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标题 嘎海山水库水文泥沙特性分析
范文 王志勇+马力蛟+高祥平+包曙明+王欣


摘要：根据三家子水文站1957年-2007年的资料，采用水文比拟法，通过面积比推算出嘎海山水库坝址处多年平均径流量及洪峰洪量。运用该站1973年-2007年、1973年-1987年共50年泥沙资料，通过面积比法推求出水库坝址处多年平均输沙量。点绘三家子站历年径流量与年输沙量年际变化过程线，发现径流量和沙量的相应关系较好。通过对养畜牧河上嘎海山水库水文泥沙特性分析计算，为确定多泥沙河流水库特征值提供了解决途径。
关键词：嘎海山水库；水文；泥沙；特性分析
中图分类号：TV145文献标志码：A文章编号：
1672-1683（2015）001-0021-04
Analysis of hydrological and sediment characteristics of GaHaishan reservoir
WANG Zhi-yong1，MA Li-jiao1，GAO Xiang-ping1，BAO Shu-ming1，WANG Xin2
（1.Tongliao City Water Conservancy Planning Design and Research Institute，Tongliao 028000，China；
2.Tongliao City of Jimuren Water Conservancy Project Management Office，Tongliao 028000，China）
Abstract：According to the data of 1957-2007 of Sanjiazi hydrological station，calculated using hydrologic assimilation method，by the area ratio deducing mean annual runoff and the peak flood discharge of the dam site engineering.using sediment data of 50 years in 1973-2007 and 1973-1987 of Sanjiazi hydrological station，by the area ratio deducing mean average sediment discharge of dam site of ga hai shan reservoir. By plotting the interannual change process line of annual runoff and annual sediment discharge of Sanjiazi hydrological station，water and sand of the whole series has a certain corresponding，showing the corresponding relationship between runoff and sediment discharge is better.Through analyzing and calculating hydrological and sediment characteristics of raising livestock river，in order to provide an effective mean to solve the problem of determining reservoir characteristic parameter of sediment-laden river.
Key words：Gahaishan reservoir；hydrological；sediment；specificity analysis
1水文概况
嘎海山水库位于柳河流域一级支流养畜牧河上，柳河是辽河中下游右侧一条多泥沙支流，发源于内蒙古自治区奈曼旗的双山子，流经内蒙古的库伦旗、科左后旗及辽宁省的彰武县、新民县等六个旗县，于新民城南王家窝卜注入辽河。全流域分布在东经120°-124′，北40°-44′之间，全长297 km，流域面积5 798 km2。
养畜牧河发源于打鹿山，流经六家子、哈尔稿、下养畜牧和三家子等苏木，于闹得海水库上游敖伦苏汇入柳河。养畜牧河流域面积约1 100 km2，河长1365 km，其中嘎海山坝址以上控制面积为373 km2。养畜牧河河槽的特征是U型，窄而深，弯曲不大，河宽80～200 m，深20～30 m，河道平均比降184‰，河槽附近地下水有下降趋势。
该地区属大陆性寒温带季风性半湿润、半干旱性气候，具有较强的大陆性气候特征。其特点是四季分明，太阳辐射强烈，日照丰富，气温日差较大。春季干旱多风，夏季短促炎热，雨量集中，秋季凉爽，气温变化剧烈，大风频繁。
根据邻近库伦气象站（1957年-2007年）的气象资料统计分析，其气象要素特征：该地区多年平均气温67 ℃，年内1月份最低，平均气温-133 ℃，极端最高气温389 ℃，极端最低气温-303 ℃。多年平均降水量40839 mm，多年平均蒸发量9407 mm，多年平均最大风速为179 m/s。多年平均日照时数为2 9081 h，稳定≥10℃积温为3 0708 ℃，最大冻土深度为178 cm（1969年）。初霜日期一般在十月中旬，终霜日期一般在三月中下旬，无霜期140～170 d。
2水文测站情况
流域内水文测站有三家子站、石门子站和白庙子站，气象站有库伦气象站。
养畜牧河三家子站1956年7月设站，观测至今，其中1962年缺测；扣河子石门子站1956年7月设站，观测至今；铁牛河白庙子站1956年7月设站，于2002年又将白庙子水文站迁移至原基本水尺断面上游1 km处进行测验，观测至今，其中1961年-1963年缺测；库伦气象站1935年建站，观测至今。
本次设计各站资料均已超过40年，满足规范要求。
根据辽宁省院现场查勘并结合地形图确定的洪水时不产流的面积，把各水文站集水面积分为常年和洪水期两种情况，本次洪水期集水面积沿用辽宁院数据，三家子水文站及嘎海山水库坝址以上集水面积需扣除莫河沟水库的集水面积135 km2，即三家子水文站常年集水面积为690 km2，洪水期集水面积为6636 km2、嘎海山水库坝址以上集水面积为373 km2。各水文站集水面积详见表1。
表1各水文站集水面积
河名站名
集水面积/km2
洪水期常年
河长/km比降（‰）
养畜牧河三家子663.66901032.7
扣河子石门子2 4052 4051212.11
铁牛河白庙子34134148.64.07
养畜牧河嘎海山水库373373391.98
于经济及防洪的需要，自1966年起，在养畜牧河的干、支流上相继修建了20几座水库及拦沙塘坝，其中集水面积最大的莫河沟水库，于1968年11月建成，集水面积135 km2，设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为1000年一遇，主坝截断河道，其洪水通过新泄洪线进入河以北的坨甸区，最终不回养畜牧河。由此可知莫河沟水库建库前三家子水文测站所测的资料成果是包括莫河沟水库集水面积在内的整个上游产生的径流、洪水及泥沙，而莫河沟水库建库后由于莫河沟水库的拦截作用导致三家子水文测站所测的资料成果是莫河沟水库至三家子水文站的区间径流、泥沙及泥沙，考虑到三家子水文站资料的一致性，本次设计对三家子水文站1968年以前的径流、洪水及泥沙资料采用水文比拟法折算至区间，与1968年以后的径流、洪水及泥沙资料保持一致。
3流域水文特征
流域内径流的年际变化较大，例如扣河子石门子站最大径流量57 110万m3（1963年），最小径流量2 324万m3（2006年），两者相差约25倍；铁牛河白庙子站最大径流量6 336万m3（1963年），最小径流量37万m3（2001年），两者相差约171倍；养畜牧河三家子站最大径流量13 474万m3（1963年），最小径流量4 966万m3（2007年），两者相差约3倍。养畜牧河三家子站径流年内变化不大，春季3月-5月径流量占全年径流量的3054%，汛期6月-9月的径流量占全年径流量的4141%，枯水期10月至翌年2月，这5个月的径流量占全年径流量的2805%。各站多年平均年径流年内分配见表2。
表2各站多年平均年径流年内分配（%）
月份123456789101112合计
石门子0.5 0.4 9.5 9.6 3.8 9.0 32.8 19.0 6.3 4.9 3.4 1.0 100.0
白庙子0.9 1.2 5.9 6.0 7.3 12.7 32.4 16.0 10.0 4.1 2.0 1.6 100.0
三家子3.8 4.1 10.6 11.6 8.4 9.2 12.0 11.4 8.8 8.0 7.2 4.9 100.0
4径流频率分析计算
（1） 单站年径流计算。
利用各站年径流系列采用矩法进行计算，通过适线进行调整统计参数，得出各站的年径流频率计算成果，见表3。
表3各站设计年径流计算成果
站名流域面积/km2均值/万m3CvCs/Cv
Wp（%）507595
三家子6907 8920.222.57 7346 6515 332
石门子2 40512 1210.762.59 408 5 505 3 058
白庙子3411 7450.772.51 345 782 435
（2） 嘎海山水库坝址以上年（月）径流系列和设计年径流计算。
嘎海山水库位于三家子站上游20 km处，水库坝址以上流域面积373 km2，三家子站流域面积690 km2。根据《水利水电工程水文计算规范》SL 278-2002中要求，工程地址与设计依据站的集水面积相差不超过15%，且区间降水和下垫面条件与设计依据站以上流域相似，可以采用水文比拟法进行计算，通过面积比推算工程地址的径流量。嘎海山水库与三家子站的流域面积虽然相差459%超过《水利水电工程水文计算规范》SL 278-2002的要求，但两者在同一河流为上下游两个断面，降水和下垫面条件基本相同。
（3）嘎海山水库设计年径流年内分配。
根据三家子站的设计年径流的计算成果，在三家子站1957年-2007年径流系列中选择典型年，依据典型年的各月径流占年径流量的百分比，将嘎海山水库设计年径流按同倍比缩放，求得嘎海山水库的设计年径流的年分配过程见表4。
表4三家子站、嘎海山水库设计年径流年内分配计算成果
P（%）项目123456789101112合计
507595
典型年（1960年）（%）2.73.89.39.76.811.315.514.69.18.76.52.0100
三家子/万m3206297719751529877119811287036695041547 734
嘎海山水库/万m3111161389406286474648610380362272834 181
典型年（2004年）（%）4.44.411.48.18.18.619.08.46.47.48.35.4100
三家子/万m329429576153953857112665574294895523596 651
嘎海山水库/万m31591604112912913096843012322652991943 595
典型年（2006年）（%）5.35.012.812.78.78.410.27.78.08.08.05.3100
三家子/万m32832686816774664485454084274254242805 332
嘎海山水库/万m31531453683662522422942212312302291522 883
根据《通辽市水资源可持续利用规划》，该区综合补给模数为262 m3/km2，可开采系数05，可开采模数为131万m3/km2。嘎海山水库区域面积为373 km2，则年综合补给量为97726万m3/年，可开采量为48863万m3/年。
本区地下水化学类型单一，库区外围为HCO3-Ca 型水，矿化度小于05 g/L，河谷地下水化学类型为HCO3-Ca型水，矿化度小于05 g/L。地下水动态类型简单，为大气降水渗入-迳流型，年水位变幅约15 m。
5洪水
柳河流域受海洋季风的影响，暴雨发生在6月-9月，大暴雨集中在7月、8月份，主要雨量集中在一天内，形成暴雨的主要天气系统有华北气旋、高空槽等。
与暴雨相应，洪水也发生在6月-9月，大洪水集中在7月-8月，洪水多为单峰型，个别年份有双峰出现，因暴雨集中，河槽调蓄作用小，洪峰陡涨陡落尖瘦，涨洪历时较短，从起涨到峰顶在12 h左右，洪峰滞时约1 h，洪峰退水历时略长，在60 h左右。一次洪水历时3 d，主要洪量集中在24 h以内。一日洪量占三日洪量的67%。
嘎海山水库位于柳河流域一级支流养畜牧河上。1963年柳河流域发生了全流域性的大洪水，三大支流中，扣河子河、养畜牧河及铁牛河均发生了有记录以来的最大洪水，其中扣河子石门子水文站洪峰流量达7 000 m3/s，养畜牧河三家子水文站洪峰流量达966 m3/s，铁牛河白庙子水文站洪峰流量达729 m3/s，三站1963年最大洪峰及一日洪量见表5。
表5柳河各站1963年洪水情况
站名扣河子河石门子站养畜牧河三家子站铁牛河白庙子站
洪峰/（m3·s-1）7 000966729
一日洪量/万m315 1472 9301 339
1993年由辽宁院完成的《柳河流域规划水文分析报告》中对上述三站均进行了历史洪水调查，并且确定了上述各站1963年洪水的重现期，其中石门子站1963年洪水重现期为128年，三家子站1963年洪水重现期为43 a，白庙子站1963年洪水未做特大值处理。
上述三站洪水重现期的计算是以1989年为基准的，根据本次设计收集到的上述三站1957年-2007年实测洪水资料，1963年洪水仍为各站首位，因此，将各站洪水重现期顺延至今，见表6。
表6柳河各站1963年洪水重现期
河名站名1993年柳河规划重现期/a本次设计重现期/a
扣河子河石门子128146
养畜牧河三家子4361
铁牛河白庙子未做特大值处理未做特大值处理
统计参数采用矩法初步估算，用适线法调整初步估算的统计参数，各站设计洪水计算成果见表7。
嘎海山水库坝址处无实测洪水资料，在该河下游20 km处有三家子水文站，具有1957年-2007年共计51年洪水资料，且三家子水文站与嘎海山水库坝址处下垫面条件一致，故本次设计采用水文比拟法推求设计洪水。
根据通辽市水利勘察设计院所做的通辽市南部山区地区综合公式可知：洪峰面积指数n=062，一日洪量指数n=084，三日洪量指数n=095。
a.洪峰。嘎海山坝址处的洪峰按面积比的062次方从三家子水文站换算，Cv、Cs值直接采用三家子站成果。
b.洪量。嘎海山坝址处的一日、三日洪量采用面积比的084及095次方从三家子水文站换算，Cv、Cs值直接采用三家子水文站成果。
由于养畜牧河上的莫河沟水库的洪水通过新泄洪线进入坨甸区，最终洪水不回养畜牧河，因此，本次计算嘎海山水库坝址以上控制流域面积需扣除莫河沟水库所控制的流域面积135 km2，即嘎海山水库坝址以上控制流域面积为373 km2。嘎海山水库按水文比拟法计算的设计入库洪峰、洪量见表8。
表8嘎海山水库水文比拟法洪水成果
6泥沙特性分析
养畜牧河三家子站具有1957年-2007年输沙量及年平均含沙量，其中1962年缺测，1959年、1963年、1965年资料缺失，需进行插补泥沙资料。
养畜牧河河源区以黄土丘陵为主，坡面水土流失严重，河道重力侵蚀尤为强烈，是洪水泥沙主要来源。嘎海山水库坝址控制面积373 km2（已经减去莫河沟水库135 km2），嘎海山水库下游20 km处为三家子水文测站（控制面积690 km2已经减去莫河沟水库135 km2），另外养畜牧河流域1983年开始水土保持建设，从20世纪90年代开始对控制水土流失也起到控制作用。嘎海山水库上游20 km处1969年建成了莫河沟水库（中型）控制面积135 km2，所以1969年以后沙量减少较多，并且莫河沟水库与拟建的嘎海山水库均为中型水库，设计标准一致，所以在本次计算中重点考虑1969年以后的资料系列，本次计算采用1973年至2007年和1973年至1987年共50年的计算序列，进行分析计算得多年平均入库沙量。
（1） 输沙量的年际、年内变化。
本流域的泥沙主要来源于洪水，因此输沙量年际、年内变化较大，沙量一般随着水量的增大而增大，泥沙主要集中在汛期6月-9月，其中7月-8月所占比重较大，年际间输沙量相差悬殊。
根据三家子站1973年-2007年、1973年-1987年泥沙资料分析，多年平均输沙量为1489万t/年，1984年年输沙量最大为954万t，1999年年输沙量最小为6.20万t，最大和最小两者相差近15387倍。最大值是多年均值的64倍，年内6月-9月的输沙量占全年输沙量8271%，其中7月-8月占全年输沙量的6590%。以上说明了三家子站的泥沙年内年际变化较为显著，三家子站输沙量年内分配见表9。
表9三家子站输沙量年内分配表
月份123456789101112合计
分配比例（%）0.3 0.2 1.2 6.0 4.0 8.5 34.5 31.4 8.3 3.1 2.2 0.4 100.0
（2） 含沙量的年际、年内变化。
根据三家子站1973年-2007年实测含沙量资料的统计分析，含沙量的年际变化较大，多年平均含沙量为3253 kg/m3，实测最大断面含沙量为1 470 kg/m3（1984年8月11日），实测最小断面含沙量为0003 kg/m3（1974年11月17日），两者相差1 469997 kg/m3，泥沙侵蚀模数3 704 t/km2。
（3）年径流量与沙量的关系。
通过点绘三家子站历年径流量与年输沙量年际变化过程线，整个系列水和沙有着一定的相应性，年径流量与沙量的关系式为y = 1E-18x5121（R2=0683），说明径流量和沙量的相应关系较好，即大水年输沙量亦大，小水年输沙量也小。
（4）泥沙变化特性。
从养畜牧河三家子站泥沙资料来看，多年平均输沙量为14859万t，年平均含沙量为1850 kg/m3。从1973年-2007年其平均含沙量存在逐年代递减的趋势，见表10。从多年平均输沙量变化过程也可看出递减的趋势，这与1983年库伦旗开始了小流域水土保持治理工作是分不开的，从部分观测资料显示，水土流失程度逐步减弱，可见治理工作目前已有成效。
综上所述，本地区泥沙的变化是一致的，流域植被的变化直接影响了沙量的变化。
表10三家子站各年代平均含沙量统计
站
各年代平均含沙量/（kg·m-3）
70年代80年代90年代21世纪初①/②②/③③/④
①②③④⑤⑥⑦
三家子22.1326.7512.105.570.832.212.17
（5）三家子站水沙系列的代表性分析。
根据计算的年径流模比系数可以划分出丰、平、枯水年份，一般情况是以K≥12的年份为丰水年，08平水年份所占比例较大，丰水年年径流均值是枯水年年径流均值的130倍，丰水年年径流的均值是全系列年径流均值的124倍，枯水年年径流的均值是全系列年径流均值的095倍。从以上分析说明年径流系列有明显丰、平、枯变化规律，三家子站年径流系列具有一定的代表性。
绘制三家子站年径流量-年输沙量关系变化曲线见图1，由图1可知，大水伴随大沙，小水伴随小沙，水沙同步性较好。说明本次拟选的1973年-2007年、1973年-1987年水沙系列代表性较好。
图1三家子水文站年径流-输沙量关系
7嘎海山水库坝址泥沙计算
根据三家子站1973年-2007年、1973年-1987年共计50年泥沙资料通过面积比法推求嘎海山水库坝址处输沙量多年平均为6036万m3。
8结语
养畜牧河河源区以黄土丘陵为主，坡面水土流失严重，河道重力侵蚀尤为强烈，是洪水泥沙主要来源，输沙量年际、年内变化较大，沙量一般随着水量的增大而增大，泥沙主要集中在汛期6月-9月，其中7月-8月所占比重较大，年际间输沙量相差悬殊。通过养畜牧河水文泥沙特性分析计算，为确定多泥沙河流水库特征值提供了一条行之有效的解决途径。
参考文献：
[1]张红武，吕昕.弯道水力学[M].水利电力出版社，1993.
[2]张红武，张清.黄河水流挟沙力的计算公式[J].人民黄河，1992（11）.
[3]舒安平.水流挟沙力公式的验证与评述[J].人民黄河，1993（1）.
[4]江恩惠.黄河水流挟沙力计算方法研究现状[A]. 黄科院第四届青年学术讨论会论文集[C].1992.
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更新时间：2025/3/10 17:19:54