黃河寧蒙河段沖淤時空分布特征與淤積原因

安催花，魯 俊，錢 裕，羅秋實，崔振華

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003）

黃河上游寧蒙河段自寧夏下河沿至內(nèi)蒙古頭道拐全長990 km，受兩岸地形控制，形成峽谷河段與平原河段相間出現(xiàn)的格局，其中內(nèi)蒙古巴彥高勒至頭道拐河段是典型的平原沖積性河段。1986年以來寧蒙河段尤其是內(nèi)蒙古巴彥高勒至頭道拐河段河道淤積萎縮嚴重［1］，嚴重威脅寧蒙河段防洪防凌安全［2-3］，先后發(fā)生了6次凌汛決口和1次汛期決口，防凌形勢十分嚴峻。河道沖淤與凌汛關(guān)系密切［4-5］，是影響凌情變化的重要影響因子，研究寧蒙河段淤積時空演變特征與成因，有助于寧蒙河段治理措施科學(xué)合理制定。

1 河道沖淤量計算

利用實測資料進行河道沖淤量計算［6～9］常用的方法有兩種，一是利用相關(guān)河段的輸沙率或沙量資料采用沙量平衡原理計算河道沖淤量，稱為沙量平衡法；二是利用實測大斷面資料計算河道沖淤量，稱為斷面法。由于寧蒙河段已有資料尤其河道淤積觀測資料相對較少，給河道沖淤量分析帶來一定困難。本次采用兩種方法同時對寧蒙河段實際發(fā)生的沖淤量進行了計算。

1.1 沙量平衡法沖淤量沙量平衡原理即所有進入河道的沙量之和等于從河道出去的沙量之和加上河道沖淤量。進入寧蒙河段的沙源較為復(fù)雜，包括干流進口沙量、區(qū)間支流來沙量、區(qū)間灌區(qū)退沙量以及區(qū)間入黃風積沙量；從河道出去的沙量包括河段干流出口沙量、區(qū)間灌區(qū)引沙量。沙量平衡公式如下：

則：

式中：ΔWs為某河段沖淤量，億t；Ws進為某河段進口沙量，億t；Ws支為某河段支流來沙量，億t；Ws退為某河段灌區(qū)排水溝退沙量，億t；Ws出為某河段出口沙量，億t；Ws引為某河段灌區(qū)引水渠引沙量，億t；Ws風為某河段入黃風積沙量，億t。

在對以上各個計算因子資料補充收集、梳理、分析完善的基礎(chǔ)上，利用上述公式分別對下河沿至石嘴山段（寧夏河段）、石嘴山至巴彥高勒段、巴彥高勒至三湖河口段、三湖河口至頭道拐段的沖淤量進行了計算，得到寧蒙河段沙量平衡法沖淤量成果（見表1）。

表1 寧蒙河段沙量平衡法沖淤量 （單位：億t/a）

1.2 斷面法沖淤量斷面法沖淤量計算是利用不同時期河道大斷面測驗資料，計算斷面沖淤面積變化，在此基礎(chǔ)上按照錐體法計算相鄰斷面沖淤量，公式形式如下：

式中：V為相鄰斷面間河道沖淤體積，m3；Su、Sd分別為上、下游相鄰斷面的沖淤面積，m3；L為相鄰斷面間距，m。

根據(jù)寧蒙河段不同時期斷面觀測資料情況，按照斷面法計算得到寧蒙河段沖淤量成果（見表2）。

將斷面法沖淤量與沙量平衡法沖淤量進行對比表明（見表3），1990年代以來寧蒙河段斷面法計算年均淤積量為0.541億t，其中寧夏河段淤積0.089億t、內(nèi)蒙古河段淤積0.452億t；輸沙率法計算年均淤積量為0.487億t，其中寧夏河段淤積0.073億t、內(nèi)蒙古河段淤積0.414億t，兩種方法計算結(jié)果比較接近。由于兩種方法采用資料性質(zhì)和各自應(yīng)用資料條件限制，使得兩種方法計算結(jié)果各有特點。寧蒙河段沙量平衡法沖淤量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是水文站日資料，在時間尺度上連續(xù)性好，可給出詳細的時段成果，但在空間尺度上表達性差，不能給出灘槽沖淤量或非水文站斷面間的沖淤量；斷面法沖淤量在空間尺度上連續(xù)性好，可給出沙量平衡法不能給出的灘槽沖淤量或非水文站斷面間的沖淤量，但受觀測次數(shù)限制，不能給出詳細的時段成果。因此，利用兩種方法相互補充對寧蒙河段淤積時空分布特征進行深入剖析。

表2 寧蒙河段斷面法沖淤量 （單位：億t/a）

表3 寧蒙河段斷面法、輸沙率法沖淤量計算成果對比 （單位：億t/a）

2 河道沖淤時空分布特征

2.1 河道淤積時間分布特征從1960年以來沖淤量時間尺度上的變化看（見圖1），1980年代以前寧蒙河段沖淤交替，略有沖刷，1960—1968年年均沖刷0.327億t。80年代中期以后寧蒙河段淤積加重，發(fā)生持續(xù)淤積，1969—1986年、1987—2012年年均淤積量分別為0.210億t、0.605億t。

1968年以前，寧蒙河段汛期年均沖刷量0.369億t，非汛期淤積0.042億t。1969—1986年，寧蒙河段汛期、非汛期均表現(xiàn)為淤積，汛期、非汛期淤積量分別為0.029、0.181億t，以非汛期淤積為主，汛期淤積量只占全年淤積量的13.8%。1987—2012年寧蒙河段淤積加重，汛期、非汛期淤積量分別為0.476億t、0.129億t，汛期淤積轉(zhuǎn)化為全年淤積的主體，占全年淤積量的78.2%。表明寧蒙河段不同時期年內(nèi)的沖淤分配不同，1987年以來淤積加重主要發(fā)生在汛期（見圖2）。

圖1 寧蒙河段年沖淤量和累積沖淤量變化

圖2 寧蒙河段沖淤量汛期、非汛期變化

2.2 河道淤積空間分布特征

2.2.1 縱向淤積分布 1969—1986年寧夏河段、內(nèi)蒙古河段年均淤積量分別為0.018億t、0.192億t，內(nèi)蒙古河段淤積量占寧蒙河段該時期淤積總量的91.4%，其中內(nèi)蒙古河段石嘴山至巴彥高勒河段、巴彥高勒至三湖河口河段、三湖河口至頭道拐河段年均淤積量分別為0.084億t、-0.030億t、0.138億t，三湖河口至頭道拐河段淤積量占該時期寧蒙河段淤積總量的65.7%。1987—2012年寧夏河段、內(nèi)蒙古河段年均淤積量分別為0.072億t、0.534億t，內(nèi)蒙古河段淤積量占寧蒙河段該時期淤積總量的88.3%，其中石嘴山至巴彥高勒河段、巴彥高勒至三湖河口河段、三湖河口至頭道拐河段年均淤積量分別為0.039億t、0.129億t、0.366億t，三湖河口至頭道拐河段淤積量占該時期寧蒙河段淤積總量的60.5%。可以看出，1980年代中期以后寧蒙河段淤積加重主要集中在內(nèi)蒙古沖積性河段巴彥高勒至頭道拐河段（見圖3），尤其是三湖河口至頭道拐河段。

圖3 寧蒙河段沖淤量縱向分布

2.2.2 橫向淤積分布 根據(jù)斷面法沖淤量分析灘槽淤積比例變化（見圖4），1962—1982年巴彥高勒至頭道拐河段灘地淤積、主槽沖刷（見典型斷面圖5），主槽年均沖刷量為0.181億t；1982—1991年，主槽、灘地同步淤積（見典型斷面圖6），分別為0.213億t、0.166億t，灘槽淤積比例基本相當，主槽淤積比例為56.2%；1991—2000年主槽淤積比例加大（見典型斷面圖7），主槽淤積量0.473億t、灘地淤積量0.067億t，主槽淤積比例為87.6%；2000年至2012年，巴彥高勒至頭道拐河段年均淤積泥沙0.385億t，其中主槽淤積量為0.293億t，占淤積總量的76.1%，灘地年淤積量為0.092億t，占淤積總量的23.9%。

圖4 內(nèi)蒙古巴彥高勒至蒲灘拐河段灘槽淤積比例變化

圖5 黃淤90號斷面（上距巴彥高勒383 km）變化

圖6 黃淤50號（上距巴彥高勒249 km）斷面變化

上述分析表明，1980年代中期以來河道淤積以主槽淤積為主，斷面萎縮，導(dǎo)致中水河槽過流能力下降。從巴彥高勒、三湖河口水文站斷面平灘流量歷年變化（圖8）可以看出，1960年代至1970年代，內(nèi)蒙古巴彥高勒至頭道拐河段的主槽過流能力增大，平均平灘流量從2600 m3/s左右增加到4000 m3/s左右，80年代中期后平灘流量逐漸下降，至2000年降低至1500 m3/s左右，2004年平灘流量最小，最小平灘流量不足1000 m3/s，其后有所恢復(fù)。2012年寧蒙河段干流洪水持續(xù)近3個月，進口下河沿斷面流量大于2000 m3/s、大于2500 m3/s、大于3000 m3/s的天數(shù)分別達到43 d、27 d、10 d，長歷時持續(xù)的漫灘洪水過程使寧蒙河段尤其是內(nèi)蒙古巴彥高勒至頭道拐河段主槽沖刷、灘地淤積，平灘流量明顯增大，增加200～500 m3/s左右，巴彥高勒至頭道拐河段斷面最小平灘流量為1590 m3/s，平均平灘流量達到2070 m3/s。

圖7 黃淤73號（上距巴彥高勒318 km）斷面變化

圖8 巴彥高勒、三湖河口水文站斷面平灘流量變化

2.3 河道淤積分組泥沙特征1968年以前，寧蒙河段全沙為沖刷，沖刷主要集中在小于0.1 mm的各分組泥沙（見表4和圖9），小于0.025 mm、0.025～0.05 mm、0.05～0.1 mm年均沖刷量分別為0.385億t、0.129億t、0.061億t；1968年以后，小于0.1mm的各分組泥沙逐漸轉(zhuǎn)向了淤積，1987—2012年小于0.025 mm、0.025～0.05 mm、0.05～0.1 mm年均淤積量分別為0.226億t、0.099億t、0.109億t。大于0.1 mm的泥沙各時期均為淤積，1987年以后由于該粒徑組的來沙減少（主要是泥沙粒徑較粗的入黃風積沙量減少［10］以及干流來沙量減少，使進入寧蒙河段粒徑大于0.1 mm的粗泥沙整體有所減少，由1968年以前的年均0.355億t減少為0.239億t），淤積量有所減少?？梢?，淤積加重主要集中在小于0.1 mm的各粒徑組泥沙，而大于0.1 mm的粗顆粒泥沙淤積量則有所減少。

表4 寧蒙河段懸移質(zhì)泥沙沖淤量組成

圖9 寧蒙河段不同時期懸移質(zhì)泥沙沖淤量組成

3 河道淤積原因分析

通過對寧蒙河段淤積時空分布特征分析，寧蒙河段淤積主要發(fā)生在1980年代中期以后，淤積河段主要發(fā)生在巴彥高勒至頭道拐河段，以汛期主槽淤積為主，導(dǎo)致中水河槽過流能力下降，平灘流量由4000 m3/s左右減少至1500 m3/s左右?？赡芤饘幟珊佣斡俜e變化的原因包括干流來水來沙、支流來水來沙、風積沙、引水等［11-13］。

3.1 干流來水來沙影響

3.1.1 干流水沙量變化影響 統(tǒng)計寧蒙河段干流水沙量變化見表5。由表可知，進入寧蒙河段干流的水沙量減少，1960—1968年、1969—1986年、1987—2012年進入寧蒙河段的干流水量分別為370.7億m3、318.3 億 m3、255.6 億 m3，干流沙量是1.82 億 t、1.07 億 t、0.64 億 t，含沙量是4.90 kg/m3、3.37 kg/m3、2.52 kg/m3?？梢?，干流來水量減少的同時來沙量也在減少，且來沙量減少程度大于來水量減少程度，與1968年以前相比，1987年以后的含沙量減小了近一半。根據(jù)寧蒙河段出口頭道拐站1968年以前的年水沙量關(guān)系（見圖10）可知，年水量減少可攜帶的年沙量也減少，1987—2012年與1960—1968年相比年水量減少115.1億m3，按照1968年以前頭道拐水沙量關(guān)系匡算，年水量減少115.1億m3可攜帶的年沙量應(yīng)減少1.15億t，而實際下河沿來沙量減少了1.18億t。因此，僅從干流下河沿站來水來沙量減少看，不應(yīng)是加重河道淤積的主要影響因子。

3.1.2 干流水沙過程變化影響 干流水沙過程變化主要分析龍羊峽、劉家峽等大型水庫調(diào)蓄影響。

（1）汛期水量減少。統(tǒng)計龍劉水庫蓄泄水情況見表6，1968—1986年劉家峽水庫單庫運用期間，汛期最大蓄水量44.9億m3，平均蓄水量27.9億m3，其中7—8月平均蓄水量12.3億m3；1986年11月龍羊峽水庫投入運用后，龍劉水庫聯(lián)合調(diào)節(jié)，1986—2012龍羊峽水庫汛期最大蓄水量117.2億m3，平均蓄水量45.1億m3，其中7—8月平均蓄水量26.9億m3，同時期劉家峽水庫汛期最大蓄水量20.5億m3，平均蓄水量5.7億m3，7—8月平均蓄水量4.6億m3，該時期兩個水庫汛期蓄水量達到50.8億m3，7—8月蓄水量31.5億m3。

表5 寧蒙河段干流下河沿站不同時期年均水沙量變化

圖10 頭道拐站年水量與沙量相關(guān)關(guān)系

表6 龍羊峽、劉家峽水庫蓄、泄水（+蓄水，-泄水）

通過對龍劉水庫的還原計算進一步分析龍劉水庫運用對汛期水沙的影響。還原前后下河沿汛期水沙量比例見圖11。1969—1986年、1987—2012年下河沿還原后的汛期水量占全年水量的比例分別為61.9%、60.1%，汛期沙量占全年沙量的比例分別為84.7%、77.0%。還原前后對比可知，劉家峽水庫蓄水運用后至龍羊峽水庫蓄水運用前，由于劉家峽水庫的調(diào)節(jié)作用，下河沿汛期來水比例由61.9%減少為53.1%，汛期來沙比例由84.7%減少為83.6%。龍羊峽水庫運用后，與劉家峽水庫聯(lián)合運用，進一步改變了徑流年內(nèi)分配過程，下河沿站汛期來水比例由60.1%減少為42.8%，汛期來沙比例變化不大?？梢姡捎谏嫌锡垊⑺畮炻?lián)合調(diào)節(jié)運用，顯著改變了進入寧蒙河段干流徑流年內(nèi)分配，汛期水量比例下降，汛期水量減少。

（2）大流量天數(shù)減少，流量趨于均勻化。圖12為下河沿斷面汛期多年平均流量過程，可以看出，1968年以前，下河沿流量過程有明顯的伏汛、秋汛兩個大流量過程，其后隨著劉家峽、龍羊峽水庫相繼運用，尤其是1986年龍劉水庫聯(lián)合運用后，下河沿汛期流量過程趨于均勻化，已無明顯的大流量過程。

圖11 下河沿站不同時段還原前后汛期水量比例變化圖

圖12 下河沿不同時期汛期日均流量過程變化

還原前后下河沿汛期大于2000 m3/s以上的流量級天數(shù)及相應(yīng)水沙量比例見圖13、圖14。1969—1986年、1987—2013年下河沿還原后2000 m3/s以上流量天數(shù)為分別43.9 d、27.7 d，相應(yīng)水量比例為54.7%、38.3%，相應(yīng)沙量比例為58.8%、40.2%。還原前后對比可知，劉家峽水庫蓄水運用后至龍羊峽水庫蓄水運用前，由于劉家峽水庫的調(diào)節(jié)作用，下河沿汛期大于2000 m3/s以上的流量級天數(shù)由43.9 d減少為30.5 d，減少了13.4 d，相應(yīng)水量比例由54.7%減少為44.8%，減少了9.9%，相應(yīng)沙量比例由58.8%減少為40.9%，減少了17.9%。龍劉水庫聯(lián)合運用后，進一步減少了大流量過程，下河沿汛期大于2000 m3/s以上的流量級天數(shù)由27.7 d減少為3.7 d，減少了24.0 d，相應(yīng)水量比例由38.3%減少為7.9%，減少了30.4%，相應(yīng)沙量比例由40.2%減少為8.5%，減少了31.7%?？梢姡垊⑺畮炻?lián)合運用顯著減少了汛期大流量過程及其水沙量比例。

綜上分析，龍劉水庫聯(lián)合調(diào)蓄運用顯著改變了進入寧蒙河段水流條件，減少汛期水量的同時削減了有利于寧蒙河段輸沙的大流量過程，使流量過程趨于均勻，對寧蒙河段泥沙輸移極為不利。根據(jù)還原前后的下河沿水沙量及過程，利用數(shù)學(xué)模型對寧蒙河段沖淤量情況進行了模擬計算（累計沖淤量過程見圖15），結(jié)果表明在還原后的水沙過程條件下，寧蒙河段年均淤積量為0.307億t，與實測淤積量0.605億t相比，龍劉水庫造成的淤積影響量為0.293億t，約占淤積量的一半，可見龍劉水庫聯(lián)合運用對寧蒙河段淤積影響很大。

圖13 下河沿還原前后汛期2000 m3/s以上流量級天數(shù)

圖14 下河沿還原前后汛期2000 m3/s以上流量級水、沙量比例

圖15 龍-劉水庫還原前后寧蒙河段累計沖淤量變化

3.2 區(qū)間支流來水來沙和入黃風積沙影響寧蒙河段近期淤積加重主要集中在內(nèi)蒙古河段尤其是巴彥高勒至頭道拐河段。內(nèi)蒙古河段支流來沙主要來自十大孔兌，對比分析內(nèi)蒙古河段支流不同來沙期河道沖淤量變化情況見表7。

表7 內(nèi)蒙古河段支流不同時期來水來沙與沖淤量對比分析

由表可知，1960—1968年、1969—1986年、1987—2012年內(nèi)蒙古河段支流來沙量分別為0.219億t、0.248億t、0.247億t，其中汛期來沙量分別為0.213億t、0.245億t、0.244億t，7—8月來沙量分別為0.203億t、0.242億t、0.237億t。與1986年以前相比，支流來沙量變化不大，來沙期屬性也沒有變化（來沙組成也無趨勢變化），7—8月仍然是支流主要來沙期。1960—1968年比1987—2012年支流來沙量略小，內(nèi)蒙古河段發(fā)生了沖刷；1969—1986年支流來沙量與1987—2012年支流來沙量基本相同，內(nèi)蒙古河段淤積量也遠小于1987年以后淤積量。因此，1987年以后支流來沙不是內(nèi)蒙古河段淤積加重的主要原因。

統(tǒng)計分析支流主要來沙期7—8月來沙與干流來水的遭遇情況，見表8。由表可知，1960—1968年7—8月支流來沙僅0.012億t遭遇干流來水流量1000 m3/s以下，其他來沙主要遭遇干流來水流量1000 m3/s以上，1969—1986年7—8月支流來沙有0.126億t遭遇干流來水流量1000 m3/s以下，1987—2012年7—8月支流來沙有0.212億t遭遇干流來水流量1000 m3/s以下。分析表明，由于支流來沙期間遭遇干流的來水情況發(fā)生了顯著變化，由原來主要遭遇干流1000 m3/s以上的流量過程變?yōu)橹饕庥?000 m3/s以下的流量過程，這種情況下干流對支流洪水的稀釋作用必然減弱，不利于支流泥沙輸移，加重河道淤積。

表8 內(nèi)蒙古河段支流7—8月不同時期相應(yīng)干流來水的來沙情況

寧蒙河段入黃風沙在1990年代以后由于風速減弱等因素影響［10］，進入寧蒙河段的風積沙量是減小的，因此入黃風積沙量不應(yīng)是寧蒙河段淤積加重的原因。

3.3 灌區(qū)引水影響寧蒙河段引水主要集中在在4—11月，其中5—7月是用水高峰期。對比分析寧蒙河段不同時期引水與干流來水情況見表9。1960—1968年、1969—1986年、1987—2012年寧蒙河段灌區(qū)引水量分別為108.5億m3、138.9億m3、147.3億m3，其中汛期引水量分別為63.4億m3、75.2億m3、75.8億m3。可以看出，與1968年以前相比，1968—1986年灌區(qū)引水量增加較多，1986年以后灌區(qū)全年引水量又略有增加，汛期引水量基本維持不變。但是由于1986年以后干流來水尤其是汛期來水量減少（汛期來水量由228.5億m3減少至108.1億m3），導(dǎo)致灌區(qū)引水量占汛期來水量的比例顯著增加，由27.7%增加到70.1%?？梢姡捎诟闪鱽硭坑绕涫茄雌趤硭繙p少，使引水比例尤其是汛期引水比例相對加大，這在一定程度上進一步加劇了水沙關(guān)系的不協(xié)調(diào)，影響寧蒙河段泥沙輸移，加重河道淤積。

表9 寧蒙河段灌區(qū)引水與干流來水情況對比

4 結(jié)論

（1）寧蒙河段沙量平衡法和斷面法沖淤量對比分析表明，兩種方法計算結(jié)果接近，沙量平衡法沖淤量成果在時間尺度上連續(xù)性好但在空間上不能給出灘槽沖淤量，斷面法沖淤量成果可給出灘槽沖淤量但在時間尺度上不能給出詳細時段的沖淤量，可相互補充分析寧蒙河段淤積時空分布特征。

（2）寧蒙河段不同時期年內(nèi)的沖淤分配特征不同，1987年以來寧蒙河段淤積加重，淤積加重主要集中在汛期；從淤積空間分布看，寧蒙河段淤積主要發(fā)生在內(nèi)蒙古三湖河口至頭道拐河段和巴彥高勒至三湖河口河段，1987年以來以河槽淤積為主，斷面萎縮；從淤積泥沙組成看，1987年以來淤積量增加主要集中在小于0.1 mm的各粒徑組泥沙，而大于0.1 mm的粗顆粒泥沙因來量減少（主要是泥沙粒徑較粗的入黃風積沙量減少以及干流來沙量減少所致）淤積量有所減少。

（3）1980年代中期以后干流水沙條件變化特別是汛期水量和有利于輸沙的大流量過程減少，是導(dǎo)致寧蒙河段特別是巴彥高勒至頭道拐河段淤積萎縮加重的主要原因。河道淤積萎縮導(dǎo)致中水河槽過流能力下降，給寧蒙河段尤其是內(nèi)蒙古河段防凌防洪帶來嚴重威脅。

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