黃河寧夏石嘴山河段沖淤演變及冰情分析

岳志春，田福昌，馬曉陽(yáng)

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.寧夏防汛抗旱指揮部辦公室,寧夏銀川750001)

0 引 言

黃河及沿岸流域是中華民族的主要發(fā)源地，隨著一系列水利工程投入運(yùn)營(yíng)及水能資源的開(kāi)發(fā)利用，兩岸城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，黃河的水沙條件也發(fā)生了巨大變化[1]。在兩岸河床的邊界條件相互作用下，打破了河道原有的平衡狀態(tài)[2]。長(zhǎng)期以來(lái)，部分河段河床淤積增高使得某段河段變?yōu)閼液樱髁鞯拇蠓葦[動(dòng)造成堤防坍塌，凌汛期高水位使得洪災(zāi)現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，嚴(yán)重制約著兩岸經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展[3- 4]。因此，研究河段的河流演變趨勢(shì)意義重大。近年來(lái)部分學(xué)者對(duì)寧蒙河段水沙及河道邊界變化進(jìn)行了大量的研究，梁卉等[5]從斷面流量-水位的特征變化角度，分析了近年來(lái)黃河內(nèi)蒙段頭道拐的河床沖淤演變趨勢(shì)，河道淤積形式表現(xiàn)為左淤右沖，整個(gè)河段在近年內(nèi)沖淤平衡；馬云等[6]通過(guò)對(duì)黃河寧夏段洪水特征及河道演變進(jìn)行分析，認(rèn)為實(shí)施河道整治工程有助于進(jìn)一步河勢(shì)歸順；魏婧[7]以河床演變學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)等基本原理為基礎(chǔ)，對(duì)黃河內(nèi)蒙段河道形態(tài)變遷進(jìn)行了分析，探討了同流量水位下各影響因子的對(duì)河床沖淤演變的影響程度，揭示了該河段大流量沖刷、小流量淤積的特點(diǎn)，該河段總體呈淤積態(tài)勢(shì)。各學(xué)者對(duì)寧蒙河段河床沖淤演變進(jìn)行了大量的研究，但就河道斷面及大洪水期變化、凌汛期河道變化等對(duì)洪水位的影響研究較少，考慮到黃河石嘴山水文站河段系列資料齊全，該河段冰凌在寧夏段最為嚴(yán)重，同時(shí)下游為內(nèi)蒙古河段，有承上啟下的作用；因此，本文根據(jù)石嘴山水文站多年實(shí)測(cè)水文資料，從岸線變化、主流擺動(dòng)、深泓點(diǎn)變化、水位變化等幾個(gè)方面，對(duì)比分析了石嘴山斷面河床沖淤演變趨勢(shì)及冰情變化特征，以期為當(dāng)前石嘴山河段防洪提供技術(shù)支撐。

1 河段基本概況

黃河石嘴山河道位于黃河上游的寧夏與內(nèi)蒙兩段河道交界處，為典型的峽谷型河道。該段受水文站監(jiān)測(cè)的河道長(zhǎng)度為36 km，平均比降0.56‰，主河槽平均寬度約400 m，河床為沙質(zhì)，河道順直，河寬變化不大，基本沒(méi)有支流匯入，對(duì)主流擾流影響很小，所以選取該段河道作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，研究其沖淤演變并進(jìn)行冰情分析，對(duì)黃河上游河段來(lái)講具有一定的代表性。石嘴山水文站位于該河段，是黃河進(jìn)入內(nèi)蒙古的重要控制站。石嘴山水文站1942年9月4日設(shè)立，1958年6月改為水位站，1959年4月基本斷面下遷1.30 km并恢復(fù)為水文站，1991年10月測(cè)流斷面上遷1.54 km。

石嘴山水文站測(cè)驗(yàn)河段順直，水流集中，左岸灘地為沙土，主河床由砂質(zhì)、砂礫石組成，右岸岸坡為沉積性頁(yè)巖，斷面沖淤變化較為復(fù)雜。目前該水文站測(cè)驗(yàn)的項(xiàng)目有水位、流量、輸沙率、泥沙顆粒級(jí)配、水溫、氣溫、冰凌、降水、蒸發(fā)、水環(huán)境監(jiān)測(cè)等。據(jù)水文站監(jiān)測(cè)資料顯示，自新中國(guó)成立以來(lái)，寧蒙河段共計(jì)發(fā)生兩次5 000 m3/s以上大洪水，一是1964年7月黃河上游突降大到暴雨，干支流洪水交匯使得石嘴山水文站最大流量達(dá)5 440 m3/s；二是1981年8月黃河上游接連降雨達(dá)30多天，石嘴山水文站最大流量達(dá)5 660 m3/s。

1.1 長(zhǎng)期斷面沖淤變化

將石嘴山水文站1965年～1991年及1993年～2016年部分?jǐn)嗝嫣桌L分析(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 石嘴山水文站基本斷面套繪(大沽基面)

圖2 石嘴山水文站測(cè)流斷面套繪

由圖1可知，主槽深泓點(diǎn)在1974年曾向左移動(dòng)，但逐漸移回原深泓點(diǎn)附近，相對(duì)于右岸的穩(wěn)定；由于左岸地質(zhì)略為疏松，河槽斷面有一定的沖淤變化，沖淤厚度在1 m左右；河槽內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)洲灘、汊道移位等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)1967年(年最大流量5 240 m3/s)、1981年(年最大流量5 660 m3/s)等大洪水的沖刷，石嘴山水文站基本斷面左右岸非常穩(wěn)定，主流一直靠近左岸運(yùn)行，主河槽相對(duì)穩(wěn)定，深泓點(diǎn)始終在起點(diǎn)距120 m附近。

由圖2可知，1992年至今，該斷面左右岸水邊也沒(méi)有發(fā)生明顯變化，主河槽穩(wěn)定在起點(diǎn)距180～430 m之間，深泓點(diǎn)則在起點(diǎn)距220～330m之間變動(dòng)，河槽內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)洲灘、汊道；主河槽雖在年際間有周而復(fù)始的沖淤變化，但是幅度較小。可見(jiàn)，石嘴山水文站上、下游河段主河槽寬度變化不大，河岸相對(duì)較窄，主槽橫向無(wú)擺動(dòng)，河勢(shì)流路基本無(wú)變化。

1.2 大洪水期斷面沖淤變化

統(tǒng)計(jì)黃河石嘴山斷面近60年來(lái)發(fā)生大洪水年份，將1967年、1978年汛前和汛后、1981年汛前、汛中和汛后的實(shí)測(cè)大斷面進(jìn)行套繪(見(jiàn)圖3)。該過(guò)程比較完整地反映了1967年和1978年汛前、汛后和1981年汛前、汛期和汛后一次大洪水過(guò)程斷面的沖淤變化情況[8]，可以看出，洪水發(fā)生前后，斷面沖淤變化幅度不大。但是在一場(chǎng)洪水過(guò)程中，河道還是會(huì)發(fā)生明顯的沖刷和淤積過(guò)程。

圖3 大洪水年份汛期石嘴山斷面形態(tài)變化套繪(大沽基面)

從圖3顯示，1967年汛前汛后主槽高程變化很大，最大厚度近2 m，1978年汛前汛后斷面形態(tài)變化不大；而1981年洪水漲水期間整個(gè)河槽不同程度地發(fā)生了沖刷，平均沖刷深度1.62 m，深泓局部最大沖刷4.84 m(起點(diǎn)距190 m處)，主河槽沖刷最為劇烈，兩岸灘地部分沖刷較??；落水期石嘴山斷面普遍回淤1.08 m，深泓局部最深回淤3.15 m，斷面的沖淤變化主要發(fā)生在斷面的主河槽內(nèi)。通過(guò)比較分析可以看出，石嘴山斷面的洪水過(guò)程是漲沖落淤，沖淤變化主要在主槽內(nèi)進(jìn)行，左岸灘地的沖淤變化較小，斷面兩側(cè)河岸線沒(méi)有發(fā)生沖淤變化，也沒(méi)有發(fā)生位移。

1.3 同流量下水位變化

河道的沖淤演變一般表現(xiàn)在斷面形態(tài)調(diào)整、過(guò)流能力變化、同流量水位升降，河道輸沙能力變化、含沙量沿程調(diào)整，以及河勢(shì)變化等方面[9-10]。其中，同流量水位的升降直接反映了河底平均高程的變化，是一種明顯反映河床沖淤調(diào)整的方法，即同流量水位升高，則說(shuō)明河床發(fā)生了淤積[11]。圖4為石嘴山水文站1 000 m3/s流量水位歷年變化過(guò)程，圖4顯示在20世紀(jì)50年代1 000 m3/s流量水位平均為1 086.18 m，河段處于先微淤又略有沖刷的狀態(tài)，河道沖淤幅度約0.2 m[2]；自從河段上游陸續(xù)修建劉家峽及龍羊峽水庫(kù)以來(lái)，該河段斷面沖淤基本平衡。60年代到80年代中期，年際之間略有升降，變化范圍在0～0.1 m之間，平均水位為1 086.04 m；1985年～2015年年際間水位變化略有增加，平均水位為1 086.07 m，長(zhǎng)期來(lái)看該河段水位相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 石嘴山同流量(1000 m3/s)水位變化

2 冰情分析

在自然情況下，石嘴山河段由于來(lái)寒潮的早晚和強(qiáng)弱不同，可使流凌和封河天數(shù)相差很大[12-13]。根據(jù)石嘴山站1969年～1998年資料分析，平均封凍日期在12月31日，平均解凍日期在3月5日，平均封凍天數(shù)為63 d，歷年最長(zhǎng)封凍天數(shù)為103 d，最短為未封凍。封河流凌期多年平均流量594 m3/s，最大流量1 100 m3/s (1981年12月1日)，最小流量176 m3/s(1977年12月27日)；封河流凌多年平均流凌天數(shù)為35 d，一般發(fā)生在11月下旬及12月上旬；最長(zhǎng)流凌天數(shù)為58 d(1973年)，最短流凌天數(shù)為13 d(1983年)。開(kāi)河流凌多年平均流凌天數(shù)為7 d，一般發(fā)生在2月下旬～3月上旬，最長(zhǎng)流凌天數(shù)為15 d(1993年)，最短為2 d(1976年)；開(kāi)河流凌期多年平均流量為876 m3/s，最大流量為1 330 m3/s(1984年3月11日)，最小流量為816 m3/s(1974年3月14日)，最大冰流速為2.8 m/s；開(kāi)河流凌較封河流凌冰塊大，最大冰塊面積達(dá)1000×200 m2(1981年2月)，相應(yīng)冰速0.81 m/s，最大河心冰厚1.28 m[14]。

通過(guò)對(duì)石嘴山站1950年～2010年冰期流冰時(shí)(每年11月至次年3月)統(tǒng)計(jì)分析，冰期流冰時(shí)最高水位為1 088.93 m，發(fā)生在1967年3月19日(見(jiàn)圖5)，相應(yīng)流量為1 700 m3/s，流速為1.55 m/s，壅冰高度為4.6 m。

圖5 黃河石嘴山水文站凌汛期水位表現(xiàn)

1951年～2015年間石嘴山水文站共發(fā)生10次最高水位(年度最高)發(fā)生在凌汛期(見(jiàn)表1)，但由于凌汛期河道的來(lái)流流量較小，凌汛期卡冰結(jié)壩造成河道水位的壅高值均小于河道20年一遇洪水的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)值(5 620 m3/s)。

表1 黃河石嘴山站最高水位發(fā)生在凌汛期統(tǒng)計(jì) m

由于上游龍劉水庫(kù)聯(lián)合調(diào)度，石嘴山河段卡冰結(jié)壩現(xiàn)象很少出現(xiàn)，開(kāi)河形式均為文開(kāi)河[14]。但2015年海勃灣水利樞紐運(yùn)行后，回水末端延伸至烏達(dá)鐵路橋附近，本河段水位抬升，比降減小、水流減緩，近年來(lái)凌汛期最高水位超過(guò)年度汛期最高水位的情況有明顯增加[15-16]。自1998年來(lái)，有一半以上的年份發(fā)生了凌汛最高水位高于伏汛最高水位，表明近年來(lái)汛期來(lái)水來(lái)沙較少和河道淤積所帶來(lái)的新情況，今后不排除特殊情況下發(fā)生冰塞、冰壩的可能性，造成該河段凌汛期防凌任務(wù)日趨嚴(yán)重。

3 結(jié) 論

(1)從1965年～2016年部分大斷面分析可知，長(zhǎng)期以來(lái)石嘴山水文站基本斷面左右岸非常穩(wěn)定，主流一直靠近左岸運(yùn)行，主河槽相對(duì)穩(wěn)定，寬度變化不大，深泓點(diǎn)始終在起點(diǎn)距120 m附近，主槽橫向無(wú)擺動(dòng)，河勢(shì)流路基本無(wú)變化。

(2)從汛前、汛后斷面對(duì)比可知，河床斷面大洪水時(shí)期變化呈漲沖落淤，沖淤變化主要在主槽內(nèi)進(jìn)行，左岸灘地的沖淤變化較小，斷面兩側(cè)河岸線沒(méi)有發(fā)生沖淤變化，也沒(méi)有發(fā)生位移。

(3)自劉家峽及龍羊峽水庫(kù)建成運(yùn)行以來(lái)，該河段斷面沖淤基本平衡，20世紀(jì)60年代到80年代中期，年際之間略有升降，變化范圍在0～0.1 m之間，平均水位為1 086.04 m，1985年～2015年年際間水位變化略有增加，平均水位為1 086.07 m，長(zhǎng)期來(lái)看該河段水位相對(duì)穩(wěn)定。

(4)海勃灣水利樞紐的運(yùn)行造成該河段水位抬升，近年來(lái)凌汛期最高水位超過(guò)伏汛期最高水位的情況有明顯增加，河道汛期來(lái)水來(lái)沙有新的變化，今后不排除特殊情況下發(fā)生冰塞、冰壩的可能性，造成該河段凌汛期防凌任務(wù)日趨嚴(yán)重。