黃河寧夏段水沙演變規(guī)律及沖淤空間分布特征研究

朱婉依，李昆鵬，李麗珂，鄭佳蕓，張世安

（1.成都興城資本管理有限責(zé)任公司，四川 成都 500643； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；3.河南省湖庫功能恢復(fù)與維持工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003）

黃河寧夏段總長(zhǎng)約397.00 km，其中峽谷段總長(zhǎng)86.12 km、庫區(qū)段總長(zhǎng)44.14 km、平原段總長(zhǎng)266.74 km，約占黃河總長(zhǎng)1／14，位于黃河上游下段，流域面積5.0 萬km2［1］。 黃河寧夏段水沙異源，水量主要來自蘭州以上河段，而泥沙主要來自干流蘭州以上、蘭州至下河沿區(qū)間的支流以及寧夏境內(nèi)的清水河、苦水河等支流［2］。 龍劉（龍羊峽與劉家峽）水庫聯(lián)合運(yùn)用以來，改變了進(jìn)入寧夏段的水沙過程，河段來水來沙特點(diǎn)、河道沖淤變化規(guī)律等發(fā)生了較大變化［3－8］。 近期，通過黃河寧夏段二期防洪工程建設(shè)，進(jìn)一步完善了河段防洪工程體系，提高了河道防洪標(biāo)準(zhǔn)，歸順了河道流路，基本控制了河勢(shì)擺動(dòng)，減輕了洪凌災(zāi)害。 但目前部分河段河勢(shì)仍未得到有效控制，河勢(shì)擺動(dòng)致使局部已建工程出現(xiàn)脫溜失效現(xiàn)象，洪凌安全隱患依然存在，直接威脅兩岸已建防洪工程安全，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成了不利影響。 本文以黃河寧夏段下河沿—石嘴山河段為研究對(duì)象，系統(tǒng)梳理了干支流水沙年內(nèi)與年際變化特征、河勢(shì)演變過程以及河道與水庫泥沙沖淤分布特征，以期為《黃河寧夏段清淤疏浚（采砂）規(guī)劃》編制提供科學(xué)支撐。

1 水沙量年內(nèi)分配特征

1.1 干 流

1950 年11 月—2019 年10 月黃河寧夏段下河沿站來水來沙特征見表1。 由表1 可知，下河沿站多年平均水量為298.6 億m3，汛期水量占全年水量的51.7%；多年平均沙量為1.13 億t，汛期沙量占全年沙量的84.1%。 水沙年內(nèi)分配不均勻，水量多集中于汛期，沙量分配比水量分配更集中。

表1 黃河寧夏段下河沿站多年平均來水來沙特征

天然狀態(tài)下（1950 年11 月—1961 年10 月），下河沿站年均水量和沙量分別為313.1 億m3、2.32 億t，汛期水量、沙量分別占全年的62.2%、88.4%；1961 年11月—1968 年10 月，上游來水量較豐，下河沿站年均水量和沙量分別為380.4 億m3、1.90 億t，汛期水量、沙量分別占全年的61.5%、84.7%；1986 年11 月—2019年10 月，龍劉水庫聯(lián)合運(yùn)用后下河沿站年均水量和沙量分別為265.5 億m3、0.61 億t，汛期水量、沙量分別占全年的43.8%、77.1%；2012 年11 月—2019 年10月，下河沿站年均水量和沙量分別為310.6 億m3、0.44億t，汛期水量、沙量分別占全年的47.3%、81.8%，沙量?jī)H為天然狀態(tài)下的19.0%。

1.2 支 流

1958—2019 年黃河寧夏段支流清水河與苦水河來水來沙特征見表2。 由表2 可知，清水河泉眼山站1958—2019 年年均水沙量分別為1.14 億m3、0.246 億t，汛期水沙量分別占年水沙量的64.9%、89.0%。 從不同時(shí)期年內(nèi)水沙量分配來看，1958—1968 年年均水沙量分別為1.49 億m3、0.281 億t，汛期水沙量分別占年水沙量的73.8%、92.9%；1969—1986 年年均水沙量相比1958—1968 年分別減少47.0%、37.0%，汛期水沙量分別減少51.8%、41.8%；1987—1999 年年均水沙量相比1958—1968 年，水量減少15.4%、沙量增加42.3%，汛期水量減少17.3%、沙量增加39.5%；2000—2011 年年均水沙量相比1958—1968 年分別減少28.2%、23.1%，汛期水沙量分別減少48.2%、28.7%；2012—2019 年年均水沙量相比1958—1968 年，水量減少4.0%、沙量減少54.4%。 1958—2019 年水沙量變化主要集中在汛期。

表2 黃河寧夏段支流清水河與苦水河多年平均來水來沙特征

苦水河郭家橋站1958—2019 年年均水沙量分別為0.97 億m3、0.045 億t。 從不同時(shí)期年內(nèi)水沙量分配來看，1958—1968 年年均水沙量分別為0.22 億m3、0.022 億t；1969—1986 年、1987—1999 年、2000—2011年年均水沙量與1958—1968 年相比均有不同程度的增加，其中1987—1999 年水沙量增幅分別為595%、368%；2012—2019 年年均水沙量分別為1.28 億m3、0.013 億t，較1958—2019 年年均水量有所增加、沙量有所減少。

2 水沙量年際變化特征

2.1 干 流

1950—2019 年黃河寧夏段下河沿站、青銅峽站、石嘴山站歷年水沙量變化過程見圖1 ～圖3。 由圖1 ～圖3 可知，下河沿站、青銅峽站、石嘴山站水沙量年際變化均較大；下河沿站最大年徑流量515.95 億m3（1967 年）為最小年徑流量188.91 億m3（1997 年）的2.7 倍，最大年輸沙量4.41 億t（1959 年）為最小年輸沙量0.17 億t（2015 年）的26.0 倍；青銅峽站最大年徑流量450.67 億m3（1967 年）為最小年徑流量114.43億m3（1997 年）的3.9 倍，最大年輸沙量4.69 億t（1958 年）為最小年輸沙量0.04 億t（1969 年）的117.3倍；石嘴山站最大年徑流量491.18 億m3（1967 年）為最小年徑流量166.94 億m3（2003 年）的2.9 倍，最大年輸沙量3.77 億t（1964 年）為最小年輸沙量0.23 億t（2016 年）的16.4 倍。

圖1 下河沿站歷年水沙量變化過程

圖2 青銅峽站歷年水沙量變化過程

圖3 石嘴山站歷年水沙量變化過程

2.2 支 流

1958—2019 年支流清水河泉眼山站、苦水河郭家橋站歷年水沙量變化過程見圖4 ～圖5。 由圖4 ～圖5可知，泉眼山站、郭家橋站水沙量年際變化較大，豐枯懸殊；泉眼山站最大年徑流量2.14 億m3（1996 年）為最小年徑流量0.07 億m3（1963 年）的31 倍，最大年輸沙量為0.37 億t（1996 年）、最小年輸沙量為0（1960年）；郭家橋站最大年徑流量3.71 億m3（1964 年）為最小年徑流量0.13 億m3（1960 年）的29 倍，最大年輸沙量1.22 億t（1958 年）為最小年輸沙量8.00 萬t（1960年）的1 525 倍。

圖4 清水河泉眼山站歷年水沙量變化過程

圖5 苦水河郭家橋站歷年水沙量變化過程

3 近期河勢(shì)演變過程分析

洪峰流量是影響洪水過程中斷面形態(tài)塑造的關(guān)鍵因素。 黃河寧夏段2012 年洪水期，下河沿站流量大于2 000 m3／s 的天數(shù)為45 d、大于2 500 m3／s 的天數(shù)為28 d；2020 年洪水期，下河沿站流量大于2 000 m3／s 的天數(shù)為98 d、大于2 500 m3／s 的天數(shù)為59 d。 2012年、2020 年黃河寧夏段均具有洪峰流量大、含沙量小、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、水位變幅大等特點(diǎn)，洪水演進(jìn)對(duì)河床斷面調(diào)整影響較大，不同河段呈現(xiàn)出不同的河勢(shì)演變過程。

3.1 沙坡頭壩下—仁存渡河段

沙坡頭壩下—躍進(jìn)渠口河段，由于新墩險(xiǎn)工長(zhǎng)度不夠，因此2012 年洪水期工程尾部坐彎塌灘嚴(yán)重；2020 年洪水期棗林灣工程靠溜較好，凸岸邊灘出露水面，新墩彎道下首右岸邊灘淤積量較大，迫使水流頂沖對(duì)岸。 雙橋—躍進(jìn)渠口河段，2012 年躍進(jìn)渠潛壩的導(dǎo)流作用將河心灘沖開約200 m 寬，水流分為兩股，躍進(jìn)渠口河勢(shì)變化較大；2020 年龍王廟溝口護(hù)岸工程末端沖刷嚴(yán)重。 躍進(jìn)渠口—田灘河段，2012 年洪水期泉眼山彎道河勢(shì)下挫嚴(yán)重；2020 年黃羊?yàn)程幨苄臑┯绊?，靠溜較差，主流未按治導(dǎo)線行進(jìn)，主要沿右汊行進(jìn)至泉眼山。 田灘—青銅峽庫尾河段，已建的中寧枸杞博物館嚴(yán)重侵占河道，受地形影響河勢(shì)左移至倪丁工程。青銅峽壩下—梅家灣河段，河勢(shì)基本上沿著規(guī)劃治導(dǎo)線行進(jìn)，河勢(shì)變化整體表現(xiàn)為上提下挫。 盡管犁鏵尖控導(dǎo)工程對(duì)沖刷起到了一定控制作用，但由于彎道工程長(zhǎng)度仍然較短，因此2020 年洪水期工程下首河灣仍在規(guī)劃治導(dǎo)線外側(cè)。 梅家灣—仁存渡河段，2012 年葉盛橋以上河勢(shì)基本居中下行，橋下游分為兩汊；2020年分汊較2012 年未發(fā)生變化，流路穩(wěn)定，工程靠溜較好。

3.2 仁存渡—頭道墩河段

仁存渡—北灘河段，2012 年洪水期間仁存渡為天然節(jié)點(diǎn)，未布置工程，水流淘刷岸邊嚴(yán)重，黃河干流出仁存渡后，河勢(shì)依地形居中下行，多年來河勢(shì)基本穩(wěn)定。 兵溝—頭道墩河段，2012 年洪水基本上沿著1986年河勢(shì)行進(jìn)；2020 年洪水期關(guān)渠彎道處流路向右岸偏離治導(dǎo)線，河勢(shì)下挫，京星農(nóng)場(chǎng)心灘被覆蓋，心灘—頭道墩流路較為平順，基本控制在治導(dǎo)線內(nèi)。

3.3 頭道墩—石嘴山河段

該河段為游蕩型河道，河床寬淺，沙洲密布，汊道交織，主流擺動(dòng)不定，河勢(shì)變化劇烈。 河道右岸為無堤防河段，受鄂爾多斯臺(tái)地控制右岸形成若干處節(jié)點(diǎn)。平面上出現(xiàn)多處河灣，心灘較少，邊灘發(fā)育，主要表現(xiàn)為單向側(cè)蝕，常造成灘岸坍塌，出現(xiàn)險(xiǎn)情。

4 泥沙沖淤時(shí)空分布特征

4.1 河道泥沙沖淤量及淤積分布

（1）沖淤量。 沙量平衡法計(jì)算的黃河寧夏段河道（含青銅峽庫區(qū)）沖淤量見表3。 1952 年11 月—2018年10 月，下河沿—石嘴山共淤積泥沙3.49 億t，其中下河沿—青銅峽淤積2.57 億t、青銅峽—石嘴山淤積0.92 億t；1986 年11 月—2018 年10 月，下河沿—石嘴山共淤積泥沙2.11 億t，其中下河沿—青銅峽淤積0.86億t、青銅峽—石嘴山淤積1.25 億t；2012 年11 月—2018 年10 月，下河沿—石嘴山呈沖刷狀態(tài)，共沖刷0.78億t。

表3 黃河寧夏段年均沖淤量（沙量平衡法） 億t

龍劉水庫聯(lián)合運(yùn)用以來（1986 年11 月—2018 年10 月），寧夏段水量主要集中在非汛期、沙量主要集中在汛期，下河沿—石嘴山河段年均淤積量為0.066 億t，其中汛期淤積0.127 億t，非汛期沖刷0.061 億t。 下河沿—青銅峽河段年均淤積0.027 億t，汛期沖刷0.016億t，非汛期淤積0.043 億t；青銅峽—石嘴山河段年均淤積0.039 億t，汛期淤積0.143 億t，非汛期沖刷0.104 億t，與上一河段相比，該河段汛期與非汛期沖淤變化較為劇烈，這與青銅峽—石嘴山河段為沖積型河道有關(guān)。

（2）泥沙淤積分布。 1993 年5 月—2018 年11 月，沙坡頭壩下—石嘴山（不包含青銅峽庫區(qū)）河段共淤積泥沙2.150 億t，其中主槽淤積0.375 億t、灘地淤積1.775 億t。 衛(wèi)寧河段（下河沿—青銅峽）共淤積0.675億t，其中主槽淤積0.350 億t、灘地淤積0.325 億t。 青石河段（青銅峽—石嘴山）共淤積1.475 億t，其中主槽淤積0.025 億t、灘地淤積1.450 億t。 沙坡頭壩下—石嘴山（不包含青銅峽水庫）河段年均淤積量為0.086億t，其中主槽年均淤積量為0.015 億t、灘地年均淤積量為0.071 億t。 衛(wèi)寧河段年均淤積量為0.027 億t，其中主槽年均淤積量為0.014 億t、灘地年均淤積量為0.013億t。 青石河段年均淤積量為0.059 億t，其中主槽基本沖淤平衡，年均淤積量?jī)H為0.001 億t，灘地年均淤積量為0.058 億t。 全河段灘、槽均有一定程度淤積，河道淤積主要集中在青石河段。

4.2 青銅峽水庫庫容淤損過程及淤積分布

（1）庫容淤損過程。 青銅峽水庫自運(yùn)用以來，經(jīng)歷了快速淤積、緩慢淤積和基本穩(wěn)定3 個(gè)階段。1963—1971 年為快速淤積階段，庫區(qū)淤積了5.41 億m3，89.3%的庫容被淤損，正常運(yùn)用水位1 156 m 以下庫容僅剩0.65 億m3（占原始庫容10.7%），年均淤積量為0.60億m3。 1972—1987 年為緩慢淤積階段，水庫又淤積了0.35 億m3，庫容減少到0.30 億m3，年均淤積量為0.02 億m3；1988—2018 年為基本穩(wěn)定階段，水庫庫容一般維持在0.30 億～0.59 億m3，年際間庫容變化不大。

（2）泥沙淤積分布。 青銅峽水庫淤積縱剖面見圖6，沖淤量統(tǒng)計(jì)見表4。 由圖6、表4 可知，青銅峽水庫淤積范圍大致可分成4 段：第一段為壩前段，處于水庫壩址以上8.2 km 的峽谷段，淤積形態(tài)近似為原河床的平行抬升，淤積量占總淤積量的6.5%。 第二段為三角洲前坡段，范圍較小，處于QTX8—QTX11 斷面，前坡段比降約為0.245%，淤積量占總淤積量的10.6%。 第三段為三角洲頂坡段，處于QTX11—QTX24 斷面，河道斷面寬淺，淤積坡度較小，頂坡段比降僅約為0.015%，有利于泥沙沉積，使得大量泥沙淤積在本庫段內(nèi)，淤積量占總淤積量的82.2%。 第四段為三角洲尾部段，處于QTX24—QTX26 斷面，水庫蓄水以后，回水的粗沙部分首先在回水末端附近沉積，構(gòu)成三角洲淤積的尾部段主體，本庫段淤積比降約為0.053%，淤積量占總淤積量的0.7%。

圖6 青銅峽水庫縱剖面變化過程（深泓點(diǎn)）

表4 1963 年10 月—2018 年10 月青銅峽水庫沖淤量統(tǒng)計(jì)

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)梳理了黃河寧夏段1950—2019 年干支流水沙年內(nèi)與年際變化特征、河勢(shì)演變過程以及河道與水庫泥沙沖淤分布，主要結(jié)論如下。

（1）1950 年11 月—2019 年10 月，寧夏段下河沿站多年平均水沙量分別為298.6 億m3、1.13 億t，汛期水沙量分別占全年的51.7%、84.1%。

（2）1958—2019 年，清水河泉眼山站、苦水河郭家橋站水沙量年內(nèi)、年際變化較大，豐枯懸殊。 清水河泉眼山站多年平均水沙量分別為1.14 億m3、0.246 億t，苦水河郭家橋站多年平均水沙量分別為0.97 億m3、0.045億t。

（3）沙坡頭壩下—仁存渡河段經(jīng)多年微彎型整治，河勢(shì)已趨于穩(wěn)定；仁存渡—頭道墩河段為過渡型河段，河勢(shì)大多依地形下行變化不定，局部河段河勢(shì)擺幅得到了控制；頭道墩—石嘴山河段為游蕩型河道，河床寬淺，主流擺動(dòng)不定，河勢(shì)變化劇烈。

（4）1993 年5 月—2018 年11 月，斷面法計(jì)算沙坡頭壩下—石嘴山河段共淤積泥沙2.150 億t，其中主槽淤積0.375 億t、灘地淤積1.775 億t；截至2018 年10月，青銅峽水庫淤積泥沙5.59 億m3，庫容淤損92.2%。