黄河小北干流泵站水源脱流规律初探

口王培道

    一、概 况

    黄河小北干流，北起山西省河津禹门口，南至陕西省潼关。全长132.5km，平均河宽8.5km。河道面积1107km²，其中滩地面积657km²，河流面积450km²。主河出百余米宽 的禹门口峡谷后，骤然扩宽为数公里至十数公里的河漫滩，主流河道受平面形态、洪水泥沙、河床土质组成等边界条件的影响，具有许多特性。主要表现为主流摆动强烈，泥沙大量淤积，水位流量关系散乱，经常出现大流量低水位、小流量高水位的现象。

    该河段地处中纬度大陆季风带，受极地大陆气团和副热带海洋气团影响，四季分明，属大陆性半干旱气候。降雨年际变化大，年内时空分布又极不平衡，主要集中在7、8、9三个月，洪枯流量悬殊，最大流量10000m³／s有余，最小不足50m³／s。
近年来，受三门峡库区泥沙淤积的影响，河床有逐年加高的趋势，大体以每年lOcm的速度上升。

    二、着流规律

    1．河床演变的基本原理

    河床演变是指自然情况下或治理工程修建后河床发生冲淤变化的过程。其演变计算是依据输沙平衡原理，即流人某河段或某一区域的沙量与流出的沙量之差，应等于该河段或区域河床床面淤积或冲刷的沙量。其数学表达式为：

    式中，G_i、G_o分别为流人及流出河段或区域的输沙率；△t为历时；B、L分别为河段或区域的宽度与长度；△_Y为在时段△t内的河床或区域冲淤厚度(正为冲刷，负为淤积，零为不冲不淤)；P为淤积物的干密度。

    2．控制因素

    控制因素较多且比较复杂，但对于抽水泵站来讲并不注重具体河段具体河床的详细演变过程，其着眼点在于某一具体河段着流概率及影响因素。

    3．着流规律分析

    (1)小北干流河段脱流具有必然性

    黄河小北干流河道宽阔，河流面积占河道面积不足41％，开阔的河道面积为主流左右摆动提供了广阔的空间；纵坡坡度较缓，比降为1／3000左右，上游来水含沙量极大，洪枯流量悬殊，淤积严重，为主流迁移改道创造了必要条件。另外，黄河河床由松散深厚的粉细沙组成，对河流的弯曲发育没有太多的约束。综上所述，黄河小北干流段河床应变能力极强是该段河床的一大特点。正因如此，黄河主流在小北干流脱流即成必然。

    (2)小北干流河段着流具有对等性

    “三十年河东，三十年河西”形象地说明了河流在同一断面上着流于两岸的对等规律。

    对等规律亦可用图1的形式来表示。图1中线1表示某一时间的主流轨迹，线2表示若干年后的轨迹。
A点着流时A′点不可能着流，但若干年后，在水沙、气象等诸多因素联合作用下，河势产生滞后A′才会着流。不妨以某一时段为例进行分析(见图1)，不难看出：当左岸A点着流时并不等于右岸B′点不着流，同理，当右岸A′点着流时也不等于左岸B点不着流。换句话说，若放眼小北干流某一时段，不论“三十年河东”，还是“三十年河西”，左右两岸都会有着流点，只不过是着流点产生了位移而已。上述现象为泵站“多口取水”提供了有力支持。

    (3)对等规律的偏移

    为了兴利除害，黄河小北干流河段几十年来兴建了大量的治黄、引黄提水工程，人工建筑物的出现，对着流点的交替变化会产生促进或延缓的影响，使对等规律发生偏移。但受自然地理条件的影响，黄河的摆动不会停止，河流的蛇形运动规律不会改变。换句话说，左右两岸的着流点或增或减，但对等规律不会改变。

    三、泵站脱流原因

    由对等规律可知，黄河小北干流段，除禹门口一个节点外，其他节点均有脱流现象。人们在确定抽水站引水口时，仅仅权衡了某节点在大自然支配情况下的着流概率，至于工程修建之后对河势、流态可能产生影响，一般很难预测到。

    由式(1)可知，如果生产中一直抽水不止且水量较大，并强迫G_i=C_o，那么脱流的可能性就要小得多。但对于服务农业用水的抽水站而言，一般为季节性上水，上述条件不可能达到。

    第一种情况，脱流后水源水位能满足引水要求，多采用挖渠引水方式。在淤滩上挖的渠道，只能是宽浅式的，停水后，很快被淤积；待第二次开机时，再挖；如此循环。

    第二种情况，脱流后水位降落，不能自流引水。多采用泵船或岸边临时泵站提水以提高水位，输水渠道或者开挖新渠，或者整修老河槽。开挖新渠的运行结果与第一种情况类似；利用老河槽也会遭遇堵塞，当水源水位恢复后轻则影响过水，重则人为将水源赶跑。

    另外，在挖渠过程中往往会遇到涨河、落河，刚挖好的渠道大水一过全部淤平，落河后无法运行的情况。

    综上所述，泵站脱流有客观原因，亦有人为因素。但是人为因素的影响尚未引起足够的重视，仍在沿用“水跑人撵”的办法。

    四、解决泵站脱流的对策

    根据夹马口泵站多年运行经验，解决泵站脱流的办法，可用四十个字概括，即：因势利导，不可干扰；沿线连点，水跑不远；随机布站，多口提灌；化零为整，运行可靠；化整为零，搬迁逍遥。

    “因势利导，不可干扰。”首先，解决水源问题只可根据黄河流态、河势，顺其自然地进行疏导，绝不可围、追、堵、截(导)，否则年年建工程(指淤滩挖渠引水)岁岁无工程，从形式上看是挖渠引水，本质为一种人工搬沙工程。其次水源问题如果一定要靠工程解决，就必须充分考虑防汛、脱流、泥沙、柴草诸多因素的影响。第三，不能建成固定不变的站，必须满足取水口变化后泵站可以移动的要求。

    “沿线连点，水跑不远。”这是水源站输水渠的选线原则。线是指黄河水利委员会划定的治导线，岸边人工建筑物不可越过。点是指历史上黄河主流着岸点。各点连线即为引水渠走向，即相当于我们将图1中A′、B′、C′、D′、E′，连接起来修建一道引水渠，无论何年5个点中间总会找到着流点。实际会有偏移但不会太远。

    “随机布站，多口提灌。”黄河主流着岸点随机性很强。水源站必须根据着流情况搬迁，随时随地设站提灌。

    “化零为整，运行可靠。”“零”为泵组的一个单元体，即1台独立的浮体泵。“整”为浮体泵组，由3台浮体泵组成。由于“化零为整”后泵组几何尺寸增大，抵抗风浪能力增强，运行起来就更加稳固可靠。

    “化整为零，搬迁逍遥”。“化整为零”与“化零为整”操作过程相反。若遇水源脱流需搬迁时，浮体泵组即可解开。由于单台泵重量较轻，起重、装载、运输就方便得多了。

    黄河小北干流段山西侧修建抽水站的历史将近50年，脱流问题一直困扰着每一座抽水站。夹马口电灌站同其他抽水站一样，对泵站的建设一直坚持探索，历经了对黄河水源的围、追、堵、截(导)大混战，终于在1997年跳出了“年年修工程，岁岁无工程”的怪圈。随着河滩8km输水渠的贯通，吴王浮体泵站的建成投产，水源问题基本得到解决。