黃河內(nèi)蒙河段凌汛期河床變化的特點(diǎn)及其帶來(lái)的影響

秦 毅，李子文，劉 強(qiáng)，李 時(shí)

（西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，陜西 西安 710048）

1 研究背景

黃河上游內(nèi)蒙古河段（以下簡(jiǎn)稱(chēng)內(nèi)蒙河段）位于北緯38°—40°N，屬于高緯度地區(qū)河流，每年有約4～5個(gè)月的凌汛期。凌汛期按照冰的生消過(guò)程可分為流凌期、封凍期和開(kāi)河期。內(nèi)蒙河段一般在11月份進(jìn)入流凌期，12月進(jìn)入封凍期，3月中下旬開(kāi)河。受河段所處的緯度影響，內(nèi)蒙河段三湖河口最先封河；開(kāi)河則沿河段自上而下進(jìn)行。不論流凌期還是開(kāi)河期，內(nèi)蒙河段均極易發(fā)生卡冰結(jié)壩形成冰凌災(zāi)害［1］，而封凍期水位抬高造成防汛壓力。截至2010年，受上游大型水庫(kù)徑流調(diào)節(jié)的影響，內(nèi)蒙河段輸冰能力降低，冰期水位持續(xù)抬高，2010年后，冰期水位與1968—1989年接近，但流量明顯偏低，即2010年后冰期呈現(xiàn)低流量高水位現(xiàn)象。堤防抗洪能力明顯降低，凌洪災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，且后果嚴(yán)重［2］。李超群等［3］的研究認(rèn)為：凌情受多種因素的共同影響，突發(fā)性強(qiáng)、難預(yù)測(cè)，水庫(kù)防凌作用有限，而且大量跨河建筑物的施工、建設(shè)，使河道過(guò)流條件日趨惡化，導(dǎo)致發(fā)生冰塞、冰壩等凌汛險(xiǎn)情的可能性依然存在。

鑒于上述背景，對(duì)凌災(zāi)的發(fā)生、影響因素及控制方式的研究從未間斷。較統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)為槽蓄水增量或河勢(shì)造成卡冰結(jié)壩引起的水位抬高是致災(zāi)因子，氣溫變化和人類(lèi)活動(dòng)則影響到孕災(zāi)環(huán)境。就研究的深度而言，多數(shù)從熱力學(xué)、冰水力學(xué)、槽蓄水增量的變化趨勢(shì)、心灘，彎道和卡口分布以及水庫(kù)建設(shè)前后凌汛期水文特征變化等角度對(duì)凌災(zāi)的影響進(jìn)行研究［3-6］。其實(shí)，內(nèi)蒙古河道的沙質(zhì)河床屬性注定了河床變化對(duì)凌災(zāi)的影響。盡管許多學(xué)者也注意到了冰期的［7-9］水力學(xué)和冰影響下輸沙的特殊性［10-12］，包括輸沙的形式和冰對(duì)河岸的侵蝕［8，13-14］，但對(duì)于凌汛期河床變化的認(rèn)識(shí)卻不夠清晰［15］，相關(guān)研究和成果甚少，更談不上河床變化與凌汛的相互影響。因此彌補(bǔ)對(duì)河床變化這一致災(zāi)因子的研究既有助于進(jìn)一步理解內(nèi)蒙古河段凌汛期水文特征的變化，又有助于評(píng)價(jià)現(xiàn)有防凌措施，或?yàn)楹侠泶_定防凌措施提供理論依據(jù)。

邏輯上，沖積河道的變形是由水流作用下大量泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)，即泥沙輸移引起的，輸移的特點(diǎn)決定了河床變形的特點(diǎn)。因此本文依據(jù)歷年內(nèi)蒙河段的實(shí)測(cè)水文資料，統(tǒng)計(jì)分析內(nèi)蒙河道凌汛期泥沙輸送特性，結(jié)合現(xiàn)有的研究成果解釋這種輸移特性產(chǎn)生的機(jī)理，在理解輸沙機(jī)理的基礎(chǔ)上對(duì)該河段凌汛期河床形態(tài)變化及帶來(lái)的影響進(jìn)行探討。

2 研究區(qū)域概況

內(nèi)蒙河段地處黃河上游區(qū)下段，全長(zhǎng)673 km，河道縱比降約0.17‰。自上游至下游建有石嘴山、巴彥高勒、三湖河口和頭道拐4個(gè)國(guó)家級(jí)水文站（圖1）。內(nèi)蒙河段屬?zèng)_積平原河道，河道寬淺，平均河寬500～6 000 m，其中三湖河口以下126 km范圍內(nèi)的河寬達(dá)7 000～8 000 m。內(nèi)蒙河段斷面沖淤變化大，主流擺動(dòng)頻繁。除庫(kù)布齊沙漠的10條季節(jié)性支流外，整個(gè)河段幾乎沒(méi)有其他支流匯入，徑流量和洪水主要來(lái)自相距河段680 km的上游干流段。河流中63%以上的泥沙粒徑大于0.1 mm，主要來(lái)自周邊的烏蘭布和沙漠及庫(kù)布齊沙漠，沙漠沙被風(fēng)力或水力帶入河流構(gòu)成，故該河段也屬于多粗泥沙河段。

在天然情況下，內(nèi)蒙河段平均兩年就有一次不同程度的凌洪災(zāi)害和較大范圍的淹沒(méi)損失。為了緩解黃河上游河段的凌洪災(zāi)害，上游劉家峽水庫(kù)從1968年開(kāi)始進(jìn)行防凌調(diào)度，隨著1986年龍羊峽水庫(kù)投入使用，兩庫(kù)開(kāi)始聯(lián)合防凌調(diào)度，力求進(jìn)一步控制凌災(zāi)。

巴彥高勒到頭道拐河段（以下簡(jiǎn)稱(chēng)巴頭河段）是發(fā)生凌洪災(zāi)害最嚴(yán)重的河段。隨著氣溫降低，三湖河口至頭道拐河段（以下簡(jiǎn)稱(chēng)三頭河段）由于緯度較高，首先進(jìn)入封河卻最后開(kāi)河，導(dǎo)致上游巴彥高勒來(lái)水挾冰而下，加之三頭河段屬于游蕩（三湖河口至昭君墳）、彎曲（昭君墳至頭道拐）型河流，容易出現(xiàn)冰塞或冰壩，故本次研究主要針對(duì)巴頭河段。共收集了1954—2013年巴彥高勒、三湖河口和頭道拐3個(gè)國(guó)家級(jí)水文站實(shí)測(cè)的流量、輸沙率和顆粒級(jí)配等相關(guān)資料，以及包頭水文站2014—2015年非汛期斷面數(shù)據(jù)（該站于2014年1月1日投運(yùn)）。

圖1 黃河內(nèi)蒙古河段水文站布置圖

3 巴頭河段的輸沙特征

3.1 輸送泥沙的能力強(qiáng) 統(tǒng)計(jì)分析1954—2013年三湖河口和頭道拐水文站的凌汛期實(shí)測(cè)輸沙率資料可以看到流凌期和開(kāi)河期的輸沙率遠(yuǎn)大于封凍期（圖2），尤以頭道拐的開(kāi)河期輸沙率最大。同時(shí)開(kāi)河期凌峰輸沙率遠(yuǎn)大于伏汛同等流量洪峰和上站來(lái)沙時(shí)的輸沙率。張曉華［16］曾就寧蒙河道伏汛期洪水的輸沙率得出公式，其中頭道拐的公式為：

式中：Qstou為頭道拐的輸沙率，t/s；Qtou為頭道拐的流量，m3/s；Ssan表示三湖河口的含沙量，kg/m3。

公式的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.98，表明公式精度較高，可以用于預(yù)測(cè)伏汛期洪水的輸沙率。將頭道拐站凌洪實(shí)測(cè)水沙資料代入式（1），得出的計(jì)算結(jié)果可視為相同水沙條件下伏汛期的輸沙率。將該值與凌洪期實(shí)測(cè)輸沙率比較發(fā)現(xiàn)：頭道拐的凌汛實(shí)測(cè)輸沙率基本都大于計(jì)算得到的相同水沙條件下的伏汛期輸沙率，其中最大相差6.6倍，平均2.53倍，見(jiàn)圖3。造成流凌期和開(kāi)河期的輸沙率遠(yuǎn)大于封凍期的原因之一是封凍期的流量小于流凌期和開(kāi)河期（圖4）；造成凌峰輸沙率遠(yuǎn)大于伏汛同等流量洪峰的輸沙率的原因則與凌汛期特殊的輸沙條件有關(guān)（將在第4節(jié)給出）。

圖2 1992—1993年三湖河口、頭道拐凌汛期輸沙率過(guò)程

圖3 頭道拐站凌峰輸沙率實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較

圖4 1992—1993年三湖河口、頭道拐凌汛期流量過(guò)程

3.2 輸送泥沙的粒徑粗 同樣統(tǒng)計(jì)頭道拐水文站凌汛期和伏汛期實(shí)測(cè)泥沙顆粒級(jí)配資料發(fā)現(xiàn)，凌汛期輸送的泥沙粗于伏汛期，特點(diǎn)如下：①同流量下封凍期和伏汛期的中值粒徑D50基本相當(dāng)，分別為0.0117 mm和0.0123 mm，但在含沙量不大的條件下泥沙的D90卻大于伏汛期時(shí)的D90，說(shuō)明封凍期粗泥沙的含量增大；②流凌期和開(kāi)河期的D50基本相當(dāng)，分別為0.0340 mm和0.0344 mm，遠(yuǎn)大于封凍期和伏汛期同流量下的D50，D90存在同樣規(guī)律（見(jiàn)圖5）。

圖5 頭道拐凌汛期和伏汛期同流量下懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配

為了進(jìn)一步證明凌汛期輸送的泥沙較伏汛期粗，根據(jù)實(shí)測(cè)資料計(jì)算了粒徑大于0.031 mm泥沙在凌汛期（水溫0.5～18℃）的懸浮指標(biāo)，與秦毅的伏汛期（水溫19～22℃）成果［17］進(jìn)行比較（見(jiàn)表1）?？梢钥吹较嗤髁亢土綏l件下，凌汛期的懸浮指標(biāo)均小于伏汛期時(shí)，這說(shuō)明凌汛期泥沙更容易懸浮而被水流帶走。懸浮指標(biāo)小于0.06時(shí)泥沙為沖瀉質(zhì)，可以全部懸浮至水面；在0.1～3時(shí)泥沙為懸移質(zhì)；大于3時(shí)，90%泥沙的懸浮高度不超過(guò)0.1倍的水深，泥沙基本為床沙［18］。根據(jù)這一經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，從表1可看到，伏汛期0.05～0.055 mm的泥沙做懸移運(yùn)動(dòng)（三湖河口），而在凌汛期接近沖瀉質(zhì)；伏汛期0.25 mm的泥沙在巴彥高勒和三湖河口站為床沙，凌汛期成為了可被水流帶走的懸移質(zhì)。

這些現(xiàn)象不僅表明流凌期和開(kāi)河期水流輸送的泥沙粒徑粗，而且表明粗泥沙輸送能力較伏汛期更強(qiáng)。根據(jù)張洪武［19］粗泥沙粒徑計(jì)算公式算出的粒徑結(jié)果［20］，結(jié)合懸浮指標(biāo)可推測(cè)：凌汛期巴彥高勒至三湖河口和三湖河口至頭道拐河段臨底運(yùn)動(dòng)的粗泥沙（床沙質(zhì)）主體粒徑大約為0.125～0.25 mm；頭道拐河段則基本與伏汛期相當(dāng)，為0.125～0.23 mm。這在一定程度上可以說(shuō)明凌汛期粗泥沙對(duì)溫度的響應(yīng)。

表1 巴彥高勒、三湖河口和頭道拐水文站伏汛期（水溫19～22℃）和凌汛期（水溫0.5～18℃）懸浮指標(biāo)

4 輸沙特征的產(chǎn)生機(jī)理

事實(shí)上，內(nèi)蒙古河道這種現(xiàn)象是地處高寒地區(qū)河流的普遍現(xiàn)象［14，21］。Benoit等［22］依據(jù)眾多學(xué)者的研究成果，對(duì)冰期輸沙特征的形成原因給予了充分總結(jié)，可以認(rèn)為是以下幾個(gè)方面綜合作用的結(jié)果。

4.1 冰作用下的流速變化 冬季河水中，冰在形成和融化過(guò)程中產(chǎn)生的冰晶，極易黏連聚集，其形成的體積、形狀、堅(jiān)固程度都隨水力和熱力因素的變化而變化，加之其比重不同于水和沙，因此冰期沖積河流中的水流是水、沙和冰的三相流，相互作用極其復(fù)雜。

流凌期氣溫持續(xù)降低，水流中不斷產(chǎn)生小冰凌，它們之間相互碰闖、黏連和裹挾泥沙［7］形成大片冰塊，使表層水流阻力增加，水流垂線(xiàn)最大流速點(diǎn)位置下移，導(dǎo)致冰凌在冰塊的下部堆積，冰塊厚度增加，減小了過(guò)流面積，最大流速點(diǎn)的位置進(jìn)一步下移，造成河底的強(qiáng)烈沖刷（圖7）。同時(shí)不連續(xù)冰蓋周邊阻力增加，過(guò)流斷面收縮，也會(huì)導(dǎo)致床面附近的流速大于明流［23］，使得輸沙率加大、粗顆粒床沙質(zhì)懸浮，這是沙樣顆粒級(jí)配變粗的原因。

封凍期整個(gè)河面結(jié)冰，冰凌的黏聚體不但增加了河流的糙度，使阻力大幅增加，同時(shí)也阻礙了水流運(yùn)動(dòng)，造成水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，水位大幅上漲（產(chǎn)生大量槽蓄水量）、斷面平均流速減小。此時(shí)中粗顆粒泥沙因失去動(dòng)力而由懸移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變?yōu)橥埔苹蛲Ｖ惯\(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，一部分細(xì)泥沙被冰凌裹挾，輸沙率降到最低。

開(kāi)河期冰層隨著水溫升高破碎消融，河流阻力減小，槽蓄水量釋放，流量、流速和水流紊動(dòng)增大。破碎冰邊沿產(chǎn)生的紊流與河底紊流交換［8］，進(jìn)一步加大了水流的紊動(dòng)性，造成河床發(fā)生沖刷，同時(shí)消融的冰凌裹挾的泥沙被釋放，輸沙量再次加大。開(kāi)河過(guò)程中，帶冰凌的水流如遇到彎道、干支流交匯、河道構(gòu)筑物等，會(huì)發(fā)生冰壩與冰壩潰決的情形，這也是開(kāi)河期含沙量突然加大的關(guān)鍵要素。

可見(jiàn)形成凌汛期輸沙特征的根本是冰作用下的流速變化。

4.2 水溫的作用 泥沙因水流的紊動(dòng)而懸浮在水中，舒安平［24］經(jīng)過(guò)詳細(xì)推導(dǎo)，得出水流用于懸浮泥沙的效率為懸浮功與紊動(dòng)能之比，即：

式中：γs、γm分別是泥沙容重和渾水容重，kg/m3；Sv是體積比含沙量；ω是泥沙沉速，m/s；u是垂線(xiàn)平均流速，m/s；s是水面比降，kt是水流紊動(dòng)能轉(zhuǎn)化率，表達(dá)為：

式中：τ0和τBT分別是清水和高含沙水流（賓漢體）的剪切力，N；y0是高含沙水流的流核厚度，m；h是水深，m；kd是流速分布形狀系數(shù)；μm是渾水的動(dòng)力黏性系數(shù)，它正比于清水的動(dòng)力黏性系數(shù)μ0和體積比含沙量Sv與極限體積比含沙量Svm的比值［25］：

由于隨水溫的降低，清水μ0增大，故μm增大，kt減小，懸浮效率es提高，進(jìn)而輸沙率增加。再則，水溫對(duì)水流黏滯性的影響等同于高含沙水流對(duì)水流黏滯性的影響，水流阻力和泥沙沉速都因此減小，水流挾沙能力增大，也會(huì)使輸沙率增加。

洪柔嘉等［26］通過(guò)室內(nèi)水槽試驗(yàn)得出，當(dāng)弗勞德數(shù)Fr大于某臨界值時(shí)，底層泥沙濃度增加較大，阻力系數(shù)值雖較小但仍明顯增加。統(tǒng)計(jì)分析表明水溫在20～30℃時(shí)，溫度對(duì)輸沙量的影響不明顯；水溫低于20℃，溫度影響不能忽略；水溫低于4℃接近冰點(diǎn)時(shí)，溫度對(duì)輸沙量的影響最大。

為了探究在內(nèi)蒙古河道水溫對(duì)天然河流輸沙量影響的具體規(guī)律，本次研究對(duì)比了內(nèi)蒙頭道拐水文站4—5月（低水溫，約6℃）和8—10月（高水溫，約22℃），洪水退水時(shí)日平均流量與日平均輸沙率的關(guān)系（見(jiàn)圖6）。選擇這兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行比較，既可以保證兩者都具有較大含沙量，又同時(shí)排除了冰的影響。圖6清楚表明，在相同流量下，頭道拐低水溫期輸沙率Qsi顯著高于高水溫期輸沙率Qss。利用建庫(kù)后14年實(shí)測(cè)水文資料分析得出兩者的比值（Qsi/Qss）隨流量的增加而加大，有著如下的變化規(guī)律：

根據(jù)式（5）可得當(dāng)流量大于900 m3/s時(shí)，Qsi與Qss的比值超過(guò)1.25倍，水溫的影響開(kāi)始明顯地表現(xiàn)出來(lái)。以上的結(jié)果是在水溫6℃和22℃之間比較時(shí)的結(jié)果，當(dāng)溫度小于6℃時(shí)，水溫影響出現(xiàn)的臨界流量尚不清楚。

圖6 頭道拐水文站水溫對(duì)輸沙率的影響

圖7 凌汛期包頭水文站測(cè)流斷面的變化

圖7展示了2014—2015年凌汛期內(nèi)蒙河段包頭水文站（三湖河口下游149 km處）測(cè)量斷面的變化。從圖中可看到，封凍期主槽最大沖深1 m，淺灘發(fā)生淤積。此時(shí)封凍期的平均流速為0.67 m/s，最大流速為1.05 m/s，而伏汛期相近最大流速下，主槽很少發(fā)生如此大的沖刷現(xiàn)象。這說(shuō)明當(dāng)封凍期中水流的剪切力［27］、垂向擴(kuò)散率和縱向彌散率［12］減小時(shí)［28］，懸浮效率的增加對(duì)河床沖刷起到了重要作用。換句話(huà)說(shuō)，增加的懸浮效率會(huì)補(bǔ)償因流速減小引起的能量減小，從而攜帶推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然，冰層厚度也可能是一個(gè)原因。Benoit等學(xué)者［22］推測(cè)隨著冰層加厚，過(guò)流面積減小，流速增大到泥沙運(yùn)動(dòng)的臨界值。但圖7中流凌期的平均流速為0.51 m/s，最大流速為1.05 m/s，封凍期平均流速只比其增加了23.9%，最大流速保持不變，因此冰層厚度對(duì)主槽的影響不大，主槽沖刷更大程度上應(yīng)該是水溫增加了懸浮效率的緣故。

4.3 含沙量的作用 正如式（2）中所示，水流的黏性不僅受水溫的影響，同時(shí)也會(huì)受含沙量的影響。當(dāng)泥沙的中值粒徑d50為0.04～0.06 mm時(shí)，Svm可達(dá)到0.48［29］。由式（2）可知，只有當(dāng)Sv≥0.113即含沙量大于299 kg/m3時(shí)，μm≥1.15μ0。它說(shuō)明雖然含沙量對(duì)泥沙的懸浮效率有影響，但這種影響在含沙量較低時(shí)并不顯著。而根據(jù)式（4）計(jì)算可知，水溫為6℃時(shí)的μ0是水溫為22℃時(shí)的μ0的1.64倍。相比較而言，盡管含沙量對(duì)水流黏性有影響但遠(yuǎn)沒(méi)有水溫對(duì)水流黏性的影響大。

4.4 凍融效應(yīng) 凍融是指氣候的日、年和多年變化可能導(dǎo)致特定氣候區(qū)域地球表層一定范圍內(nèi)土的凍結(jié)和融化現(xiàn)象。河流兩岸及灘地的部分區(qū)域，其土壤空隙間通常會(huì)充滿(mǎn)水，或說(shuō)土壤含水量接近飽和。在冬季河流的凍結(jié)過(guò)程中，凍結(jié)的水分因膨脹產(chǎn)生形態(tài)變化使土體發(fā)生機(jī)械變化，破壞了原有土體結(jié)構(gòu)，迫使土體松動(dòng)，降低了土體強(qiáng)度。隨著氣溫的升高，河流進(jìn)入解凍過(guò)程，凍結(jié)的土壤解凍時(shí)，松動(dòng)的土體因抗剪強(qiáng)度迅速降低而極易被水流沖刷挾帶，在灘上產(chǎn)生沖刷溝。開(kāi)河時(shí)，河流兩側(cè)岸易被解凍中流動(dòng)的冰塊刮擦，甚至?xí)驗(yàn)槠履_抗剪強(qiáng)度的減小而發(fā)生塌岸，導(dǎo)致大量泥沙進(jìn)入河道，水流含沙量增加，輸沙率提高。如果發(fā)生循環(huán)凍融，則土體強(qiáng)度減小更多［30］，輸沙量會(huì)更大。由于凍融產(chǎn)沙影響因子復(fù)雜，物理機(jī)制尚未被認(rèn)識(shí)清楚，故對(duì)凍融引起的產(chǎn)沙量估算還要走很長(zhǎng)的研究之路。

除此之外，凌汛期輸沙特征還與泥沙輸運(yùn)方式，例如冰凌攜沙、冰凌漂礫、水內(nèi)冰夾沙等有關(guān)［31］。

5 凌洪期河床變化特性及其帶來(lái)的影響

邏輯上，冰影響下的流速變化和低水溫共同作用產(chǎn)生的凌汛期輸沙特征必然會(huì)引起沙質(zhì)河床的變化，這種變化又會(huì)反作用于水流流速，再次影響到冰和泥沙的輸送，產(chǎn)生新的河床形態(tài)。作為致災(zāi)因子，河床變化也會(huì)影響到凌災(zāi)。鑒于封凍期內(nèi)輸沙率很小，河床除主槽小范圍沖刷下切外，其余部位基本穩(wěn)定。而流凌期和開(kāi)河期常是對(duì)河床變化影響最大的時(shí)期，考慮這兩個(gè)時(shí)期輸沙對(duì)河床的作用機(jī)理相同，故這里僅就開(kāi)河期洪水引發(fā)的河床變化及影響進(jìn)行探討。

5.1 凌洪期橫斷面河床的變化

5.1.1 河底的變化 本文采用深泓點(diǎn)高程的變化過(guò)程反映凌洪期間粗泥沙的運(yùn)動(dòng)及產(chǎn)生的河床變化情況。一般來(lái)說(shuō)，洪水過(guò)程中低水位橫斷面面積變化能夠較好的反映河槽底部的沖淤變化［19-20］。在分析三湖河口站凌洪過(guò)程中橫斷面低水位（1017 m）面積變化時(shí)發(fā)現(xiàn)其與深泓點(diǎn)高程的變化呈較高的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.6～-0.96，均超過(guò)臨界相關(guān)系數(shù)；進(jìn)一步對(duì)比分析表明兩者代表的河底沖淤變化趨勢(shì)一致，即低水位橫斷面面積減小，深泓點(diǎn)高程增大，河床淤積；反之亦然。這是由于無(wú)論深泓點(diǎn)在橫斷面上何處，其附近區(qū)域都是水流單寬流量最大的區(qū)域，也是水流最易于攜帶泥沙的區(qū)域，從而易于沖淤。而深泓點(diǎn)高程更易獲得，鑒于此，本文采用深泓點(diǎn)高程的變化過(guò)程反映凌洪期間粗泥沙的運(yùn)動(dòng)及產(chǎn)生的河床變化情況，凌洪過(guò)程中深泓點(diǎn)高程隨時(shí)間的持續(xù)抬升表示了整個(gè)河底的抬升，即河底淤積。

圖8展示了開(kāi)河期不同凌洪過(guò)程形態(tài)下，三湖河口和頭道拐斷面深泓點(diǎn)高程的變化?？梢钥吹?個(gè)特點(diǎn)：①隨著漲水流量的增大，深泓點(diǎn)高程抬高；隨著退水流量的減小，深泓點(diǎn)高程也在降低。這表明河床漲淤落沖，與伏汛期的漲沖落淤恰好相反。這與黃河水利委員會(huì)寧蒙局水情測(cè)報(bào)人員認(rèn)識(shí)一致（一般凌洪期水位流量呈順時(shí)針繩套關(guān)系，伏汛期洪水則呈逆時(shí)針繩套）。在多數(shù)情況下凌洪結(jié)束時(shí)的深泓點(diǎn)高程大于洪水起漲點(diǎn)的高程，表明河床底部發(fā)生淤積。②深泓點(diǎn)高程抬升的最大值多數(shù)滯后于洪峰出現(xiàn)，這與水流速度大于泥沙運(yùn)動(dòng)速度且大于止動(dòng)流速有關(guān)。之后隨著退水深泓點(diǎn)高程開(kāi)始降低，河床發(fā)生沖刷。③洪水過(guò)程的形態(tài)明顯影響深泓點(diǎn)高程的抬升和回落情況。洪水陡漲陡落時(shí)，深泓點(diǎn)高程抬升大（一般在1 m以上，個(gè)別在2 m左右）且回落慢，表明此時(shí)河床淤積嚴(yán)重且恢復(fù)慢；緩漲緩落時(shí)，抬升小回落快，即河床淤積較輕且易恢復(fù)。這些特征表明凌洪期，河床底部有大量推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)并堆積，這種情況也會(huì)發(fā)生在伏汛大洪水時(shí)期［20］。

圖8 開(kāi)河期洪水形態(tài)引起的河底高程變化（780322表示洪峰出現(xiàn)時(shí)間為1978年3月22日的洪水，其他亦然。）

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可以用前述凌汛期輸沙機(jī)理來(lái)解釋。開(kāi)河漲洪時(shí)，一方面，低溫水流的高懸浮效率es、冰蓋破碎成浮冰所產(chǎn)生的紊動(dòng)能和逐漸增大的洪水增加了含沙量，尤其是河底附近床沙質(zhì)粗泥沙的含沙量，這些粗泥沙主要來(lái)源于河岸土壤侵蝕、各種冰凌沙的釋放以及封凍期河底的沖刷帶來(lái)的泥沙。許連臣［32］觀察總結(jié)道：正常解凍行凌（文開(kāi)河）和特殊解凍行凌（武開(kāi)河）攜沙現(xiàn)象非常普遍，且攜沙量達(dá)到驚人程度。漲洪越迅速，床沙質(zhì)運(yùn)動(dòng)量越大，加之隨著冰的融化，破碎的冰塊產(chǎn)生擾動(dòng)，更多的床沙質(zhì)粗泥沙進(jìn)入近底水流，形成了粗泥沙運(yùn)動(dòng)層。另一方面，相較于伏汛期，除了沙波、沙粒等組成的河流阻力f1外，凌汛期還因冰的存在（水內(nèi)冰凌、不連續(xù)冰塊、卡冰結(jié)壩等）形成了阻力f2，使凌汛漲洪期阻力增加。漲洪過(guò)程中，河流阻力f2削弱了低溫效應(yīng)的減阻作用，且隨著水流由封凍期的管流逐漸成為開(kāi)河期的暢流，垂線(xiàn)最大流速位置升高，近底流速減小，河底運(yùn)動(dòng)的粗沙層極易因失去動(dòng)能而沉積，抬高河床。退水過(guò)程中，冰凌消融，河流阻力f2隨之減小直至消亡，低溫下水流阻力減小，泥沙的懸浮效率增加明顯，河底發(fā)生沖刷。退水越迅速，水流動(dòng)力減小越迅速，粗沙因失去動(dòng)能越快而更不容易被帶走，河底恢復(fù)越慢；反之，退水緩慢，由于低溫的高懸浮能力，混在粗泥沙中的中粗和細(xì)顆粒泥沙有機(jī)會(huì)被沖走，河床淤積相對(duì)減輕。

上述河底變化過(guò)程也表明，凌洪峰頂或過(guò)后的退水初期，因河床淤積最嚴(yán)重，洪水水流阻力最大，不僅水位達(dá)到最大，橫向流速也加大，容易發(fā)生堤腳或岸坡坡腳沖刷、漫堤等災(zāi)害，故更應(yīng)關(guān)注峰頂和退水初期的險(xiǎn)情。

表2 開(kāi)河期3個(gè)水文站河床形態(tài)變化及相應(yīng)發(fā)生概率

河底易淤的原因及影響因素已在4.1.1節(jié)中述及。沖刷河岸的原因一是由于凍融作用，二是f2使河流阻力增大削弱了低溫引起的減阻作用。秦毅等［34］在水槽試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)河流阻力增加時(shí)，水流的縱向流速減小，橫向流速增加，水流因此靠近側(cè)岸流淌，致使河岸沖刷。

巴頭河段的河底易淤與河岸易沖使得河段橫斷面形態(tài)趨向于寬淺。Parker曾聯(lián)解水流連續(xù)方程、水流阻力方程和推移質(zhì)挾沙力方程導(dǎo)出一組河相關(guān)系［34-35］。在此基礎(chǔ)上，可得到寬深比與推移質(zhì)輸沙量的關(guān)系：

其中：R=（γs-γ）/γ；D50為邊界組成物質(zhì)的中值粒徑，m；Qn為平灘流量，m2/s；G為平灘流量下推移質(zhì)的輸沙量（以體積計(jì)），m3；g為重力加速度，m/s2。該公式是基于伏汛洪水得到的，應(yīng)用于受低溫影響的凌汛期時(shí)需要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。以頭道拐為例，其凌汛期D50為0.0344 mm的泥沙，與伏汛期D50為0.0123 mm的泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，兩者與對(duì)應(yīng)水流的相互作用關(guān)系也相同。因此，D50為0.0123 mm的伏汛期泥沙等同于D50為0.0344 mm的凌汛期泥沙。此時(shí)根據(jù)式（5）和圖（6）可知，凌汛期的懸移質(zhì)量大于伏汛期的懸移質(zhì)量，假定推懸比不變，那么，相較于伏汛期，凌汛期的推移質(zhì)輸沙量有所增加，由式（6）可知河道變寬淺。這也就說(shuō)明凌汛期更多粗泥沙的運(yùn)動(dòng)是引起河段橫斷面趨向?qū)挏\的重要原因，與Khan的研究結(jié)果［33］一致。

5.2 凌汛期輸沙對(duì)河段沖淤及凌情的影響 凌洪輸沙能力強(qiáng)，尤其能夠輸送大量粗泥沙，同時(shí)內(nèi)蒙河道上游粗泥沙富集，可以為下游河道提供大量物質(zhì)，因而導(dǎo)致凌汛期河段沖淤情況與伏汛期沖淤情況有很大不同，主要表現(xiàn)為：①相同流量下開(kāi)河期洪水造成河段發(fā)生沖刷的概率和沖刷量都大于伏汛期洪水（見(jiàn)圖9），表明開(kāi)河期洪水對(duì)塑造三頭河段河床起著重要作用。②凌汛期懸移質(zhì)泥沙在巴彥高勒以下河段全部沖刷，推移質(zhì)泥沙則淤積在巴彥高勒到三湖河口河段（以下簡(jiǎn)稱(chēng)巴三河段），即凌汛期巴三河段淤粗沖細(xì)，三頭河段一律沖刷（見(jiàn)表3）。伏汛期，則常表現(xiàn)為巴三、三頭河段沖淤交替［36］。

圖9 不同時(shí)期三頭河段的沖淤量

表3 內(nèi)蒙古河段凌洪推移質(zhì)沖淤次數(shù)統(tǒng)計(jì)

凌汛期粗泥沙之所以會(huì)淤積在巴三河段，與三頭河段封凍早于巴三河段有關(guān)。一般情況下，每年11月中旬巴彥高勒河段進(jìn)入流凌期，此時(shí)低溫水流能夠攜帶大量粗泥沙進(jìn)入下游河道，由于此時(shí)三湖河口河段流凌量較大或已進(jìn)入封河，流速大大減小，故泥沙便沿程淤積下來(lái)。其中細(xì)顆粒泥沙在三湖河口開(kāi)河時(shí)被沖刷，而中粗顆粒泥沙則因巴三河段開(kāi)河期平均流量較小，一般在650 m3/s左右，小于發(fā)揮低溫輸沙效率的流量900 m3/s而繼續(xù)沉積?？梢酝茢?，11月份巴彥高勒所攜帶泥沙越多，則巴三河段淤積越嚴(yán)重。

李超群等［3］的分析結(jié)果（見(jiàn)表4）指出巴三河段封、開(kāi)河時(shí)的水位隨年代不斷提高。這不僅與三頭河段近年來(lái)修建了許多橋梁等涉水建筑物有關(guān)，也與凌汛期巴三河段淤粗排細(xì)有關(guān)。粗泥沙在巴三河段的淤積促使該河段河底抬高，目前已成為“懸河”河段，同時(shí)促進(jìn)了河段的淺灘、心灘、汊河發(fā)育，增加了河流阻力，加大了槽蓄水增量，也增加了水流側(cè)向侵蝕引起塌岸的風(fēng)險(xiǎn)。

表4 內(nèi)蒙河段各水文站封河期、開(kāi)河期最高水位平均值統(tǒng)計(jì) （單位：m）

6 結(jié)論

（1）冰的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了特殊的水力學(xué)環(huán)境和輸沙形式，在具有高懸浮效率的低溫水流配合下，相較于伏汛同流量洪水，凌汛洪水的輸沙率更大、輸送的粒徑更粗。

（2）在凌洪過(guò)程中河床底部隨洪水過(guò)程經(jīng)歷了漲淤落沖的過(guò)程。因大量粗泥沙運(yùn)動(dòng)，漲淤落沖的程度敏感于洪水量級(jí)和洪水過(guò)程形態(tài)。陡漲陡落的洪水趨向于使河底高程抬高，河床橫斷面形態(tài)變寬淺；洪水量級(jí)越大，漲落緩慢，則河底抬升量越小，且淤積容易得到恢復(fù)，河床形態(tài)趨于窄深或不變。

（3）由于粗泥沙運(yùn)動(dòng)較慢而使凌洪期河道最大淤積發(fā)生在洪峰或過(guò)后時(shí)刻，因此更應(yīng)關(guān)注凌峰峰頂和退水初期時(shí)的防洪險(xiǎn)情。

（4）隨凌洪進(jìn)入巴頭河段的粗泥沙在巴三河段多淤少排，直接導(dǎo)致河底抬高，如遇洪水過(guò)程形態(tài)不利的情況，則更增加了水流側(cè)向侵蝕岸灘引起塌岸的風(fēng)險(xiǎn)；三湖河口到頭道拐河段發(fā)生沖刷，凌汛險(xiǎn)情相對(duì)較輕。

（5）基于同樣的輸沙和河床變形機(jī)理，以上結(jié)論也適用于流凌結(jié)冰期。

因此凌汛期輸沙特性帶來(lái)的河床變形應(yīng)在防凌減災(zāi)措施中給予充分的考慮。

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