寧夏黃河游蕩型河段泥沙沖淤及河床變形計(jì)算

周躍華 顧靖超 張紅武

摘 要：選取游蕩型河段的汊河區(qū)域設(shè)置 24 個(gè)實(shí)測(cè)橫斷面開(kāi)展水下根石、泥沙粒度與含沙量監(jiān)測(cè)，分析研究區(qū)域的河床變形及根石移動(dòng)情況。結(jié)果表明：水下投放格賓石籠后，右岸受到了保護(hù)，水下根石保存基本完整;左岸河床較低，水深和流速較大，出現(xiàn)了崩岸現(xiàn)象，2018年6月28日至11月11日河道向左岸展寬 20～80 m;右岸河床較高，水深和平均流速較小，沿橫向基本沒(méi)有變化;整體斷面左岸沖刷，其余位置均出現(xiàn)程度不同的淤積，深泓線逐漸從靠近右岸移動(dòng)到左岸，平均淤積厚度為1.06 m，總淤積量為5.088萬(wàn)m3，從上游到下游，淤積量和平均淤積厚度呈先上升、后下降的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：護(hù)岸工程;泥沙;沖淤;河床變形;黃河寧夏段

中圖分類(lèi)號(hào)：TV871;TV882.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.007

Abstract：In this paper， 24 measured cross sections were set up to monitor the grain size and sediment content of underwater root stone， and the deformation and movement of root stone were analyzed. The results show that the right bank is protected after the gabion is put into water and the root stone is preserved in water. The river bed on the left bank is relatively lower， the water depth and flow rate are relatively larger and there is a phenomenon of bank collapse. The width of the river is about 20-80 m to the left bank. The riverbed on the right bank is relatively higher and the water depth and average flow rate are relatively smaller. The overall section shows the left bank erosion and the rest of the positions all show different degrees of siltation. The deep line gradually moves from the right bank to the left bank. The average siltation thickness is 1.06 m and the total siltation volume is 50，888 m3. The siltation volume and average siltation thickness are increased first and then decreased from upstream to downstream.

Key words： revetment works; sand; scratching; riverbed deformation; Ningxia section of Yellow River

黃河寧夏段二期防洪工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一，通過(guò)堤防工程和河道整治工程建設(shè)，對(duì)進(jìn)一步完善寧夏黃河防洪工程體系，保障沿黃地區(qū)防洪（凌）安全和寧蒙地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的意義[1]。

本研究選取寧夏銀川市濱河新區(qū)黃河外灘河段，對(duì)黃河寧夏段二期防洪工程水下根石情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)所研究區(qū)域的河床變形及根石移動(dòng)情況進(jìn)行計(jì)算，探索防洪工程對(duì)河岸及河床的影響，對(duì)防洪工程建設(shè)后出現(xiàn)的河岸變化及河床演變情況進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，給出加固河岸的合理建議，供有關(guān)部門(mén)參考。

1 2018年黃河寧夏段夏秋洪水基本情況

2018年汛期，受黃河河源地區(qū)降雨和融雪影響，黃河上游干支流來(lái)水較多，自7月13日黃河1號(hào)洪峰進(jìn)入寧夏境內(nèi)，下河沿入境流量驟增到2 250 m3/s，之后持續(xù)在2 000 m3/s左右。8月27日之后，下河沿入境流量逐步加大到2 500 m3/s，瞬時(shí)最大洪峰流量達(dá)到3 540 m3/s。10月13日，黃河防總終止上游防汛Ⅳ級(jí)應(yīng)急響應(yīng)，下河沿入境流量回落至2 000 m3/s。截至10月16日，黃河寧夏段入境流量大于2 000 m3/s運(yùn)行74 d，大于3 000 m3/s運(yùn)行19 d，沿河水位較6月底普遍上漲2.0～3.5 m，洪峰量值之大、洪水歷時(shí)之長(zhǎng)均創(chuàng)1981年以來(lái)之最。

2 研究區(qū)域地形及斷面布置情況

寧夏銀川市濱河新區(qū)黃河外灘河段屬典型游蕩型河段，主流擺動(dòng)頻繁[1]。圖1中紅色標(biāo)識(shí)區(qū)域?yàn)榫唧w研究區(qū)域，長(zhǎng)為 500 m， 河寬為1 200～1 500 m。研究區(qū)域靠近右岸200～250 m處有連續(xù)河心灘，將黃河分為左岸主河和右岸汊河，本研究實(shí)際研究對(duì)象為河心灘至右岸護(hù)岸工程這一區(qū)域內(nèi)的右岸汊河。

研究區(qū)域設(shè)置24個(gè)橫斷面，斷面SH1與SH2相距40 m，其余相鄰斷面間距均為20 m。根據(jù)預(yù)設(shè)橫斷面樁號(hào)坐標(biāo)，利用3次樣條插值方法進(jìn)行插值，可以得到河道兩岸岸線，把設(shè)置的24個(gè)斷面套繪在同一張圖中，如圖2所示。其中：SH1位于研究河段入口處，SH24位于研究河段出口處?？梢钥闯?，右岸因布設(shè)了格賓石籠，故河岸沒(méi)有沖刷，基本成一條直線，而左岸為河心灘，為一條不規(guī)則曲線。

3 研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

兩次實(shí)測(cè)時(shí)間為 2018年 6 月 28 日和 11 月11日。測(cè)量時(shí)，用快艇載聲學(xué)多普勒流速剖面儀沿橫斷面從斷面一側(cè)行到另一側(cè)。該儀器每隔1 s自動(dòng)采集數(shù)據(jù)一次，每次測(cè)得流速和水深，將該處的水位減去水深，即得河床高程。為減少測(cè)量誤差，每個(gè)斷面來(lái)回測(cè)兩遍，取兩次中數(shù)據(jù)較好的一次或進(jìn)行平均。將斷面不同位置處的河床高程與平均流速點(diǎn)繪在同一圖中，即得到斷面形態(tài)及流速分布（見(jiàn)圖3）。

3.1 6月28日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

河段流量為 842 m3/s，平均水深為3.3 m，最大水深為5.1 m，平均流速為 1.45 m/s，平均斷面面積為580 m2，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 由于研究區(qū)域范圍較小，因此不同斷面平均流速變化幅度較小。

由于斷面SH1、SH2左岸為淺灘，水深較小，快艇無(wú)法到達(dá)岸邊，因此這兩個(gè)斷面左岸附近約100 m范圍無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，河床高程可利用線性插值法得出，而水流流速值沒(méi)有給出。這兩個(gè)斷面靠近右岸處水深較大，平均流速較大。

從斷面SH3 至斷面SH9，河道地形基本相同，呈兩邊高中間低的開(kāi)口向上拋物線，而最大流速即主流線位于河道中心處，斷面流速基本呈開(kāi)口向下的拋物線分布。這些斷面除兩岸附近及河道中心個(gè)別位置外，河床沿橫斷面較為水平，水流垂線平均流速較為均勻。

從斷面SH10開(kāi)始，最大水深逐漸向左岸靠攏，河床高程呈左低右高的形態(tài)，而且越往下游，河床橫比降越大。至斷面SH24處，主槽已經(jīng)完全靠近左岸，而右岸為淺灘。也就是說(shuō)，深泓線從上游到下游，逐漸偏離右岸，向左岸靠攏。從流速分布來(lái)看，斷面SH10至斷面SH16主流線（最大流速）忽左忽右，不太穩(wěn)定;從斷面SH17開(kāi)始，主流線逐漸向左岸靠攏，至斷面SH24，主流線已經(jīng)靠近左岸。

從以上分析可以看出，在右岸沿線布置護(hù)岸工程后，右岸較為穩(wěn)定，河床呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，主流偏離河道中心，向左岸偏離，對(duì)左岸附近河床造成較大沖刷，左岸附近河床高程降低，水流流速變大。

3.2 11月11日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

該河段流量為 743 m3/s，平均河寬為226 m，斷面平均流速為1.2 m/s，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖4為各斷面實(shí)測(cè)河床高程及垂線平均流速的套繪?？梢钥闯觯哟哺叱碳按咕€平均流速分布情況與6月28日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。上游區(qū)域（從斷面SH1到斷面SH9），河床高程呈開(kāi)口向上拋物線分布，深泓線位于河道中心附近，河床橫比降較小。斷面SH1至斷面SH4，流速沿橫向分布較為均勻，主流線位于河道中心線附近;斷面 SH5至斷面SH9，最大流速靠近左岸;從斷面SH10開(kāi)始，深泓線逐漸向左岸偏移，主流線也同樣向左岸靠攏。

兩次實(shí)測(cè)從時(shí)間上來(lái)說(shuō)間隔4個(gè)半月，從實(shí)測(cè)的結(jié)果來(lái)看，第二次實(shí)測(cè)時(shí)流量及斷面平均流速均小于第一次實(shí)測(cè)結(jié)果，各斷面右岸附近河床高程第二次實(shí)測(cè)值普遍高于第一次實(shí)測(cè)值，說(shuō)明在布置水下根石后，根石附近區(qū)域河床淤積較為嚴(yán)重。

3.3 兩次實(shí)測(cè)水下地形比較及分析

為了得到銀川市濱河新區(qū)黃河外灘河段河床沖刷情況，將部分?jǐn)嗝娴膬纱螌?shí)測(cè)結(jié)果套繪在一起（見(jiàn)圖5）?？梢钥闯觯芯繀^(qū)域橫斷面整體呈淤積形態(tài)。一般而言，左岸呈沖刷狀態(tài)，而右岸呈淤積狀態(tài)，其原因是右岸采用格賓石籠護(hù)坡護(hù)腳，而左岸沒(méi)有任何保護(hù)措施。在上游來(lái)流較大時(shí)，左岸受到了沖刷，甚至產(chǎn)生了崩岸現(xiàn)象，河寬變大，但是右岸附近出現(xiàn)了淤積。

斷面SH3靠近研究區(qū)域上游，左岸附近出現(xiàn)沖刷，且左岸向左遷移 20 m左右，右岸附近河床淤積。其原因主要是7—9 月的汛期洪水流量較大（2 000～3 500 m3/s），水流挾沙力較大，河床沖刷較為嚴(yán)重，但因右岸布設(shè)了格賓石籠、無(wú)法沖刷，而左岸沒(méi)有任何護(hù)岸工程、土質(zhì)較軟，故河底及左岸附近出現(xiàn)了較大幅度的沖刷，甚至產(chǎn)生了崩岸，而右岸附近沒(méi)有沖刷。當(dāng)流量變小后，因水流挾沙力減小，故右岸附近區(qū)域出現(xiàn)了一定程度的淤積，而左岸附近仍以沖刷為主。其他斷面也和斷面SH3類(lèi)似，出現(xiàn)了不同程度的沖淤現(xiàn)象。斷面SH4靠近河道中心淤積較為嚴(yán)重，最大淤積厚度達(dá)1 m，但左右兩岸附近出現(xiàn)了一定的沖刷。斷面SH5和斷面SH6左岸沖刷，其余位置均出現(xiàn)程度不同的淤積。 斷面SH7左岸有微弱的沖刷，其余位置均出現(xiàn)程度不同的淤積，尤其是靠近河道中心處，淤積最為嚴(yán)重，淤積厚度為 1 m 左右。斷面SH8最大水深位于左岸附近，左岸出現(xiàn)了明顯的崩岸現(xiàn)象，右岸泥沙淤積較為嚴(yán)重，最大淤積厚度1.5 m，其余位置均出現(xiàn)了程度不同的淤積。斷面SH9、SH10左岸附近同樣出現(xiàn)了較大幅度的沖刷，出現(xiàn)了崩岸現(xiàn)象，斷面其余位置都有不同程度的淤積，淤積厚度最大的區(qū)域發(fā)生在斷面中心處，為1 m左右，右岸水深較小。從斷面SH11至斷面SH24，左岸附近均出現(xiàn)程度不同的崩岸現(xiàn)象，沖刷較為嚴(yán)重， 而其余位置均出現(xiàn)了一定的淤積。

總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)以上部分?jǐn)嗝娴匦伪容^分析可知，在上游附近區(qū)域，左岸出現(xiàn)一定沖刷，河道中心附近河床淤積;在研究區(qū)域中下游，左岸出現(xiàn)崩岸，河道向左展寬20～80 m，其余位置均出現(xiàn)程度不同的泥沙淤積，尤其是河道中心泥沙淤積較為嚴(yán)重。河底地形逐漸發(fā)展變?yōu)樽笊钣覝\，右岸附近泥沙淤積也較為嚴(yán)重，覆蓋了水下格賓石籠。

4 河床沖淤計(jì)算及分析

4.1 含沙量及泥沙粒度分析

11月利用深水取樣器在6個(gè)典型斷面的左岸、右岸和河道中心附近分別取樣一次，泥沙粒度分析結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)分析各斷面懸移質(zhì)泥沙粒徑分布可以發(fā)現(xiàn)，靠近左岸處泥沙中值粒徑偏大，均值約為15 μm，而河道中心和右岸附近泥沙中值粒徑偏小，約為12 μm，研究河段泥沙平均中值粒徑約為13 μm。

4.2 河床沖淤分析

4.2.1 河床沖淤量計(jì)算方法[3-5]

4.2.2 河床沖淤計(jì)算分析

根據(jù)兩次測(cè)量的實(shí)測(cè)斷面，將研究區(qū)域劃分為23個(gè)單元，其中：斷面SH1到斷面SH2為第一單元，記為SH1-SH2;最后一個(gè)單元為斷面SH23到斷面SH24，記為SH23-SH24。為了計(jì)算方便，設(shè)定每個(gè)斷面長(zhǎng)度均為100 m，從右岸開(kāi)始計(jì)算。每個(gè)單元的淤積量、占總淤積量比例及平均淤積厚度見(jiàn)表4。

從表4可以看出， 2018年6月28日至11月11日，經(jīng)過(guò)了4個(gè)半月的發(fā)展，總淤積量約為 5.088萬(wàn)m3，平均淤積厚度為1.06 m。最大的單元淤積量在SH1-SH2，淤積量為0.451 4萬(wàn)m3。此位置正好在河道上游區(qū)域，而且斷面之間的距離為40 m，計(jì)算的單元面積也大于其他的單元，故該單元的淤積量最大。淤積量和平均淤積厚度最小的是最后4個(gè)單元。

圖7為研究區(qū)域不同位置淤積量和平均淤積厚度。可以看出，除單元SH1-SH2外，淤積量和淤積厚度在上游區(qū)域先增加，到斷面SH4到達(dá)最大，然后再逐漸減小。

5 結(jié)論與建議

（1）靠近右岸投放的格賓石籠有效防止了右岸的沖刷，保護(hù)了景區(qū)的環(huán)境。通過(guò)以上研究可以得知，為了保護(hù)景區(qū)而投放的格賓石籠發(fā)揮了相應(yīng)作用，在汛期沒(méi)有被水流沖走。

（2）研究區(qū)域右岸出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的淤積。

（3）對(duì)于投擲的格賓石籠，清除淤泥后，建議進(jìn)一步加高加固，增高1 m以上，以免以后汛期景區(qū)出現(xiàn)險(xiǎn)情。

（4）建議對(duì)寧夏銀川市濱河新區(qū)黃河外灘河段進(jìn)行持續(xù)的監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬研究，研究該河段河床及河岸的變形情況，以便及時(shí)采取有效措施，保護(hù)景區(qū)安全。

參考文獻(xiàn)：

[1] 顧靖超，周躍華，陸立國(guó)，等.高強(qiáng)度塑鋼板樁在黃河護(hù)岸工程中的應(yīng)用[J].人民黃河， 2019，41（11）：22-25.

[2] 寧夏水利科學(xué)研究院.黃河寧夏段二期防洪工程高強(qiáng)度塑鋼組合板樁引進(jìn)與試驗(yàn)研究[R].銀川：寧夏水利科學(xué)研究院，2019：116-128.

[3] 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司.黃河寧夏河段二期防洪工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].鄭州：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，2017：174-181.

[4] 北方民族大學(xué).黃河寧夏段二期防洪工程水下根石監(jiān)測(cè)及計(jì)算[R].銀川：北方民族大學(xué)，2018：18-79.

[5] 景何仿.黃河大柳樹(shù)—沙坡頭河段連續(xù)彎道水流運(yùn)動(dòng)及河床變形數(shù)值模擬研究[D].銀川：寧夏大學(xué)，2011：66-81.

[6] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004：131-137.

[7] 李春光， 景何仿， 呂歲菊，等. 大柳樹(shù)—沙坡頭河段泥沙運(yùn)移二維數(shù)值模擬[J].水運(yùn)工程學(xué)報(bào)， 2011（4）：102-107.

【責(zé)任編輯 許立新】