考虑引水与生态需求的黄河泺口至利津河段枯水期水流演进模拟研究

[摘要]本研究聚焦黄河泺口至利津河段枯水期水流状况，基于非恒定流理论，运用四点格式普林斯曼差分格式构建水流演进模型。全面纳入两岸引水与下游生态用水需求，深入模拟该河段枯水期水流，着重突显模型在缓解旱情和应急抗旱调度中的关键效能。研究表明，此模型能精准模拟实际水流，为黄河下游水资源科学调配、生态保护及抗旱减灾提供坚实依据。

[关键词]黄河泺口至利津河段；非恒定流理论；水流演进模型；枯水期；抗旱调度

一、引言

黄河作为中华民族的母亲河，对流域经济社会发展与生态平衡起着决定性作用。泺口至利津河段位于黄河下游，枯水期常深陷水资源短缺困境，旱情频发，严重威胁两岸工农业生产、居民生活及下游生态系统稳定。精准掌握该河段枯水期水流演进规律，对缓解旱情、高效开展应急抗旱调度意义重大。非恒定流理论可有效刻画水流复杂动态，借助该理论构建水流演进模型并应用于抗旱研究，极具现实紧迫性与重要性。

二、研究区域概况

黄河泺口至利津河段全长约168公里，地势平坦开阔，河道宽阔。枯水期流量小、水流缓。周边人口密集，工农业用水需求庞大，下游生态系统对水资源依存度极高。近年来，受气候变化与高强度人类活动双重影响，枯水期水资源短缺态势加剧，旱情风险显著攀升，给区域可持续发展带来严峻挑战[3]。研究河段具有的重要引黄闸26座，其中，邢家渡、簸箕李、簸箕李西、小开河、韩墩、打渔张、麻湾的引水能力大于等于50立方米每秒，有效灌溉面积超过900万亩。

三、非恒定流理论与模型构建

3.1 非恒定流基本方程

非恒定流遵循圣维南方程组，涵盖连续性方程与动量方程[2]。连续性方程为：

式中，为过水断面面积，为时间，为流量，为沿河道方向距离，q为旁侧入流或出流单宽流量。

动量方程为：

其中，g为重力加速度，h为水深，C为谢才系数，R为水力半径。

3.2 模型离散与数值求解

采用四点格式普林斯曼差分格式对圣维南方程组进行离散。将河道划分为多个计算单元，对各单元控制方程积分，获得离散化方程组。运用普林斯曼格式等数值方法求解，得到各单元不同时刻的水流参数，如流量、水位等。

3.3 模型边界条件与参数设置

模型上边界为泺口断面实测流量过程，下边界依据利津断面水位流量关系确定。糙率等参数参考大量同类研究成果，并结合本河段实际河道特性，如河床质地、河道形态等进行精细率定。两岸引水需求依据各引水口实际记录与用水规划，以旁侧出流形式融入模型。通过深入研究下游生态系统需水特性，设定利津断面最小生态流量，确保下游生态用水需求。

四、模型在缓解旱情和应急抗旱调度中的应用

4.1 旱情监测与评估

借助模型实时模拟水流状态，结合实地监测数据，能精准掌握枯水期河道水量动态变化。一旦流量、水位等关键指标低于正常阈值，可迅速判定旱情发生区域与严重程度。例如，2024年7～8月，我国华北、黄淮等地发生严重旱情，黄河水利委员会实施应急抗旱调度。模型模拟结合实测数据发现，研究河段因上游来水锐减与大规模引水，流量急剧下滑，经模型深度分析，确定该区域处于重度旱情，为后续抗旱举措制定提供关键依据。

4.2 水资源调配方案制定

旱情发生时，利用模型模拟不同引水策略对河道水流的影响。依据两岸需水优先级，如保障居民生活用水优先，兼顾工农业生产用水，同时坚守下游生态流量红线，优化水资源配置。模拟关闭部分非关键农业引水口，在保障居民生活与生态用水基础上，优先满足高产值工业用水需求。通过对比不同方案下水流演进结果，筛选出最佳水资源调配策略，最大程度缓解旱情对经济社会的冲击。

4.3 应急抗旱调度模拟

模型可模拟应急抗旱措施实施后水流的实时响应。如模拟上游水库加大泄流后，泺口至利津河段流量、水位的动态变化，评估对旱情缓解效果。经多次模拟不同泄流方案，确定既有效缓解旱情，又保障下游生态安全的最优水库泄流方案。在2024年应急抗旱调度事件中，基于模型模拟确定的水库泄流方案，成功缓解下游部分地区旱情，守住了生态用水底线。

五、模拟结果与分析

5.1 水流演进模拟结果

模型模拟出枯水期不同时刻河段内流量、水位变化情况。结果显示，枯水期初期，随上游来水减少，流量和水位同步下降，引水口附近变化尤为显著。在综合考虑下游生态用水与抗旱调度措施后，利津断面流量能稳定维持在一定水平，保障生态基本需求。

5.2 模型在抗旱中的效果验证

对比实际抗旱期间水流实测数据与模型模拟结果，发现两者高度吻合。实施特定抗旱调度措施后，实际水位、流量变化趋势与模型预测一致。如在2024年应急抗旱调度中，模型预测实施水资源调配方案后，预计利津附近水位将上升0.3米，实际监测结果显示水位上升0.25米左右，误差在可接受范围，有力验证了模型在指导抗旱调度方面的可靠性与有效性。

六、模型验证

收集枯水期多个断面实测流量和水位数据，与模型模拟结果细致对比。在利津断面，实测流量与模拟流量平均相对误差为10%，水位平均绝对误差为0.1米，模拟值与实测值变化趋势高度一致，表明模型能精准模拟该河段枯水期水流演进，为抗旱相关研究提供值得信赖的工具。

七、结论与展望

本研究构建的水流演进模型，充分考量两岸引水与下游生态用水需求，在缓解旱情和应急抗旱调度中展现出强大效能。通过模型实现旱情实时监测评估、水资源调配方案优化以及应急抗旱措施效果模拟。研究成果为黄河下游枯水期抗旱决策提供科学支撑。

展望未来，应进一步探究气候变化、河道演变等因素对水流的长期累积影响，持续完善模型。强化模型与实时监测系统深度融合，实现更精准、高效的旱情预警与抗旱调度，为黄河流域可持续发展筑牢根基。（童国庆）