黃河內(nèi)蒙古河段2012年洪水前后河勢演變

王衛(wèi)紅,于守兵,鄭艷爽,王少強

(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院泥沙研究所,河南鄭州 450003; 2.黃河水利委員會黃河機械廠,河南鄭州 450006)

黃河內(nèi)蒙古河段2012年洪水前后河勢演變

王衛(wèi)紅1,于守兵1,鄭艷爽1,王少強2

(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院泥沙研究所,河南鄭州 450003; 2.黃河水利委員會黃河機械廠,河南鄭州 450006)

為了分析黃河內(nèi)蒙古河段2012年大洪水前后河勢的演變特征,采用洪水前、洪水期、洪水后的衛(wèi)星遙感影像資料統(tǒng)計了洪水前后的主流擺幅和裁彎比,并結(jié)合巴彥高勒、三湖河口和頭道拐的實測水流泥沙資料以及大斷面資料分析了河道沖淤特征和典型斷面變化特征。分析結(jié)果表明:河道主流擺幅具有逐漸增大趨勢,至過渡段之后減小;與近期平均擺幅相比,游蕩段和彎曲段明顯減小,過渡段有所增加;游蕩段最大擺幅為1240 m,洪水過后仍有多處心灘發(fā)育,游蕩特性未改變;過渡段和彎曲段河道發(fā)生5處裁彎,平均裁彎比為37%;大洪水作用下內(nèi)蒙古河道具有上沖下淤的特點,接近沖淤平衡,河道斷面主槽普遍沖刷下降。

黃河;內(nèi)蒙古河段;河勢演變;大洪水

黃河內(nèi)蒙古河段穿越烏蘭布和沙漠與庫布齊沙漠,屬典型的沙漠寬谷河道,長期以來河床基本上處于微淤狀態(tài)[1-2]。自20世紀(jì)80年代以來,由于龍羊峽、劉家峽等水庫聯(lián)合調(diào)度運用和氣候變化等因素的共同作用,該河段水沙關(guān)系發(fā)生劇烈變化[3-5]:汛期徑流量占全年的比例大幅度減小,幾乎沒有發(fā)生過洪峰流量大于2 000 m3/s的洪水,來沙系數(shù)明顯增大。這些變化造成該河段嚴(yán)重淤積[6-8],形成了新的“地上懸河”,經(jīng)常出現(xiàn)畸形河勢,給防洪防凌造成很大的壓力。

內(nèi)蒙古河段河床演變出現(xiàn)的這些現(xiàn)象引起了多方關(guān)注。侯素珍等[7]分析表明,1987年以后長期小流量過程下,河勢向彎曲方向發(fā)展,畸形河灣增多。王隨繼等[9]認(rèn)為,該河段河床淤積量的時間變化主要受區(qū)間支流水沙變化和水庫的雙重影響,而空間變化則主要受上游水庫削減洪峰的影響。唐德善等[10-12]重點分析了上游干流水庫調(diào)節(jié)對河道沖淤的影響。Qin等[13]建立了內(nèi)蒙古河道橫斷面沖淤演變時間序列模式,分析了長期序列變化趨勢及突變特點。吳守信等[14]通過遙感影像統(tǒng)計了1973—1994年間5個典型年內(nèi)蒙古河段彎曲系數(shù),認(rèn)為1986年以后河道擺動明顯增強。張立等[4,15]對內(nèi)蒙古河段的斷面形態(tài)變化進行了分析,指出1986年后內(nèi)蒙古河段由沖淤基本平衡轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)性淤積,主流平面擺動頻繁,河床更加寬淺散亂;河岸組成物質(zhì)決定了各個斷面的演變特性和河型。

受近年來黃河內(nèi)蒙古河段來水條件制約,已有研究大多是在流量較低的水文系列條件下開展的,而且主要關(guān)注河床沖淤調(diào)整方面,較少涉及洪水作用下平面河勢的演變分析。2012年黃河上游發(fā)生了20世紀(jì)80年代以來洪峰流量最高、持續(xù)歷時最長的洪水過程,侯素珍等[16]分析了寧蒙河段的水沙特點以及河床演變情況,本文著重分析該洪水過程作用下內(nèi)蒙古河段河勢的變化,對于進一步認(rèn)識內(nèi)蒙古河段河床演變規(guī)律具有一定的意義。

1 黃河內(nèi)蒙古河段特性

黃河自寧夏石嘴山麻黃溝進入內(nèi)蒙古,由南向北經(jīng)三盛公水利樞紐折向臨河,再轉(zhuǎn)向東南至頭道拐,于榆樹灣出境(圖1)。該河段位于黃河最北端,穿越烏蘭布和沙漠與庫布齊沙漠,全長840km,平均河寬在3000 m以上,為典型的沙漠寬谷河道。

圖1 黃河上游干流河道示意圖

三盛公水利樞紐以上屬于峽谷型河道,以下為沖積性河段。本文重點分析三盛公(巴彥高勒)—頭道拐河段。該河段河型自上而下依次為游蕩型(巴彥高勒—三湖河口)、過渡型(三湖河口—昭君墳)和微彎型(昭君墳—頭道拐),各河段的長度、平均河寬、平均主槽寬度以及比降等特征值見表1。巴彥高勒—三湖河口河段沒有較大的支流,而三湖河口—頭道拐河段左岸有十大孔兌匯入。

表1 巴彥高勒—頭道拐河段河道特征

1986年以來龍羊峽水庫、劉家峽水庫聯(lián)合運用攔減了進入寧蒙河道的洪水,使該河段汛期流量基本上在1500m3/s以下,河道發(fā)生嚴(yán)重淤積。根據(jù)實測斷面計算[2,7],1986—2004年內(nèi)蒙古河段年平均淤積0.60億t,遠遠超出以往對寧蒙河道長時期微量淤積的認(rèn)識;同時,大量泥沙淤積量集中在主槽內(nèi),造成平灘流量大幅度下降,如三湖河口站由20世紀(jì)80年代的3000～5000m3/s降低至2004年的1000m3/s左右。

2 2012年洪水特征

2012年7—8月,黃河上游降雨偏多,干流河道蘭州站出現(xiàn)1989年以來最大洪水過程,洪峰流量達到3860 m3/s。石嘴山、巴彥高勒、三湖河口和頭道拐4站的洪峰流量均在2 700 m3/s之上;洪水徑流量均在130億m3以上;平均含沙量較低,只有三湖河口站超過5 kg/m3,其他3站約為3 kg/m3(表2)。

表2 黃河內(nèi)蒙古河段2012年洪水特征值統(tǒng)計

洪水大流量過程持續(xù)時間較長,而且流量和含沙量變幅都較小。以巴彥高勒水文站為例,連續(xù)出現(xiàn)44d流量在2000m3/s以上的洪水過程,含沙量大多在2～4kg/m3之間,平均為3.1 kg/m3(圖2)。因此,總體而言,2012年洪水屬于大流量、長歷時、低含沙量,而且流量和含沙量變幅較小的大水帶小沙的過程。

圖2 巴彥高勒水文站2012年洪水流量和含沙量過程

3 洪水前后河勢演變特點

3.1 2012年洪水前后河勢統(tǒng)計特征

洪水是塑造河道的主要動力,洪水前后河勢往往發(fā)生較大變化,尤其是對于像黃河這樣的游蕩性河道。河勢的變化主要通過主流線擺幅和河段裁彎比表示。主流線擺幅表示河道的游蕩程度,主流擺幅越大說明河道的游蕩性越強。河段裁彎比是裁彎引起的河道主流線河長的縮短值與裁彎前河道主流線長度的比值,反映了洪水作用后河道順直程度的變化。

根據(jù)黃河內(nèi)蒙古巴彥高勒—頭道拐河段2012年5月、8月、10月(分別對應(yīng)洪水前、洪水期、洪水后,下同)的衛(wèi)星遙感影像統(tǒng)計了洪水前后主流擺幅和河段裁彎比。從主流擺幅的沿程變化來看(圖3),部分?jǐn)嗝嬷髁骶€基本保持穩(wěn)定,主流擺幅為零。在黃河河道大斷面(以下簡稱黃斷)21、27、55～57、64～66、82～83、96～97、103～104附近主流擺幅出現(xiàn)極大值,擺動幅度為1062～1962 m。結(jié)合河勢水邊線分析,前兩處河勢出現(xiàn)坐彎,后五處河勢出現(xiàn)裁彎取直。主流擺幅整體趨勢自上而下逐漸增大,在黃斷48處達到最大,然后逐漸減小。

圖3 黃河內(nèi)蒙古河段2012年洪水前后主流擺幅

3個河段的主流平均擺幅以三湖河口—昭君墳過渡段最大(表3)。由于裁彎時主流擺幅很大,扣除裁彎的影響后3個河段自上而下主流平均擺幅和最大擺幅依次減小,這也反映了3個河段的穩(wěn)定性依次增強。與近期(2007—2012年)平均擺幅相比,游蕩段和彎曲段的主流平均擺幅明顯減小,過渡段的擺幅有所增加。

河道發(fā)生裁彎時河長大幅度縮短,大洪水過后5處出現(xiàn)裁彎的斷面區(qū)間裁彎比為25%～45%,總體平均裁彎比為37%(表4)。

圖4 黃河內(nèi)蒙古河段洪水前后河勢變化示意圖

表3 黃河內(nèi)蒙古河段2012年洪水前后主流擺幅統(tǒng)計

表4 2012年洪水前后三湖河口—頭道拐河段裁彎特征

3.2 各河段河勢變化分析

3.2.1 游蕩段特性未變

巴彥高勒—三湖河口河段洪水期出現(xiàn)漫灘現(xiàn)象,局部河段河勢有所趨直。洪水過后,部分河段,如黃斷14～17河段(圖4(a))心灘眾多,河勢仍然散亂;而有些河段,如黃斷20～24河段(圖4(b))呈現(xiàn)規(guī)則的微彎型。

不考慮裁彎影響,洪水過后主流最大擺幅為1240m,出現(xiàn)在黃斷27附近(圖3),根據(jù)資料分析由河流坐灣所致。從洪水前后主流平均擺幅看,游蕩段主流平均擺幅為200m,與2007—2010年主流平均擺幅361m相比有明顯減小。心灘數(shù)量較洪水前盡管有所減少,但仍有多處發(fā)育,同時大尺度心灘增多。總體來說,河勢演變特征與洪水前的基本趨同,表明雖然經(jīng)大水長歷時作用,河道的游蕩特性未改變。

3.2.2 過渡段裁彎明顯

洪水過程中三湖河口以上僅有輕微漫灘,以下(從黃斷47開始)出現(xiàn)大漫灘。漫灘范圍遍及堤根,河寬近2000 m,平均漫灘寬度1470 m,漫灘面積185km2。洪水過后在黃斷55～57和黃斷64～66處發(fā)生裁彎現(xiàn)象(圖5),裁彎比為38%和45% (表4)。根據(jù)洪水前后主流擺幅變化過程分析,過渡段的主流擺幅比游蕩段的小,不考慮裁彎的平均擺幅為154 m,但是最大擺幅仍達904 m(表3)。

3.2.3 彎曲段裁彎多,主流線趨直

昭君墳—頭道拐河段漫灘嚴(yán)重,漫灘范圍大都達到堤根,平均漫灘寬度達1800m,漫灘面積314km2,河寬2100m。河勢變化的突出表現(xiàn)是洪水過后出現(xiàn)3處裁彎,分別是黃斷82～83、黃斷96～97和黃斷103～104,裁彎比分別為37%、25%和37%(表4),其中后兩處裁彎取直變化見圖6。主流擺幅總體不大,平均為55m,但局部擺幅較大,可達544m(表3)。

3.3 河道和典型斷面沖淤特征

3.3.1 河道沖淤特征

根據(jù)巴彥高勒—頭道拐7—10月實測輸沙量資料統(tǒng)計,巴彥高勒站輸沙量為0.44億t,三湖河口站為0.87億t,頭道拐站為0.50億t[16]。因此,巴彥高勒—三湖河口河道發(fā)生沖刷,沖刷量為0.43億t,三湖河口—頭道拐河道發(fā)生淤積,淤積量為0.37億t?？傮w上,內(nèi)蒙古河道沖刷0.06億t,接近沖淤平衡。在大洪水作用下,內(nèi)蒙古河道具有上沖下淤的特點,接近沖淤平衡。

3.3.2 典型斷面變化特征[16]

在長歷時洪水的作用下,各典型斷面高程均發(fā)生沖刷下降。巴彥高勒斷面主槽位置穩(wěn)定,平均河底高程下降0.90m。三湖河口斷面洪水過后主槽右移,深泓點下降近2 m,平均河底高程下降0.62 m。頭道拐斷面主槽穩(wěn)定,深泓點下降超過2 m,平均河底高程下降0.38 m。

4 結(jié) 論

a.河道主流擺幅自巴彥高勒—三湖河口以下部分逐漸增大,然后逐漸減小。與近期平均擺幅相比,游蕩段和彎曲段的明顯減小,過渡段有所增大。

b.游蕩段最大擺幅為1240m,洪水過后仍有多處心灘發(fā)育,游蕩特性未改變。過渡段和彎曲段河道發(fā)生5處裁彎,平均裁彎比為37%。

c.大洪水作用下內(nèi)蒙古河道具有上沖下淤的特點,接近沖淤平衡。河道斷面主槽普遍沖刷下降。

圖5 黃斷55～67河段河勢裁彎取直變化示意圖

圖6 黃斷95～104河段河勢裁彎取直變化示意圖

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River regime change in Inner Mongolia reach of Yellow River by considering the 2012 flood//

WANG Weihong1,YU Shoubing1,ZHENG Yanshuang1,WANG Shaoqiang2
(1.Sediment Division,Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003,China;2.Yellow River Machinery Works,Zhengzhou 450006,China)

In order to study the river regime change in the Inner Mongolia reach of the Yellow River during the large flood in 2012,satellite images before,in and after the flood are used to extract mainstream swing scope and channel cut-off ratios.Combined with field data of flow,sediment and great cross section at Bayangaole,Sanhuhekou and Toudaoguai,the scouring and silting characteristics of the river and typical crosses are analyzed.The results show that main channel swing has an increasing trend towards the river direction and decreasing in the transiting section.Main channel swing at wandering and meandering sections is obviously less than that in recent years,while it is the opposite at transiting section.The wandering section is characterized by a maximum of the main channel swing of 1240 m and a few developing rive islands, which indicates that the section is still wandering.Channel cut-off occurs in five sites in the transiting section and meandering section,with average cut-off ratio of 37%.The Inner Mongolia section is featured by upper scoured and lower deposited and close to equilibrium during the great flood.Additionally,the main channels are all scoured and down.

Yellow River;Inner Mongolia reach;river regime change;large flood

TV147+.1

:A

:1006-7647(2014)05-0035-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.007

2013-0815 編輯:熊水斌)

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2011CB403305);黃河水利科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)費專項(HKY-JBYW-2014-20)

王衛(wèi)紅(1958—),女,河南鄭州人,教授級高級工程師,主要從事河床演變研究。E-mail:wwhhky@126.com

于守兵(1980—),男,河南襄城人,高級工程師,博士,主要從事河流動力學(xué)與河床演變研究。E-mail:yushoubing@163.com