近代渭河中下游河床組成變化及其穩(wěn)定性指標(biāo)研究

白少智，李 朗，張 蓉，范祎雯

（1.陜西省河流工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710018；2.陜西文化產(chǎn)業(yè)（韓城）投資有限公司，陜西 渭南 715499）

1 渭河中下游河床物質(zhì)組成特性

1.1 河床組成特征

渭河中游主槽目前為堆積階段，主槽巖性以中粗砂、含礫中粗砂及卵石為主。砂卵石的成分主要為石英、長石，分選、磨圓均較好，泥質(zhì)含量少。咸陽鐵橋往西至黑河入渭口，河漫灘為上薄層砂、下卵石的單一粗粒土結(jié)構(gòu)；黑河入渭口至寶雞，河漫灘為上砂礫石、下卵石的單一粗粒土結(jié)構(gòu)。咸陽～涇河口段由于受左岸黃土塬邊斷裂線控制和右岸灃、灞河口向外延伸的影響，自西漢以來河槽定向側(cè)蝕北移，多心灘，河床基本沖淤平衡。涇河口以上河床沖積層較薄，咸陽附近厚5.30～8.50 m（個別地點10 m），草灘農(nóng)場厚約15～18 m。河床沉積物下部為粗砂礫石，上部中細(xì)砂夾零星小礫石。涇河口～交口段河床沖積層厚約17～18 m。河床沉積物下層物質(zhì)較細(xì)，河床質(zhì)為粗砂夾礫石，漫灘沉積砂質(zhì)黏土；上層物質(zhì)變粗，河床質(zhì)為砂礫石，漫灘沉積粉砂和黏質(zhì)砂土。交口～赤水段是受三王～雨金斷層影響突出的河段，沉積物組成下粗上細(xì)，分選差，粗細(xì)混雜。赤水以下河段，河床質(zhì)很細(xì)，分選差。

渭河下游河床具有上下二元結(jié)構(gòu)，底層上部河流漫灘為黏質(zhì)沙土，下部河床為砂礫石層。這些物質(zhì)自上游至下游由粗變細(xì)。其中渭淤35～渭淤28 斷面河床質(zhì)以中、粗沙夾小礫石為主，河漫灘為粗、中、細(xì)沙（粗、中、細(xì)砂粒徑分別為2～0.50 mm、0.50～0.25 mm、0.25～0.075 mm，粉砂為0.075～0.005 mm，下同）；渭淤27～渭淤22斷面河床質(zhì)中砂卵石含量高達(dá)60%左右；渭淤17～渭淤13斷面河床質(zhì)以細(xì)砂為主，大于2mm礫卵石僅占2%～3%，河漫灘由細(xì)砂和粉砂組成，河岸質(zhì)主要由壤土、黏土構(gòu)成，黏粒含量達(dá)30%以上；渭淤12斷面以下河段，受三門峽水庫蓄水淤積的影響，河床主要由細(xì)砂、粉砂構(gòu)成，河岸上部為松散粉砂、砂壤土，下部以粉砂、壤土、黏土為主。

1.2 河床質(zhì)特征值變化

根據(jù)1960-2020年實測河床質(zhì)數(shù)據(jù)，咸陽站河床質(zhì)粒徑總體上表現(xiàn)為兩個變化階段：1960-1995年咸陽站河床質(zhì)平均粒徑基本在0.4056 mm 上下波動；中數(shù)粒徑在0.3616 mm 上下波動；2010年渭河全線整治以后，咸陽站河床質(zhì)粒徑有增有減波動變化，但相比較1995年以前總體呈現(xiàn)減小的趨勢，且中數(shù)粒徑普遍小于平均粒徑。1960-1976年，華縣站河床質(zhì)粒徑先增大后減小，1967年達(dá)到最大值，1977年后處于波動狀態(tài)。

1973 年三門峽水庫改為全年運用后，咸陽站河床平均粒徑及中數(shù)粒徑（d50）隨時間逐漸減小，華縣站河床平均粒徑及中數(shù)粒徑逐漸趨于穩(wěn)定，基本都小于咸陽站。見圖1。

圖1 咸陽站、華縣站平均粒徑及中數(shù)粒徑變化圖

2 河床穩(wěn)定性指標(biāo)特性

選擇錢寧公式：K=d/hJ對渭河穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

2.1 控制站穩(wěn)定性指標(biāo)

結(jié)合渭淤37和渭淤36斷面實測大斷面資料數(shù)據(jù)系列，得到咸陽站1965-2020年河床縱比降數(shù)據(jù)系列?？芍?，1999年咸陽站附近河道出現(xiàn)淤積，河床縱比降為-0.08‰，其他年份河床縱比降0.18‰～1.25‰。結(jié)合渭淤11、渭淤10、渭淤9和渭淤8實測大斷面資料，得到華縣站縱比降數(shù)據(jù)系列，可知1968、1975 和2011 年華縣站附近河道出現(xiàn)淤積，河床縱比降分別為-1.61‰、-0.15‰、-0.93‰，其他年份河床縱比降0.40‰～3.18‰。繪制咸陽站、華縣站歷年縱比降變化圖，從圖2可以看出華縣站歷年縱比降普遍大于咸陽站。

圖2 咸陽站、華縣站歷年縱比降變化圖

根據(jù)錢寧公式計算咸陽站穩(wěn)定性指數(shù)。可知，1965-1973年咸陽站穩(wěn)定性指數(shù)平均為0.76，1974-2010 年平均為0.75，2011年渭河綜合治理至今穩(wěn)定性指數(shù)平均為0.08。2011年后河床趨于穩(wěn)定，但相比2010 年以前，河床穩(wěn)定性變差。

根據(jù)錢寧公式計算華縣站穩(wěn)定性指數(shù)?？芍?，1965-1973年咸陽站穩(wěn)定性指數(shù)平均為0.11，1974-2010 年平均為0.09，2011 年渭河綜合治理至今穩(wěn)定性指數(shù)平均為0.07。河床穩(wěn)定性指數(shù)逐年波動變化，但總體上華縣站河床穩(wěn)定性變差。相比較咸陽站，華縣站穩(wěn)定性較差。

2.2 河床穩(wěn)定性評估

基于咸陽、臨潼及華縣水文站實測水文數(shù)據(jù)，咸陽～臨潼段河床比降0.48‰～0.60‰，自1965-1973 汛后三門峽水庫改為全年控制期間該河段河床比降呈遞減趨勢，1974-2000年共27 a間河床比降基本平穩(wěn)，2001年渭河開始綜合治理至今，河床比降又開始逐年下降。臨潼～華縣段的河床比降0.19‰～0.31‰，1995-1973年河床比降逐年下降，1974～2000年間下降幅度變大，2000年至今河床比降逐年增大。

整體來看，咸陽～華縣段的河床比降0.31‰～0.40‰，1965年至今河床比降一直呈下降趨勢，但下降趨勢在1973年、2000年均出現(xiàn)緩解?？梢钥闯鑫己酉剃栆韵潞佣魏哟脖冉档淖兓饕膳R潼以下河段的河床形態(tài)、結(jié)構(gòu)變化影響著，同時反映了三門峽水庫運行帶來的泥沙淤積對渭河河床比降的影響主要體現(xiàn)在臨潼以下的河段。

結(jié)合水文站及渭淤26～37斷面實測水文數(shù)據(jù)，1965-2020年間渭河咸陽～臨潼段的平均水深0.58～2.07 m，河段穩(wěn)定性0.01～1.16；渭河臨潼～華縣段的平均水深0.94～4.64 m，河段穩(wěn)定性0.03～1.18。

從渭河下游河床穩(wěn)定性的年際變化序列來看，自1973年汛后三門峽水庫改為全年控制運用后，渭河咸陽～華縣整個河段在1973-2000年基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，2001年至今渭河咸陽～臨潼段河床穩(wěn)定系數(shù)逐年下降，臨潼～華縣段呈現(xiàn)逐年遞增趨勢，咸陽～華縣整體河段河床穩(wěn)定系數(shù)逐年下降。

為進(jìn)一步說明渭河中下游河段穩(wěn)定性指數(shù)序列的變化趨勢，這里針對各河段1965-2020年的河段穩(wěn)定性指數(shù)序列采用Mann-Kendal 非參數(shù)檢驗，得到統(tǒng)計量的順序、逆序變化曲線UF、UB，取顯著性水平α=0.05，得到兩條臨界線y=±1.96，分別繪制各河段穩(wěn)定性指數(shù)檢驗曲線。

咸陽～臨潼段UF曲線1965-2020年均小于0，說明序列值一直呈下降趨勢，且2000-2004、2009-2020 年下降趨勢更顯著。2006-2009年兩條曲線有3個交點，2008年為一個突變點。

臨潼～華縣段穩(wěn)定性指數(shù)系列UF值在1974-2009年小于零，其他時間均大于零，說明1974-2009年該系列呈減小趨勢，且1977-1984、1986-1988、1996-2000 年下降趨勢更加顯著。其余時間段呈增加趨勢。Mann-Kendal 檢驗結(jié)果與渭河河床穩(wěn)定性指數(shù)隨時間的變化序列曲線反映的規(guī)律一致。

3 近期河床形態(tài)特性

3.1 河床縱剖面形態(tài)變化

依據(jù)渭河中下游典型年（三門峽水庫建庫前1960 年汛前和建庫后1966 年汛后、1969 年汛后、1973 年汛后、2002 年汛后、2015年汛前、2020年汛后）實測大斷面資料，分析其河槽最深點、灘唇高程的縱剖面形態(tài)演變。其中渭河中游2015 依據(jù)實測監(jiān)測斷面資料，其余典型年依據(jù)林家村、魏家堡兩站實測大斷面資料；渭河下游至潼關(guān)依據(jù)渭淤和黃淤監(jiān)測斷面資料。

3.2 縱剖面形態(tài)方程

選取渭河中下游典型年（1960汛前、1969汛后、1973汛后、2002 汛后、2015 汛前、2020 汛后）大斷面資料，點繪河槽深泓點、灘唇與距潼關(guān)里程曲線關(guān)系圖，建立二者的關(guān)系方程，即渭河中下游的縱剖面形態(tài)方程。

4 結(jié)語

渭河下游主槽與河漫灘的淤積物組成表現(xiàn)出不同的特性：水下淤積物的粒徑變化由水流強(qiáng)度、來沙粒徑、支流匯入及河道沖淤變化等多方面因素影響，在時間與空間上的主槽中值粒徑變化幅度大，沿程細(xì)化趨勢明顯。

1966-1973 年，渭河中游河道縱剖面河底高程呈上升趨勢；1973-2020年，河底高程呈明顯下降趨勢。河底高程下降，表明河道處于泥沙沖刷狀態(tài)，主要是受到上游來水來沙量減小、水土保持措施以及三門峽水庫運行方式的影響。

依據(jù)渭河中下游河段穩(wěn)定性指數(shù)序列的變化趨勢，結(jié)合河道來水來沙條件與三門峽水庫運用方式和潼關(guān)高程的分析判別，得出在現(xiàn)狀河床條件下，未來渭河下游的河道演變基本保持目前的狀態(tài)，河道將繼續(xù)向維持泥沙沖淤平衡的狀態(tài)發(fā)展。