黃河下游河道汛期輸沙水量及輸沙效率分析研究

趙海濱，楊春景，王 俊

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004）

黃河下游河道汛期輸沙水量及輸沙效率分析研究

趙海濱1，2，楊春景1，2，王 俊1，2

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004）

利用小浪底、花園口等水文站的水沙資料，計算黃河下游河道各水文站不同運用時期的輸沙水量及其占對應(yīng)時期徑流量的比例，探究河道的輸沙規(guī)律及影響因素。分析發(fā)現(xiàn)，黃河下游河道汛期沖淤平衡時，各水文站輸沙水量與小浪底水文站的水沙指標具有較好相關(guān)性，總體上隨徑流量、流量和來沙量的增加而增加，隨含沙量和來沙系數(shù)增加而減小并趨于穩(wěn)定，輸沙水量占徑流量的比重隨含沙量和來沙系數(shù)增加而增加并趨于穩(wěn)定。這表明，黃河下游在汛期輸沙水量較為穩(wěn)定，且輸沙水量較小，輸沙效率高。通過小浪底水沙過程調(diào)配，達到了黃河下游河道水沙資源優(yōu)化配置的目標。

黃河下游河道；輸沙水量；輸沙效率；輸沙規(guī)律；影響因素

0 引言

黃河下游水少沙多的自然特性和灘地生產(chǎn)活動的社會特性是導(dǎo)致黃河下游水患和沙患治理難的兩大根本原因。小浪底水利樞紐建成運用后，研究河道的輸沙水量、輸沙效率及影響因素，對提高黃河下游河道水資源及泥沙的調(diào)控能力，優(yōu)化黃河下游河道水資源利用和泥沙資源空間配置，修復(fù)黃河下游河道生態(tài)具有重要意義［1～13］。

筆者利用黃河下游小浪底、花園口等水文站的水沙資料，計算出各水文站不同運行時期的輸沙水量及其占對應(yīng)時期徑流量的比例，分析探究黃河下游河道的輸沙規(guī)律及其影響因素。

1 黃河下游輸沙水量和輸沙效率的計算

1.1 計算公式

1.1.1 輸沙效率的計算公式

對于某段天然河道來說，輸沙水量是指該河段全部或部分泥沙輸移出下游出口斷面所需要的水量，是河道凈水量的一部分或全部［14］。河段的輸沙量與來沙量的比值為輸沙效率，其表達式如式（1）所示。

式中：Ws進和Ws出分別為河段進、出口站輸沙量，即河段來沙量與輸沙量，kg；Q進i和Q出i分別為任意時段i的進、出口流量，m3／s；S進i和S出i分別為任意時段i的進、出口含沙量，kg／m3；ti為第i個時段的歷時，s。

若Ws出＞W(wǎng)s進，η＜1，河段發(fā)生沖刷，取來沙系數(shù)α=1；反之，Ws出≤Ws進，η≥1，河段發(fā)生淤積或沖淤平衡，取來沙系數(shù)α=0。

1.1.2 輸沙水量的計算公式輸沙水量的計算公式如式（2）所示。

式中：W′為輸沙水量，m3；Ww為凈水量，m3；WS為輸沙量，億t；W為河段的徑流量，即輸送水沙總體積，m3；ρs為泥沙密度，通常取2.65 t／m3；Ws為輸沙體積，m3。

1.2 計算結(jié)果分析

黃河上游來水來沙條件的復(fù)雜性及下游河道河槽的復(fù)雜狀況決定了黃河下游河道輸沙水量和輸沙效率計算分析的復(fù)雜性。根據(jù)相關(guān)資料，運用式（1）～式（3）可以得出黃河下游河道花園口、高村、艾山、利津等水文站各個時期的輸沙水量及輸沙水量占徑流量比例W′/W，如表1和表2所示。

表1 花園口、高村、艾山、利津等水文站不同時期的輸沙水量Tab.1 The sediment-transport water volumeof Huanyuankou，Gao village，Aishan，Lijin hydrological station of different period

由表1得出，1974～2000年，各水文站各時期的輸沙水量隨年份增加均呈顯著減少趨勢，1950～ 2000年的多年平均輸沙水量均大于1986～2000年對應(yīng)時期輸沙水量。

表2 花園口、高村、艾山、利津等水文站不同時期的輸沙水量占徑流量比例Tab.2 The sediment-transport water volumeof Huanyuankou,Gao village,Aishan,Lijin hydrological station of different period

由表2得出，各水文站不同統(tǒng)計時段的輸沙水量占徑流量的比例隨時間延續(xù)相對穩(wěn)定，且沿程也保持基本不變，但非汛期輸沙水量占徑流量的比例沿程各站遞增趨勢明顯。

2 汛期輸沙水量及輸沙水量占徑流量比例的影響因素分析

對于天然河流來說，向下游輸移河段河床淤沙及宣泄上游來沙的時間主要集中在汛期。黃河小浪底樞紐建成后，水庫成為調(diào)節(jié)黃河下游水沙的控制性工程，對黃河下游河道輸沙水量具有顯著的調(diào)控作用。但是，泥沙輸移和洪水的宣泄仍然集中在每年的汛期。所以，選擇花園口（HYK）、高村（GC）、艾山（AS）及利津（LJ）等水文站汛期輸沙水量W′與同時期小浪底水文站的徑流量W、流量Q等水沙指標進行相關(guān)性分析，探求河道輸沙水量及其占徑流量比例W'/W的影響因素。

2.1 小浪底水文站徑流量、平均流量與黃河下游各水文站輸沙水量的關(guān)系分析

小浪底水文站徑流量W、平均流量Q與黃河下游各水文站輸沙水量W′的關(guān)系如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可知，黃河下游各水文站輸沙水量與小浪底水文站徑流量W（水沙總量）、平均流量Q具有較好的線性關(guān)系，即各水文站的輸沙水量均隨小浪底水文站徑流量W（水沙總量）、平均流量Q的增加而增加，下游河道輸沙能力與上游徑流過程密切相關(guān)，表現(xiàn)出汛期黃河下游河道輸沙特性，即多來多排。

圖1 1950～2000年黃河下游各站汛期輸沙水量與小浪底站徑流量的關(guān)系Fig.1 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s runoff of lower Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

2.2 小浪底水文站輸沙量Ws、含沙量與黃河下游各水文站輸沙水量關(guān)系分析

小浪底水文站輸沙量Ws、含沙量S與黃河下游各水文站輸沙水量W′關(guān)系如圖3和圖4所示。通過圖3發(fā)現(xiàn)，小浪底水文站輸沙量Ws與各水文站輸沙水量W′呈增函數(shù)變化趨勢，但對應(yīng)某一Ws，其取值范圍變化也較大。即，黃河下游河道輸沙水量隨小浪底水文站來沙量的增加呈遞增趨勢。但相對于某一來沙量，輸沙水量的大小取決于不同的水沙條件，所以，其變化范圍較大。

由圖4可以看出，各水文站輸沙水量隨小浪底水文站含沙量的增加呈遞減趨勢，當(dāng)S＞85 kg／m3時，各水文站輸沙水量小而穩(wěn)定。即，黃河下游河道輸沙水量隨小浪底水文站汛期洪水含沙量的增加而減少，當(dāng)輸移泥沙含量大于某值（S＞85 kg／m3）時，河道的輸沙水量小而穩(wěn)定，輸沙效率極大提高。

圖2 1950～2000年黃河下游各站汛期輸沙水量與小浪底站平均流量的關(guān)系Fig.2 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s average flow of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

圖3 1950~2000年黃河下游各站汛期輸沙水量與小浪底站輸沙量的關(guān)系Fig.3 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s sediment-runoff of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

2.3 小浪底水文站汛期來沙系數(shù)、淤積比與黃河下游各水文站輸沙水量關(guān)系分析

小浪底水文站汛期來沙系數(shù)、淤積比與黃河下游各水文站輸沙水量關(guān)系如圖5和圖6所示。從圖5可知，隨著小浪底水文站汛期來沙系數(shù)的增加，各水文站輸沙水量W′呈遞減趨勢，且當(dāng)S/Q＞0.01后，隨S/Q增大，W′減小明顯趨緩。即，黃河下游河道輸沙水量隨小浪底水文站汛期洪水來沙系數(shù)的增加而減少，當(dāng)來沙系數(shù)大于某值以后（S/Q＞0.01），河道的輸沙水量小而穩(wěn)定，輸沙效率極大提高。

由圖6可得，隨著汛期小浪底至利津河段淤積比ΔWs/Ws增加，各水文站輸沙水量W′呈明顯的遞減趨勢。即，黃河下游河道輸沙水量與整個下游河道淤積比呈明顯的反比關(guān)系，淤積越嚴重，輸沙水量反而越小。

2.4 小浪底水文站平均含沙量、來沙系數(shù)與輸沙水量占徑流量比例關(guān)系分析

小浪底水文站平均含沙量S，來沙系數(shù)S/Q與輸沙水量占徑流量的比例關(guān)系如圖7和圖8所示。從圖7可以看出，小浪底水文站平均含沙量的變化對各水文站輸沙水量占徑流量比例W′/W的影響不同?；▓@口水文站和高村水文站的W′/W隨S的增大而增大。當(dāng)S＜80kg／m3時，W′/W增幅較大；當(dāng)S＞80 kg／m3時，增幅逐漸趨緩。艾山水文站和利津水文站的W'/W比較穩(wěn)定，S的變化對W′/W無明顯影響。

圖4 1950~2000年黃河下游各水文站汛期輸沙水量與小浪底水文站平均含沙量的關(guān)系Fig.4 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s average sediment concentration of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

圖5 1950~2000年黃河下游各水文站汛期輸沙水量與小浪底水文站來沙系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s incom ing sediment coefficient of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

圖6 1950~2000年下游各水文站汛期輸沙水量與小浪底至利津河段淤積比的關(guān)系Fig.6 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi Lijin section sediment deposition ratio of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

圖7 各水文站汛期輸沙水量占徑流量比例與小浪底水文站平均含沙量的關(guān)系Fig.7 Relations of runoff proportion of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s average sediment concentration of each hydrological station during flood period

由圖8可以看出，小浪底水文站來沙系數(shù)S/Q變化對各水文站輸沙水量占徑流量比例W′/W的影響不同?；▓@口水文站和高村水文站的W′/W隨S/Q增大而增大。當(dāng)S/Q＜0.01時，W′/W增幅較大；當(dāng)S／Q＞0.01時，增幅很小。艾山水文站和利津水文站的W′/W穩(wěn)定，S/Q的變化對W′/W無明顯影響。

圖8 各水文站汛期輸沙水量占徑流量比例與小浪底水文站來沙系數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relations of runoff proportion of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s incom ing sediment coefficien of each hydrological station during flood period

3 結(jié)語

本文基于輸沙水量的計算方法，根據(jù)1950～2000年黃河下游河道汛期實測水文資料，分別計算了花園口、高村、艾山、利津等水文站在汛期、非汛期和全年輸沙水量及其占徑流量的比重，并分析了黃河下游沿程各水文站輸沙水量與小浪底水沙指標相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明［15～16］：

（1）黃河下游河道汛期輸沙水量與來水量呈線性遞增關(guān)系。

（2）黃河下游河道輸沙水量隨小浪底水文站的來沙量增加呈遞增趨勢。但相對于某一來沙量，在不同水沙條件下，其值變化范圍較大。

（3）黃河下游河道輸沙水量均隨小浪底水文站汛期洪水含沙量和來沙系數(shù)的增加而減少，當(dāng)S＞85kg／m3、S/Q＞0.01時，河道的輸沙水量小而穩(wěn)定，輸沙效率極大提高。

（4）黃河下游河道輸沙水量與整個下游河道淤積比呈明顯的反比關(guān)系，淤積越嚴重，輸沙水量反而越小。

（5）黃河下游河道輸沙水量占徑流量的比重隨含沙量和來沙系數(shù)的增加而增加，并趨于穩(wěn)定。

通過以上結(jié)論分析可以看出，在汛期，黃河下游河道輸沙能力與小浪底水文站水沙過程緊密相關(guān)。小浪底水庫建成后，可以充分利用水庫調(diào)水調(diào)沙，利用洪水期大流量高效輸沙，發(fā)掘河道自身輸沙潛力，即可以減小黃河下游河道淤積，從而防止河床抬高。同時，也使黃河有限的水資源得到充分利用，從而達到黃河下游河道水沙資源優(yōu)化配置，實現(xiàn)黃河資源合理開發(fā)和黃河的長治久安。

［1]張曉華，趙業(yè)安.近期黃河下游河道演變研究［J］.人民黃河，1997（9）：14-16.

［2]景可.黃河下游河道泥沙淤積形式探討［J］.泥沙研究，1986（1）：30-37.

［3]岳德軍，侯素珍.黃河下游輸沙水量研究［J］.人民黃河，1996（8）：32-33.

［4]許炯心.黃河下游河道輸沙功能的時間變化及其原因［J］.地理研究，2006（2）：276-284.

［5]韓巧蘭，郭選英，王艷平，等.小浪底水庫運用初期黃河下游河道沖淤變化預(yù)估分析 ［J］.泥沙研究，2006（3）：35-39.

［6]王渭涇，黃自強，耿明全，等.黃河下游河道治理模式探討［J］.人民黃河，2006（6）：1-3.

［7]姚文藝，嚴忠民，李勇.黃河下游河道萎縮過程中輸沙能力的調(diào)整［J］.水利水電科技進展，2006（3）：10-14.

［8]齊璞，侯起秀.小浪底水庫運用后輸沙用水量可以大量節(jié)省［J］.泥沙研究，2008（3）：69-74.

［9]嚴軍，申紅彬，王俊，等.用泥沙輸移公式推求黃河下游河道輸沙水量［J］.人民黃河，2009（2）：25-26.

［10］胡春宏.黃河干流泥沙空間優(yōu)化配置研究（Ⅱ）—潛力與能力［J］.水利學(xué)報，2010（4）：379-389.

［11］胡春宏，陳緒堅，陳建國，等.黃河干流泥沙空間優(yōu)化配置研究（Ⅰ）—理論與模型［J］.水利學(xué)報，2010（3）：253-263.

［12］胡春宏，陳緒堅，陳建國，等.黃河干流泥沙空間優(yōu)化配置研究（Ⅲ）—模式與方案［J］.水利學(xué)報，2010（5）：514-523.

［13］郭少磊，江恩慧，孫東坡.黃河下游河道均衡輸沙關(guān)系研究［J］.泥沙研究，2014（1）：47-52.

［14］張瑞瑾.河流泥沙動力學(xué)［M］.北京：水利電力出版社，1989：213-215.

［15］嚴軍.小浪底水庫修建后黃河下游河道高效輸沙水量研究［D］.北京：中國水利水電科學(xué)研究院，2003.

［16］王俊，王勤香，趙海濱.黃河下游河道泥沙資源空間優(yōu)化配置的過程控制方法研究［R］.河南：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，2016.

[責(zé)任編輯 楊明慶]

Research on Sediment-Transport Water Volume and Efficiency in Lower Yellow River Channel during Flood Period

ZHAO H ai－bin1，2，YANG C hun－jing1，2，WANG Jun1，2
（1.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China；2.Henan Higher Education Engineering Research Center of Water Conservancy for Small Watershed，Kaifeng 475004，Henan，China）

According to the water and sediment of Xiaolangdi and Huayuankou hydrologic station，it calculates the sediment-transport water volume and total runoff volume proportional in lower Yellow River during different operational period，analyzes the law of sediment-transport and influence factors.The result presents that the sediment-transport water volume in lower Yellow River has better relationship with indexes of Xiaolangdi’s hydrologic data under the erosion and deposition state in flood season.In general，the sediment-transport water volume increase with the increment of runoff，flow and sediment；on the contrary，it decreases with increment of sediment concentration and incoming sediment coefficient.The ratio of the sediment-transport water volume to runoff gradually increases and has stable trend with increment of sediment concentration and incoming sediment coefficient.It indicates the sediment-transport water volume is small and stable，the efficiency of sediment-transport is more higher in flood season.After Xiaolangdi reservoir regulation of flow and sediment，it reached the optimized allocation purpose of water and sand resources in lower Yellow River channel.

Lower Yellow River channel；sediment-transport water volume；efficiency of sediment-transport；law of sediment-transport；influence factor

TV879

A

10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.001

2016-08-28

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目：黃河下游河道泥沙資源空間優(yōu)化配置的過程控制方法研究（132300410022）。

趙海濱（1983-），男，河南鄭州人，講師，碩士，主要從水利工程、河流動力學(xué)等教學(xué)與研究工作。

王 俊（1967-），男，湖北孝感人，教授，主要從事水工水力學(xué)基礎(chǔ)理論、黃河下游河道治理等教學(xué)與研究工作。