慶城縣黑河大峽谷河床演變趨勢(shì)分析

田亞蘭

（甘肅省慶陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，甘肅慶陽(yáng)745000）

根據(jù)《中華人民共和國(guó)水法》《中華人民共和國(guó)防洪法》《中華人民共和國(guó)河道管理?xiàng)l例》《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》等有關(guān)法律法規(guī)，在開(kāi)展防洪影響評(píng)價(jià)時(shí)必須對(duì)河床演變趨勢(shì)進(jìn)行分析。本文就慶城縣黑河大峽谷河床演變趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 流域概況

慶城縣黑河大峽谷位于慶城縣太白梁鄉(xiāng)巴山村大黑河支流小黑河。黑河發(fā)源于環(huán)縣演武鄉(xiāng)路家塬村，東南流經(jīng)環(huán)縣吳城子、慶城縣冰淋岔后于董志巴家嘴匯入蒲河，在宋家坡匯入涇河。小黑河屬于黑河一級(jí)支流，黑河屬于蒲河的一級(jí)支流，蒲河和馬蓮河又是涇河的一級(jí)支流。黑河流域面積786.15 km2，河長(zhǎng)62.7 km，其中慶城縣內(nèi)流域面積536.01 km2，河道平均坡降7.6‰。根據(jù)黑河太白梁水文站多年實(shí)測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)，黑河多年平均流量為6.67 m3/s，多年平均徑流量為2.012億m3，多年平均含沙量為236 kg/m3，多年平均輸沙模數(shù)為7 700 t/km2，防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇洪水重現(xiàn)期。

2 河道歷史演變概況

黑河大峽谷所在河道為大黑河支流小黑河河段主溝道，其河床演變比較強(qiáng)烈、頻繁，主要是由自然因素引起的橫向演變和縱向演變。在忽略人為因素影響的條件下，黑河河段的演變主要是在暴雨條件下的淤積和沖刷。黑河河道分布在山區(qū)，坡度較大，所處地區(qū)一旦發(fā)生暴雨，徑流系數(shù)大，因而具有洪水匯流時(shí)間短、洪水猛漲猛落、變化迅速的特點(diǎn)。流量變化大、持續(xù)時(shí)間短，洪水切沖溝壑、挾裹泥沙、淤積河床，長(zhǎng)期以來(lái)河床的橫向演變相對(duì)劇烈，左右擺動(dòng)較為頻繁，且周期短。河床下切較嚴(yán)重，溝谷切深和溝頭延伸速度較快。黑河大峽谷位于小黑河河段中游位置，左右河岸因常年沖刷，河谷下切與主河道形成陡坎，由于上游位置河道比降大，河床結(jié)構(gòu)相對(duì)不穩(wěn)定，水流對(duì)其沖刷作用較大，河道演變較為明顯。

3 河道近期演變分析

3.1 河道現(xiàn)狀

小黑河河道中上游段的縱向穩(wěn)定性比中下游段稍差，但多年來(lái)年際之間和年內(nèi)沖淤基本平衡，河道縱斷面變化較小。由于沒(méi)有該河段逐年實(shí)測(cè)的斷面資料，尚不能確切分析其變化趨勢(shì)。依據(jù)本次實(shí)測(cè)斷面進(jìn)行河相關(guān)系定性分析，推斷河段的近期演變。

黑河大峽谷所在區(qū)域地勢(shì)北高南低，大致由西北向東南傾斜，群山連綿，梁卯交錯(cuò)，溝壑縱橫，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區(qū)。黑河大峽谷所在溝道長(zhǎng)期受洪水影響，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。本次分析在小黑河河道內(nèi)選取梯田花海斷面、昆蟲(chóng)園斷面、旋轉(zhuǎn)扶梯斷面、入口步道斷面、陽(yáng)光沙灘上斷面、陽(yáng)光沙灘下斷面共6個(gè)橫斷面，各水文斷面的布設(shè)見(jiàn)圖1。

圖1 慶城縣黑河大峽谷水文斷面布設(shè)示意圖

3.2 河道演變參數(shù)分析

3.2.1 造床流量 河道形態(tài)及河勢(shì)穩(wěn)定與造床流量密切相關(guān)。造床流量下的造床作用最大，該流量是指在洪水期較大但并非最大的洪峰流量。本次分析對(duì)各控制斷面以2年一遇洪峰流量為造床流量，計(jì)算造床流量下的水面寬和平均水深。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 小黑河控制斷面造床流量及河相關(guān)系計(jì)算成果

3.2.2 河相關(guān)系 斷面河相系數(shù)表達(dá)式ξ=B0.5/H，其意為在造床流量下的河寬B與平均水深H之間的比例關(guān)系。根據(jù)黑河大峽谷河道典型斷面造床流量對(duì)應(yīng)的河寬和平均水深計(jì)算，黑河大峽谷河段的河相系數(shù)為0.72～3.96，屬于穩(wěn)定河段。

3.2.3 穩(wěn)定河寬 在河道演變分析中用穩(wěn)定河寬來(lái)判斷河段是否穩(wěn)定，并依據(jù)穩(wěn)定河寬確定治理河寬（治理河寬=1.5～2.5倍的穩(wěn)定河寬）。常用阿爾圖寧公式計(jì)算穩(wěn)定河寬。

式中，B為造床流量相應(yīng)河寬，單位為m；Q為造床流量，單位為m3/s；J為造床流量下的水面比降，用‰表示；A為穩(wěn)定河寬系數(shù)，取值范圍為1.1～1.7。本次評(píng)價(jià)根據(jù)各河道典型斷面的形態(tài)特征，穩(wěn)定河寬系數(shù)A的取值為1.1。計(jì)算得到各斷面穩(wěn)定河寬見(jiàn)表2。

表2 小黑河控制斷面穩(wěn)定河寬計(jì)算成果

通過(guò)計(jì)算可得黑河大峽谷各斷面的穩(wěn)定河寬為22.24 m，與當(dāng)前實(shí)際河寬（20.56～45.59）有一定差距，表明在天然狀態(tài)下該河段在較長(zhǎng)時(shí)間的水流沖刷演變過(guò)程中，河岸邊坡穩(wěn)定性較差。

3.2.4 穩(wěn)定系數(shù)

3.2.4.1 縱向穩(wěn)定系數(shù)。河床縱向穩(wěn)定系數(shù)用下式計(jì)算。

式中，ψh為縱向穩(wěn)定系數(shù)；d為河床平均粒徑，單位為mm；H為平均水深，單位為m；J為比降，用‰表示。

縱向穩(wěn)定系數(shù)h的大小僅表示泥沙運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱。泥沙運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，河床變化越劇烈。穩(wěn)定系數(shù)可作為判斷河流泥沙運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和沙丘運(yùn)動(dòng)引起河床變形強(qiáng)度的依據(jù)。h值越大，泥沙運(yùn)動(dòng)越弱，河床越不易變形；相反h值越小，泥沙運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，河床越易變形。因此，該系數(shù)僅體現(xiàn)河床底部的穩(wěn)定性，并不能體現(xiàn)河岸穩(wěn)定性。

河床質(zhì)粒徑級(jí)配成果見(jiàn)表3。河道斷面比降采用實(shí)測(cè)值，糙率根據(jù)河道斷面情況查表得到?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地采集河床質(zhì)樣，室內(nèi)篩分分析粒徑，并繪制粒徑級(jí)配曲線（見(jiàn)圖2）。計(jì)算得出斷面河床縱向穩(wěn)定系數(shù)為0.08～0.38（見(jiàn)表4），河段河床穩(wěn)定性相對(duì)較差。3.2.4.2橫向穩(wěn)定系數(shù)。影響河岸穩(wěn)定性的因素主要是河岸泥沙土壤的抗沖能力，其次是灘槽高差。河岸的穩(wěn)定性用阿爾圖寧的穩(wěn)定河寬系數(shù)的倒數(shù)表達(dá)。

表3 小黑河控制斷面河道砂（卵）礫石粒徑級(jí)配成果

圖2 小黑河步道斷面河床質(zhì)粒徑級(jí)配曲線

式中，φb為橫向穩(wěn)定系數(shù)；Q為造床流量，單位為m3/s；B為穩(wěn)定河寬，單位為m；J為比降，用‰表示。橫向穩(wěn)定系數(shù)φb越大河岸越穩(wěn)定，φb越小則河岸越不穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算黑河橫向穩(wěn)定系數(shù)為0.91（見(jiàn)表4）。一般涇河流域河流的橫向穩(wěn)定系數(shù)為0.63，表明各斷面河段河岸穩(wěn)定性較差。

表4 小黑河控制斷面縱、橫向穩(wěn)定系數(shù)

3.3 河道演變趨勢(shì)分析

按照河道演變規(guī)律，黃土河谷區(qū)河流地形一般比較開(kāi)闊，河道在長(zhǎng)期水流作用下易形成寬淺河流，河流平面形態(tài)的變化主要受人類(lèi)活動(dòng)的影響較大。通過(guò)對(duì)黑河大峽谷所在河段河道演變情況的調(diào)查和分析計(jì)算可知，在天然狀況下該河段溝道平面變化不大，縱向變化相對(duì)穩(wěn)定，橫向變化不穩(wěn)定。隨著國(guó)家中小河流治理規(guī)劃的實(shí)施，河道兩岸堤防、護(hù)岸、疏浚、流域水土保持工程的建設(shè)及對(duì)河道的嚴(yán)格管理，對(duì)穩(wěn)定河流斷面和有效控導(dǎo)河勢(shì)將起到積極的作用，也有助于加強(qiáng)河流的橫向、縱向穩(wěn)定性。

河床演變參數(shù)分析表明，總體上各河道斷面縱向穩(wěn)定性較好，橫向穩(wěn)定性較差。當(dāng)前小黑河河道槽灘多不分明，河槽寬窄不一（20.56～45.59 mm）；洪水期主流易在河槽內(nèi)擺動(dòng)。黑河大峽谷河段河床表層土質(zhì)松軟，河槽易受水流沖蝕而左右擺動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)黑河大峽谷河道歷史演變、近期演變以及演變趨勢(shì)的分析，掌握了黑河大峽谷河床的演變規(guī)律。該河段在中小河流治理規(guī)劃工程的調(diào)控下，其未來(lái)演變趨勢(shì)將會(huì)處于沖淤平衡狀態(tài)。