梁聪聪 刘晓雪
（1.黄河水利委员会水文局，郑州 450004；
2.黄河水利委员会河南水文水资源局，郑州 450004）
受大陆性季风气候影响，黄河宁蒙河段冬季寒冷而干燥，大部分河段为稳定封冻河段。宁蒙河段首凌多出现在11 月中下旬，首封多出现在11 月下旬至12 月上中旬[1]。宁蒙引黄灌区地处我国西北内陆干旱半干旱地区，降水稀少，蒸发强烈，当地地表径流量很小，农业灌溉主要依靠引黄河水。由于洗盐压碱的需要和便利的引水条件，宁蒙引黄灌区形成了“大引大排”的灌溉特点。宁蒙灌区灌溉方式对河段河道流量变化影响显著，加之河段流凌封河期与灌区冬灌期有交叉，故灌区冬灌期引退水势必将影响河段流凌及封河形势。
黄河宁蒙河段冬季无支流加水，可利用水量平衡方法对比河段进出口控制站流量变化过程，分析灌区引退水规律。选取下河沿、石嘴山和头道拐3个水文断面作为河段分析节点断面，下河沿和石嘴山作为上河段的进出口断面、石嘴山和头道拐分别作为下河段的进出口断面。考虑水流传播时间对河段进出口断面日均流量进行差值计算。下河沿—石嘴山段水流传播时间为3～5 d[2]，石嘴山—头道拐段水流传播时间为6～9 d[3]。
在无支流汇入、引退水影响和工程调蓄等影响的河段中，受蒸发、下渗等水量损耗影响，河道流量在演进过程中逐渐减小，进出口断面差值计算结果一般为正值，且比较稳定。灌区引水时，出口断面流量明显减小，差值增大。灌区退水时，出口断面流量增加，差值减少，退水量大于流量损失时出现负值。退水期结束差值则恢复至损失流量。
2.1 引退水影响时段分析
黄河宁蒙河段引水和退水具有重合期，往往引水未结束灌区退水口已开始退水。根据引流量差值变化情况将引退水期设3个时间节点，差值明显增大作为引水影响期开始时间。之后引水减少，退水增大时，当差值等于损失流量时，退水作为河道流量变化的主要因素，当前时刻作为引水影响期结束退水影响期开始时间节点。再往后退水开始逐渐减小，差值恢复至损失流量时刻作为退水影响期结束时间节点。
据分析，上、下两段河段冬灌期退水对河道流量的影响结束时段分别为12月初、11月中下旬。下河沿—石嘴山河段退水对河道流量影响的结束时间相对稳定，且基本不受区域降水和上游来水的影响（图1）。石嘴山—头道拐河段退水对河道流量影响的结束时间各年波动较大，并有推迟的趋势，与区域降水和上游来水情况关联也不大（图2）。
图1 下河沿—石嘴山河段退水结束期与区域降水和上游来水关系分析
2.2 引退水水量和峰值分析
下河沿—石嘴山河段引水期，上游进口断面多年平均径流量为23亿m3左右，出口断面多年平均径流量为16亿m3左右，径流量减少约7 亿m3左右。石嘴山—头道拐河段10月下旬至引退水结束，上游进口断面多年平均径流量为25亿m3左右，出口断面多年平均径流量为14亿m3左右，径流量减少约10亿m3左右（图3）。
图3 河段引水量对比图
引（退）水期河道流量差的峰值反映引（退）水对河道流量削减（补给）的最大值，是分析引水造成河段流量波动的重要指标之一。据分析，下河沿—石嘴山河段引水和退水造成流量差的峰值分别为上游断面相应流量多年均值的一半和3 成。石嘴山—头道拐河段各年的退水峰值可占出口断面相应流量的10%～60%（图4）。
图4 石嘴山—头道拐河段退水峰值百分比
2.3 突变诊断
分别对上下两段河段的引水和退水峰值进行突变检验，采用Mann-Kendall非参数统计法，计算公式[4]为：
其中
式中：xi，xj为分析序列第i、j年的样本值；
rj为第i年数值大于j年数值个数的累计数；
dk为xj的累计数；
E(dk)为累计数dk的均值；
var(dk)为累计数dk的方差。
顺序时间序列的秩序列计算UFk，逆序时间序列计算的秩序列计算UBk，给定显著性水平α=0.05，对于临界值为U0.05=±1.96，将UFk和UBk两个统计量序列区间曲线与U0.05=±1.96 两条直线绘制在一个平面直角坐标系上（图5）。检验情况表明下河沿—头道拐河段引水和退水峰值均没有发生突变，石嘴山—头道拐河段退水峰值过程在2013 年发生突变。突变原因初步分析是受海勃湾水库下闸蓄水影响，海勃湾水库是一座防凌、发电的综合性水利枢纽工程，水库于2013—2014 年度凌汛期开始下闸蓄水，并应用于凌汛期防凌调度。
图5 河段引退水突变分析
2.4 引退水对下游断面流量波动影响分析
受上游水库防凌调度影响下河沿断面流量于11月上旬开始减少，11 月下旬达到低点之后保持平稳。石嘴山断面受上游水库及石嘴山以上河段引退水双重影响，流量于10月下旬开始提前减少，11月中旬降至低点，之后略有回升并保持平稳。
石嘴山—头道拐河段在上游来水和引退水的影响下，巴彦高勒、三湖河口、头道拐三站水文断面10月流量为石嘴山断面的3～6成，且呈现缓慢减小。进入11月，石嘴山—头道拐河段流量开始有所回升，回升幅度为4成左右（图6）。
图6 各断面引退水期流量过程
波动系数作为反应出口断面相对进口断面波动的大小的值。波动系数越大，反应出口断面流量受引退水影响后流量波动程度越大。据对比分析上下两段河段出口断面受引退水影响的波动程度有下降趋势（图7）。上段波动程度较下段小且逐年系数较为集中，反应上段河段各年引退水情况较为下段稳定，变化较小。
图7 断面波动程度分析
（1）黄河宁蒙河段冬灌期引退水多集中在9月上旬至11月下旬，与流凌封河期具有交叉时段。根据统计，有40%年份的首凌日出现在引退水期，10%年份首封日出现在引退水期。
（2）黄河宁蒙段部分河段冬灌期引退水对河段的影响有推迟的趋势。下河沿—石嘴山河段引退水对河道的流量影响的起止时间相对稳定。石嘴山—头道拐河段引退水对河道流量的影响时间有推迟的趋势。
（3）宁蒙河段引退水峰值较大，退水有减少趋势。引退水峰值的上游断面相应流量3～5 成左右。2010 年之前引退水峰值与上游来水关系密切，上游来水多的年份引水峰值一般会偏大。2010年之后引退水峰值与上游来水关系不大，尤其近几年上游来水明显偏多，但引退水峰值较为平稳。退水峰值自2013年起明显下降。
（4）受海勃湾水库下闸蓄水及防凌运用影响，石嘴山—头道拐河段引水峰值经检验出现突变。
（5）引退水致使下游断面径流量明显减少，且影响下游河段各水文断面流量过程。下河沿—石嘴山段径流量减少约3～6 成左右，石嘴山—头道拐段减少4 成左右。同时使得下游断面流量提前减少，并出现峰值不等的流量波动。
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