在黄河流量500 m/s情况下，花园口至夹河滩河段引黄涵闸引水水位平均下降0.46 m[2]。

黄河小浪底水库运用后，冲沙效果明显，河道显著刷深，综合分析黄河沿线水位变化，下游河段水位变化趋势基本一致，普遍下降。据统计，自2002年小浪底水库拦沙运用至今，黄河下游河床平均冲刷下切了1.30～2.86 m; 2002-2013年水位平均降低2.28 m，2008-2013年水位平均降低0.80 m。近年来三刘寨闸历年引水流量远远不及设计流量，主要原因是受黄河冲淤变化影响，小浪底水库的运用及黄河实行调水调沙以来，该段黄河河道受到冲刷，河床下切，同流量闸前水位下降，加上输水渠淤积等，使三刘寨闸引水能力逐年下降。但三刘寨闸闸前水位仍高于闸底板高程。

2.2 黄河来水含沙量分析

黄河是一条高含沙河流，统计花园口水文站1974-2013年实测泥沙资料，花园口水文站多年平均含沙量为11.84 kg/m。从含沙量各月变化情况来看，黄河下游高含沙量期主要分布在7-9月，其中8月份含沙量最高，为45.84 kg/m。

考虑到小浪底水库兴建以前，花园口水文站泥沙含量为黄河天然含沙量状态，而自小浪底水库建成运用后，花园口水文站泥沙含量明显减小。2002-2013年花园口站各月含沙量均值见表4。由表4可知，2002-2013年花园口站平均含沙量为2.25 kg/m，仅为多年均值的19.00%。从含沙量各月变化情况来看，8月份含沙量最高，为10.36 kg/m。

3 三刘寨灌区渠首闸引水情况

3.1 引水的流量条件分析

受小浪底水库建成运用后下游河道演变、河床下切的影响，2002年以来花园口以下河床普遍下切1.30～ 2.86 m。河床下切后影响灌区引水，当黄河来水流量小时，引水能力很小。统计历年三刘寨引黄闸引水时花园口最小黄河流量，见表5.可见历年三刘寨闸引水时黄河最小流量在286～ 529 m/s之间。考虑黄河调水调沙以来，三刘寨闸附近同流量水位下降，取引水流量较小的2004年花园口流量298 m/s作为三刘寨闸可引水的黄河最小流量值。统计花园口水文站流量小于298 m/s的天数，作为三刘寨闸限制引水的时间。根据2002-2013年花园口水文站流量资料分析，小于298 m/s的天数多年平均为20 d.平水年份（2010年）为Od，见表6。

3.2 引水的含沙量条件分析

结合引黄工程供水的实际需要，含沙量超过30 kg/m3时，要限制取水工程引水。统计2002-2013年三刘寨引黄闸8月份实际引水日期，见表7。由表7可知，自黄河调水调沙试验以来，三刘寨引黄闸虽然在最初几年还有引水，但2006年以来8月均无引水。

此外，黄河调水调沙一般在6月下旬至7月上旬进行，分析黄河调水调沙期间三刘寨引黄闸的实际引水情况，见表8。由表8可知，三刘寨引黄闸除最初两年（2002-2003年）在黄河调水调沙期间不引水以外，大多年份在调水调沙期间引水.2004-2011年只有2007年在调水调沙期间没有引水。该段黄河含沙量没有超标是三刘寨闸在调水调沙期间正常引水的原因之一，另外该时段也是灌区农业需水关键期。此外，近几年河南黄河河务局在汛前调水调沙期间实施引黄工程“防淤减淤”措施，调水调沙后期开闸拉沙冲淤，以防止调水调沙后期因水位快速回落而造成引黄取水口及引水渠淤积。

综合黄河来水含沙量情况及三刘寨闸历年实际引水情况，三刘寨引黄闸在8月高含沙量期间不宜引水，而在黄河调水调沙期间只要黄河含沙量不超标，三刘寨闸都可以正常引水。

4 涵闸正常可引水量

根据黄河来水及含沙量分析，综合三刘寨闸历年实际引水情况，高含沙量不宜引水期确定为8月。

4.1 引水流量与闸前水位关系分析

三刘寨引黄闸为三孔涵洞式水闸，孔高2.0 m，宽2.5 m，设计流量25 m/s，加大流量30 m/s.设计闸底板高程81.64 m，洞身长84.3 m.工程运行情况良好。

三刘寨引黄闸位于花园口水文站下游，黄河花园口站一三刘寨闸河段比降约为1/5 000.据此推求2002-2011年黄河实施调水调沙期间三刘寨闸前黄河水位。2002-2011年三刘寨闸年均引水流量及闸前水位见表9。三刘寨引黄闸年均引水流量1.2～3.1 m/s，年均闸前水位84.6～ 86.3 m[1，3]。

采用花园口水文断面流量作为三刘寨闸前来水流量，统计分析2014-2015年三刘寨闸逐日引水流量与相应闸前水位的关系，选择能够代表三刘寨闸引水能力的水位一流量關系点建立二者关系（见图4），得到水位一流量关系式：

H= 0.181 8q+84.606式中：H为闸前水位，m;q为引水流量，m/s。

4.2 涵闸正常可引水量

引黄闸闸前水位高于闸底高程和引水闸不脱流是能够引到黄河水的关键。按照三刘寨闸正常引水时间、黄河来水过程、三刘寨闸前黄河水位及引水闸前水位和引水流量关系分析结果，计算三刘寨引黄闸正常可引水量。考虑受小浪底水利枢纽调节的影响，来水量的多年均值采用来水较稳定的2007-2011年的多年平均值，与P= 50%来水典型年（2010年）三刘寨闸正常可引水量计算结果分别见表10、表11。

三刘寨引黄闸多年（2007-2011年）平均和P=50%来水年（2010年）正常可引水量分别为8 931万m和8 395万m.平均引水流量分别为3.21 m/s和3.19 m/s。需要说明的是，当黄河河势和河道冲淤发生较大变化时，需要对三刘寨引黄涵闸的引水能力进行实时修正。

5 结语

小浪底水库运用对黄河下游防洪减淤、塑造下游河道、稳定主槽起到了重大作用，产生了较大的社会、经济和生态环境效益。与此同时，黄河下游河道普遍下切，河势与水沙形势发生了一些变化，使下游引黄涵闸引水条件与设计情况相比发生了变化，造成部分河段涵闸引水困难，需要保持较大的黄河流量才能满足沿黄涵闸引水对水位的要求。

通过对三刘寨引黄闸引水条件、闸前水位与引水流量关系的分析，得出该闸多年（2007-2011年）平均及P= 50%来水年（2010年）正常可引水量分别为8 931万m和8 395万m.平均引水流量分别为3.21m/s和3.19 m/s。

由于涵闸引水能力受河道冲淤变化影响较大，因此需要及时掌握河道冲淤变化，进一步完善计算方法。建议对黄河下游河段引黄涵闸引水能力进行跟踪研究，及时掌握黄河下游河段涵闸的引水能力及其变化过程，指导黄河干流水库和引黄工程的调度运行，提高黄河干流水量调度的科学性、针对性和时效性，最大限度地发挥黄河水资源的经济、社会及环境效益。

参考文献：

[1] 郑州市水利建筑勘测设计院，河南省农业综合开发中牟县三刘寨灌区节水配套改造项目可行性研究报告[R].郑州：郑州市水利建筑勘测设计院，2009：180-210.

[2] 黄河水利科学研究院，黄河下游引黄涵闸引水能力调研报告[R].郑州：黄河水利科学研究院，2015：21-35.

[3] 河南省水利科学研究院，中牟县三刘寨灌区中央湖引黄调蓄工程水资源论证报告[R].郑州：河南省水利科学研究院，2013：63-90.