黃河寧蒙河段近期水沙特性及沖淤過程研究

岳志春，苑希民，田福昌，張紅武

?

黃河寧蒙河段近期水沙特性及沖淤過程研究

岳志春1, 2，苑希民1，田福昌1，張紅武3

(1. 天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 寧夏防汛抗旱指揮部辦公室，銀川 750001；3. 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084)

針對寧蒙河段近期水沙問題，以水力學及河流泥沙動力學為基礎，研究河道水沙變化后河道沖淤臨界指標．利用1952—2012年黃河寧蒙河段各水文站點實測資料，系統(tǒng)分析了河段水沙變化特性，點繪出河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)關系，計算了不同河段河道臨界沖淤條件．結果表明：寧夏下河沿-青銅峽河段河道基本能維持沖淤平衡，青銅峽-石嘴山河段河道呈微淤趨勢，石嘴山-巴彥高勒河段沖淤調整量不大，內蒙三湖河口-頭道拐河段隨著進口流量的增加沖淤效率呈現(xiàn)淤積少—淤積多—淤積少—沖刷的變化特點；當平均流量小于1000m3/s時，寧蒙河道發(fā)生淤積，隨著流量的增大，寧蒙河道處于沖刷的狀態(tài)；當進口站含沙量小于7kg/m3時，寧蒙河段基本表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，當含沙量大于7kg/m3時，寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0034kg·s/m6，內蒙古巴彥高勒至頭道拐河段汛期臨界來沙系數(shù)為0.0045kg·s/m6，內蒙河道河道汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)大于寧夏河道．

水庫聯(lián)調；水沙特性；沖淤；臨界來沙系數(shù)

1986年，龍劉兩庫聯(lián)調以來，一定程度上改變了黃河寧蒙河段河道天然水流過程，水庫下游水沙量年內分配發(fā)生了變化，汛期洪峰繼續(xù)削減，枯水流量歷時延長，非汛期水量增加主要發(fā)生在12月到次年3月，致使寧蒙河道淤積萎縮、防洪防凌問題凸顯[1-3]．

近些年來，很多學者對寧蒙河段水沙進行了大量的研究．姚文藝等[4]利用龍羊峽、劉家峽水庫出庫水沙定位資料，基于河流動力學原理，分析了水庫運用對徑流泥沙過程的調節(jié)作用極其影響，表明水庫運用對水沙關系動力學機制的影響主要歸因于重新調整了挾沙水流的平衡條件，實現(xiàn)挾沙水流的平穩(wěn)狀態(tài)，使水沙關系發(fā)生相應變化．李子文等[5]分析了2012年洪水水沙特征，通過計算推移質輸沙量和比較斷面河底變化，探討了粗泥沙對河底調整的影響，表明2012年內蒙古河道洪水造成粗泥沙在上游段沖刷、下游段淤積，固定低水位下過流斷面存在漲沖落淤的規(guī)律．李二輝等[6]應用Mann-Kendall秩次相關檢驗，流量歷時曲線法、雙累積曲線法等方法對黃河干流陜縣站和河口鎮(zhèn)站1919—2010年徑流量演變過程進行了分析，區(qū)域面平均降水量趨勢性變化不顯著，而上游(河口鎮(zhèn)站以上)及中游(河口鎮(zhèn)-陜縣)年徑流量自1985年以來呈顯著減少趨勢，中游徑流量的降幅高于上游．黃河徑流量變化具有明顯階段性，上游和中游徑流量變化都經歷了枯水期—豐水期—枯水期3個時期．董占地等[7]采用了黃河上游寧蒙河段各水文站1965—2004年實測資料，詳細分析了寧蒙河段河道橫斷面形態(tài)變化過程及其與來水來沙的響應關系，表明寧蒙河段各典型斷面具有平灘面積逐年減小和平灘寬深比逐年增加的趨勢，且平灘面積均隨年水量的增加呈增加趨勢．林秀芝等[8]分析了黃河內蒙古巴彥高勒-三湖河口(巴-三)和三湖河口-頭道拐(三-頭)河段洪水期沖淤變化與水沙組合因子的響應關系，結果表明兩河段洪水期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關關系最密切．張厚軍等[9]分析了1973—2005年寧蒙河段汛期場次洪水的沖淤特性、沖淤效率與下河沿斷面水沙量之間的關系．冉大川等[10]根據1950—2010年水沙實測資料，通過構建非線性響應模型，辨識了水沙變化主導驅動因子，定量評估了多因子對黃河上游頭道拐水沙變化的貢獻率，結果表明今后蘭州以上徑流變化和蘭州至頭道拐區(qū)間主要支流來沙變化兩大自然因素將是頭道拐水沙變化的主導因子；灌區(qū)引水和支流水土保持綜合治理減沙對頭道拐水沙變化的貢獻率將居主導地位．吳保生等[11]不同角度對來沙系數(shù)的物理意義進行了探討．史紅玲等[12]利用黃河干流主要水文站近60年來的實測年徑流量及年輸沙量資料，采用M-K秩相關檢驗法及秩和檢驗法研究了黃河主要水文站來水量和來沙量的變化趨勢及其發(fā)生跳躍的年份．凌虹霞等[13]通過對黃河寧夏河段下河沿等3個水文站近60年來實測水文泥沙資料的分析，運用統(tǒng)計分析方法，研究了黃河寧夏河段水沙變化特性以及河道沖淤情況．

綜上所述，各學者對寧蒙河段河床沖淤演變進行了大量的研究，但有關寧蒙河道水沙變化后河道沖淤過程及臨界指標研究較少．本文利用1952—2012年黃河各水文站點實測資料，以水力學及河流泥沙動力學為基礎，系統(tǒng)分析了河段水沙變化特性，計算不同河段河道臨界沖淤條件，以期為大型水庫調節(jié)水沙過程提供技術支撐．

1?研究區(qū)概況

黃河寧蒙河段自寧夏中衛(wèi)市南長灘入境，至內蒙古托克托下游出境(如圖1所示)，全長為1149.6km，約占黃河總長的1/5，屬于黃河上游的下段. 受兩岸地形控制，形成峽谷河段與寬河段．根據河道形態(tài)和沖淤變化特征，寧夏段分下河沿-青銅峽(下-青)和青銅峽-石嘴山(青-石)兩個河段[14-15]．內蒙段分石嘴山-巴彥高勒(石-巴)、巴彥高勒-三湖河口、三湖河口-昭君墳、昭君墳-頭道拐河段，天然情況下，寧蒙河道有緩慢抬升的趨勢．

圖1 ?黃河寧蒙河段示意

2?河段沖淤特點

從河段地理位置和條件看，下河沿-青銅峽河段比降大，長時期河道基本能維持沖淤平衡，如表1所示，青銅峽-石嘴山河段河道基本呈微淤趨勢；石嘴山-巴彥高勒段峽谷居多，雖然有風沙加入，沖淤調整量也不大．水庫下游的青銅峽-石嘴山和巴彥高勒-三湖河口河段有水庫下泄清水之利，以及河段靠上水流挾沙能力富余等因素，也在年內一定時期保持沖刷狀態(tài)，而處于河道最下段的三湖河口-頭道拐河段來水泥沙多趨于飽和、河道比降小，更易于淤積[16].

表1? 寧蒙河道1952—2012年年均沖淤量年內分布 108t

Tab.1 ?Annual distribution of annual amount of scouring and siltation in the Ningxia-Inner Mongolia reach from 1952 to 2012

注：正方向表示淤積；負方向表示沖刷．

從河段的輸沙特點來看，河段存在一定的輸沙能力，經過上游河段的調整，進入該河段的水沙搭配相對穩(wěn)定(如圖2所示)．由統(tǒng)計的河段非漫灘洪水的沖淤情況可見，該河段沖刷的臨界水沙條件大致在洪水期平均流量2000m3/s以上、含沙量在10kg/m3以下．從寧蒙河道各河段在低含沙量條件下各流量級的沖淤調整規(guī)律可見，三湖河口-頭道拐河段隨著進口(下河沿＋清水河)流量的增加沖淤效率呈現(xiàn)淤積少—淤積多—淤積少—沖刷的變化特點，500～1000m3/s正是淤積效率最高的流量級，這是低含沙量小流量水流從下河沿-頭道拐近1000km河段內的正常演變，即存在“上沖下淤”的調整形式，在三湖河口以上沖刷的泥沙小流量無法挾帶出頭道拐，在河段尾部段三湖河口-頭道拐淤積(如圖3所示)．

從河段分時段來看，1986年，龍羊峽、劉家峽聯(lián)調下，下河沿站作為黃河干流進入寧蒙河段水沙量控制站，1952—1968年(運用年)，汛期水量占全年比例為61.8%，汛期沙量占全年比例為87.1%，汛期平均含沙量為8.9kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0057kg·s/m6；1969—1986年，汛期水量占全年比例為53.1%，汛期沙量占全年比例為83.6%，汛期平均含沙量為5.3kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0042kg·s/m6；1987—2012年，汛期水量占全年比例為42.7%，汛期沙量占全年比例為77.9%，汛期平均含沙量為4.7kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0057kg·s/m6．巴彥高勒站為黃河干流進入內蒙河段水沙量控制站，1952—1968年(運用年)，汛期水量占全年比例為62.9%，汛期沙量占全年比例為84.6%，汛期平均含沙量為9.1kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0068kg·s/m6；1969—1986年，汛期水量占全年比例為53.0%，汛期沙量占全年比例為75.6%，汛期平均含沙量為5.1kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0054kg·s/m6；1987—2012年，汛期水量占全年比例為38.1%，汛期沙量占全年比例為57.2%，汛期平均含沙量為5.6kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0121kg·s/m6．

圖2 ?寧蒙河道代表站水沙搭配

圖3? 低含沙量條件下分河段各流量級沖淤效率

由此可見，1987年以來，寧蒙河段汛期水、沙量占全年比例均大幅度減小，雖然汛期平均含沙量變化不大，但是由于來水少，平均流量小，導致來沙系數(shù)增大明顯，特別是巴彥高勒站來沙系數(shù)增大1倍，水沙關系惡化，這也是巴彥高勒至頭道拐河段主槽大量淤積的主要原因之一．

3 ?不同水沙條件下河道沖淤特性

3.1?不同量級流量沖淤特性

通過對寧蒙河道非漫灘洪水不同流量、不同含沙量的洪水沖淤資料分析，河道沖淤與水流條件關系非常密切，在來沙條件相同的條件下，河道沖刷量隨著平均流量的增大而增大，如表2所示．

在平均流量小于1000m3/s時，寧蒙河道基本上呈淤積狀態(tài)，如圖4所示，隨著平均流量增大到1000～1500m3/s時，在含沙量小于7kg/m3時，寧蒙河道長河段發(fā)生沖刷，河道場次洪水平均沖刷0.035×108t，主要集中在寧夏下河沿-石嘴山河段，場次洪水平均沖刷量為0.03×108t，內蒙古石嘴山-頭道拐河段呈微沖狀態(tài)，場次洪水平均沖刷量為0.005×108t，如圖5所示．

圖4 洪水期平均流量小于1000m3/s時河段沖淤量對比

圖5 洪水期平均流量1000～1500m3/s時河段沖淤量對比

當平均流量在1500～2000m3/s時，該流量級下寧蒙河段場次洪水沖刷量有所增大，場次洪水平均增大到0.139×108t，沖刷仍主要集中在寧夏河段，平均沖刷量為0.089×108t，其中下河沿-青銅峽、青銅峽-石嘴山場次洪水平均沖刷量分別為0.036×108t和0.052×108t．內蒙古河段該流量級也是沖刷的，場次洪水沖刷量值為0.05×108t，沖刷主要集中在巴彥高勒-三湖河口河段，平均沖刷量為0.049×108t，三湖河口-頭道拐河段場次洪水平均沖刷量為0.016×108t，如圖6所示．

表2? 寧蒙河道不同流量級條件下不同含沙量級的洪水沖淤情況

Tab.2 ?Flood scouring and siltation situation of different sediment concentration levels under different flow levels in the Ningxia-Inner Mongolia reach

注：正方向表示淤積；負方向表示沖刷．

圖6 洪水期平均流量1500～2000m3/s時河段沖淤量?對比

當平均流量在2000～2500m3/s時，寧蒙河道長河段場次洪水沖刷量增大到0.245×108t，且沖刷主要集中在石嘴山-頭道拐河段，平均沖刷量為0.139×108t，寧夏河段場次洪水平均沖刷量為0.105×108t．該流量級洪水條件下，寧蒙河道下河沿-青銅峽、青銅峽-石嘴山、石嘴山-巴彥高勒、巴彥高勒-三湖河口和三湖河口-頭道拐等河段均發(fā)生沖刷，如圖7所示．

圖7 洪水期平均流量2000～2500m3/s時河段沖淤量對比

當平均流量大于2500m3/s時，寧蒙河道場次洪水沖刷量略有增大，達0.253×108t，其中寧夏河段、內蒙古河段均為沖刷，平均沖刷量分別為0.113×108t和0.140×108t，如圖8所示．

分析可看出，對于來沙含沙量級在7～10kg/m3時，在流量小于2500m3/s時，寧夏河道都是處于淤積狀態(tài)；而當流量大于2500m3/s時，內蒙古河段呈沖刷狀態(tài)，場次洪水平均沖刷量為0.205×108t；含沙量大于10kg/m3時，寧蒙河道各流量級都是淤積的[17]，由于河道發(fā)生淤灘刷槽，雖然場次洪水呈淤積狀態(tài)，但淤積發(fā)生在灘地，沖刷主槽對行洪極為有利．

圖8 洪水期平均流量大于2500m3/s時河段沖淤量對比

3.2 ?不同量級含沙量沖淤特性

寧蒙河段洪水沖淤不僅與來水條件有關，而且與來沙條件關系密切[17]．以含沙量表征來沙條件的指標，以洪水期平均流量大小代表水流條件，統(tǒng)計寧蒙河道非漫灘洪水河道沖淤量．結果表明：寧蒙河段當進口站(下河沿＋清水河＋苦水河＋十大孔兌)含沙量小于7kg/m3時，寧蒙河段發(fā)生沖刷，并且隨著洪水期平均流量的增加，沖刷量明顯增大；當含沙量大于7kg/m3時，寧蒙河段發(fā)生淤積，并且隨著含沙量的增大，河道淤積量明顯增大；在相同含沙量條件下，隨著平均流量的增加，淤積量有所減小，如含沙量為7～10kg/m3的洪水，當流量為1000～1500m3/s時，寧蒙河段場次洪水淤積量為0.057×108t；隨著流量增大到2000～2500m3/s時，河道淤積量有所減少，平均沖刷0.026×108t；當流量大于2500m3/s時，場次洪水平均淤積量僅為0.067×108t．

從寧蒙河段場次洪水沖淤量與進口含沙量的關系圖可以看出，隨著洪水期平均含沙量的增加，寧蒙河道由沖刷逐漸轉為淤積，如圖9所示．當洪水平均含沙量小于7kg/m3時，寧蒙河段表現(xiàn)為沖刷，當洪水平均含沙量大于7kg/m3時，寧蒙河段表現(xiàn)為淤積．場次洪水臨界來沙系數(shù)在0.0035～0.0046kg·s/m6之間．

圖9 ?寧蒙河段洪水期河道沖淤量與含沙量關系

4?汛期河道沖淤量與來沙系數(shù)關系

寧蒙河道經受了不同水沙條件下的沖淤演變，據長時段1952—2012年實測資料，考慮區(qū)間主要支流和引水引沙及風沙等因子[18]，其中寧夏河段下河沿-石嘴山河段支流包括清水河(泉眼山)、苦水河(郭家橋)、紅柳溝(鳴沙洲)；引水渠主要包括秦渠(青銅峽)、漢渠(青銅峽)、唐徠渠(青銅峽)站，內蒙古河道主要支流為毛不拉溝(圖格日格)、西柳溝(龍頭拐)、罕臺川(紅塔溝)，引水渠主要有巴彥高勒總干渠、沈烏干渠、南干渠[19]．

4.1?寧夏河道汛期沖淤量與水沙系數(shù)關系

根據以上站點資料，點繪出下河沿-青銅峽段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)關系，如圖10所示，圖10(a)為不考慮區(qū)間水沙量得到的結果，圖10(b)為考慮區(qū)間水沙量得到的結果．

圖10? 下河沿-青銅峽河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關系

可以看出，兩種情況下汛期沖淤量與來沙系數(shù)數(shù)據點較為散亂，兩者之間沒有明顯的規(guī)律性，主要原因為青銅峽水庫位于該河段內，對該河段的沖淤有明顯的調節(jié)作用．

同理，點繪出青銅峽-石嘴山河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的關系，如圖11所示．

圖11 青銅峽-石嘴山河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)關系

可知，汛期單位水量淤積量與來沙系數(shù)之間存在一定的相關關系，單位水量沖淤量隨來沙系數(shù)的增大而增大，而當來沙系數(shù)較小時還可能發(fā)生沖刷，單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關關系式如下．

同理，下河沿-石嘴山河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關關系如圖12所示，關系式如下．

不考慮區(qū)間入匯水沙、不沖不淤時的臨界來沙系數(shù)為0.0026kg·s/m6，即當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于2.6kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間入匯水沙、不沖不淤時的臨界來沙系數(shù)為0.0034kg·s/m6，即當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于3.4kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間入匯水沙條件所得參數(shù)的回歸式(4)，較采用不考慮區(qū)間入匯水沙條件所得參數(shù)的回歸式(3)的精度略高．

圖12 下河沿-石嘴山河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)關系

4.2?內蒙古河道汛期沖淤量與水沙系數(shù)關系

巴彥高勒-三湖河口河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關關系式如下，如圖13所示．

可得不考慮區(qū)間入匯水沙臨界來沙系數(shù)為0.0049kg·s/m6，當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于4.9kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間入匯水沙臨界來沙系數(shù)為0.0048kg·s/m6，當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于4.8kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間入匯水沙條件所得參數(shù)的回歸式(6)，較采用不考慮區(qū)間入匯水沙條件所得參數(shù)的回歸式(5)的精度略高．

圖13 巴彥高勒-三湖河口河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關系

三湖河口-頭道拐河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關關系式如下，如圖14所示．

可得不考慮區(qū)間入匯水沙臨界來沙系數(shù)為0.0029kg·s/m6，當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于2.9kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間水沙臨界來沙系數(shù)為0.0040kg·s/m6，當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于4.0kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間入匯水沙條件所得參數(shù)的回歸式(8)，較采用不考慮區(qū)間水沙條件所得參數(shù)的回歸式(7)的精度明顯提高．這一結論與有關專家研究成果黃河寧蒙河段區(qū)間支流來沙量與干流淤積量的相關性較強，是影響寧蒙河段淤積的主要因素之一[20-23]等保持一致.

圖14 三湖河口-頭道拐河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關系

巴彥高勒-頭道拐河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關關系式如下，如圖15所示．

可得不考慮區(qū)間水沙臨界來沙系數(shù)為0.0033kg·s/m6，當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于3.3kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間水沙臨界來沙系數(shù)為0.0045kg·s/m6，當來流量為1000m3/s時，來流含沙量大于4.5kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間水沙條件所得參數(shù)的回歸式(10)，與采用不考慮區(qū)間水沙條件所得參數(shù)的回歸式(9)的精度差別不大，主要原因為引水引沙只是影響寧蒙河道淤積的一個因素，但不是控制性因素[24]．

圖15 巴彥高勒-頭道拐河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關系

4.3?分粒徑臨界來沙系數(shù)

4.4?寧蒙河道汛期臨界來沙系數(shù)

將以上得到的各沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別列表，如表3所示．從青銅峽至石嘴山段分界粒徑上看，粗、中、細沙分別為0.0006kg·s/m6、0.0006 kg·s/m6、0.0012kg·s/m6，細沙沖淤臨界來沙系數(shù)大于粗沙的．

從表3中可以看出，不考慮區(qū)間來沙時，寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0026kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時，寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0034kg·s/m6．不考慮區(qū)間來沙時，寧夏下河沿至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0026kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時，寧夏下河沿至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0034kg·s/m6．

表3? 寧蒙河道汛期沖淤臨界來沙系數(shù)結果 kg·s/m6

Tab.4 ?Results of the coefficient of sedimentation and sedimentation during the flood and deposition of the Ningxia-Inner Mongolia reaches

注：下河沿-青銅峽暫時沒有明顯規(guī)律性．

內蒙河道巴彥高勒至三湖河口段不考慮區(qū)間來沙時，汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0049kg·s/ m6；考慮區(qū)間來沙時，巴彥高勒至三湖河口河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0048kg·s/m6．不考慮區(qū)間來沙時，內蒙三湖河口至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0029kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時，三湖河口至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0040kg·s/m6．不考慮區(qū)間來沙時，內蒙巴彥高勒至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0033kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時，巴彥高勒至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0045kg·s/m6．內蒙古河道的汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)大于寧夏河道，說明內蒙古河道的汛期輸沙能力大于寧夏河道[25-26]．

5? 結?論

(1) 寧夏下河沿-青銅峽河段比降大，長時期河道基本能維持沖淤平衡；青銅峽-石嘴山河段河道呈微淤趨勢，石嘴山-巴彥高勒河段峽谷段居多，沖淤調整量不大；水庫下游的青銅峽-石嘴山和巴彥高勒-三湖河口河段在年內一定時期能夠沖刷；內蒙三湖河口-頭道拐河段隨著進口(下河沿＋清水河)流量的增加沖淤效率呈現(xiàn)淤積少—淤積多—淤積少—沖刷的變化特點，500～1000m3/s正是淤積效率最高的流量級，在三湖河口以上沖刷的泥沙小流量無法挾帶出頭道拐，在河段尾部段三湖河口-頭道拐淤積．

(2) 洪水期平均流量小于1000m3/s時，寧蒙河道發(fā)生淤積，隨著流量增大到1000～1500m3/s時，在來沙含沙量小于7kg/m3時，寧蒙河道長河段處于沖刷的狀態(tài)，當流量在1500～2000m3/s時，寧蒙河段場次洪水沖刷量值有所增大，隨著流量進一步增大到2000～2500m3/s時，寧蒙河道長河段場次洪水沖刷增大0.245×108t；且沖刷主要集中在石嘴山-頭道拐河段，場次洪水平均沖刷量為0.139×108t，當平均流量進一步增大到大于2500m3/s時，寧蒙河道場次洪水沖刷量增大到0.253×108t．

(3) 寧蒙河段當進口站含沙量小于7kg/m3時，寧蒙河段基本表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，并且隨著洪水期平均流量的增加，沖刷量明顯增大．當含沙量大于7kg/m3時，寧蒙河段基本表現(xiàn)為淤積，并且隨著含沙量的增大，河道淤積量明顯增大．場次洪水臨界來沙系數(shù)在0.0035～0.0046kg·s/m6之間．

(4) 內蒙河道河道汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)大于寧夏河道．寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0034kg·s/m6．內蒙古巴彥高勒至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0045kg·s/m6．青銅峽至石嘴山段汛期細沙、中沙、粗沙臨界來沙系數(shù)為0.0012kg·s/m6、0.0006kg·s/m6、0.0006kg·s/m6．

由于寧蒙河道邊界條件復雜，河床組成較粗，本次僅僅依據現(xiàn)有數(shù)據初步分析了黃河寧蒙河段近期水沙特性及沖淤臨界，下一步應進一步加強觀測，系統(tǒng)研究，提高認識水平，為寧蒙河段的開發(fā)提供科學的技術支撐．

［1］ 孫贊盈，王育杰，鄭艷爽，等. 青銅峽水庫排沙對下游河道沖淤的影響[J]. 人民黃河，2014，36(10)：9-11.

Sun Zanying，Wang Yujie，Zheng YanShuang，et al. Influence of desilting of Qingtongxia reservoir to the channel scour and fill of the lower reaches[J]. Yellow River，2014，36(10)：9-11(in Chinese).

［2］ 張曉華. 基于龍劉水庫的上游庫群調控方式優(yōu)化研究[R]. 鄭州：黃河水利科學研究院，2007.

Zhang Xiaohua. Study on Optimization of Regulation Mode of Upstream Reservoir based on Longliu Reservoir[R]. Zhengzhou：Yellow River Institute of Hydraulic Research，2007(in Chinese).

［3］ 張兆華. 三盛公水利樞紐保持有效庫容的經驗[J]. 水利水電技術，1979(9)：24-27.

Zhang Zhaohua. Experience of maintaining effective storage capacity in Sanshenggong water control project[J]. Water Resources and Hydropower Engineering，1979(9)：24-27(in Chinese).

［4］ 姚文藝，侯素珍，丁?赟. 龍羊峽、劉家峽水庫運用對黃河上游水沙關系的調控機制[J]. 水科學進展，2017，28(1)：1-13.

Yao Wenyi，Hou Suzhen，Ding Yun. Effects on flow and sediment in the upper Yellow River by operation of Longyangxia reservior and Liujiaxia reservoir[J]. Advances in Water Science，2017，28(1)：1-13(in Chinese).

［5］ 李子文，秦?毅，陳星星，等. 2012年洪水對黃河內蒙古段沖淤影響[J]. 水科學進展，2016，27(5)：687-695.

Li Ziwen，Qin Yi，Chen Xingxing，et al. Effects of the coarse sediment movement in the flood on Inner Mongolia reach of Yellow River in 2012[J]. Advances in Water Science，2016，27(5)：687-695(in Chinese).

［6］ 李二輝，穆興民，趙廣舉. 1919—2010年黃河上中游區(qū)徑流量變化分析[J]. 水科學進展，2014，25(2)：155-163.

Li Erhui，Mu Xingmin，Zhao Guangju. Temporal changes in annual runoff and influential factors in the upper and middle reaches of Yellow River from 1919—2010[J]. Advances in Water Science，2014，25(2)：155-163(in Chinese).

［7］ 董占地，胡海華，吉祖穩(wěn)，等.黃河上游寧蒙河段河道橫斷面形態(tài)對水沙變化的響應[J]. 泥沙研究，2015(4)：36-39.

Dong Zhandi，Hu Haihua，Ji Zuwen，et al. Responses of cross-section shapes to the variations of income water and sediment in Ningxia-Inner Mongolia reach of the Yellow River[J]. Journal of Sediment Research，2015 (4)：36-39(in Chinese).

［8］ 林秀芝，蘇林山，李?婷，等. 黃河內蒙古河段洪水期沖淤臨界條件分析[J]. 泥沙研究，2015(4)：26-30.

Lin Xiuzhi，Su Linshan，Li Ting，et al. Critical condition of erosion or deposition during flood season in Inner Mongolia reach of the Yellow River[J]. Journal of Sediment Research，2015(4)：26-30(in Chinese).

［9］ 張厚軍，魯?俊，周麗艷，等. 黃河寧蒙河段洪水沖淤規(guī)律分析[J]. 人民黃河，2011，33(11)：27-29.

Zhang Houjun，Lu Jun，Zhou Liyan，et al. Analysis of law of scour and fill in Ning-Mong reach of the Yellow River during floods[J]. Yellow River，2011，33(11)：27-29 (in Chinese).

［10］ 冉大川，姚文藝，申震洲，等. 黃河頭道拐水沙變化多元驅動因子貢獻率分析[J]. 水科學進展，2015，26(6)：769-778.

Ran Dachuan，Yao Wenyi，Shen Zhenzhou，et al. Analysis on the contribution rate of driving factors for the annual water and sediment variations at the Toudaoguai hydrological station in the Yellow River[J]. Advances in Water Science，2015，26(6)：769-778(in Chinese).

［11］ 吳保生，申冠卿. 來沙系數(shù)物理意義的探討[J]. 人民黃河，2008，30(4)：15-16. Wu Baosheng，Shen Guanqing. Approach to physical meaning of coming sediment coefficients[J]. Yellow River，2008，30(4)：15-16(in Chinese).

［12］ 史紅玲，胡春宏，王延貴，等. 黃河流域水沙變化趨勢分析及原因探討[J]. 人民黃河，2014，36(4)：1-5. Shi Hongling，Hu Chunhong，Wang Yangui，et al. Analysis on variation trends of runoff and sediment of the Yellow River basin and reasons discussion[J]. Yellow River，2014，36(4)：1-5(in Chinese).

［13］ 凌虹霞，王新軍，王永強，等. 黃河寧夏段水沙變化特點及臨界來沙系數(shù)研究[J]. 人民黃河，2015，37(2)：19-23.

Ling Hongxia，Wang Xinjun，Wang Yongqiang，et al. Research on the flow and sediment conditions and critical incoming sediment coefficient in Ningxia section of Yellow River[J]. Yellow River，2015，37(2)：19-23(in Chinese).

［14］ 岳志春，馬曉陽. 考慮2012年洪水后黃河寧夏段河道的計算水面線[J]. 泥沙研究，2016(1)：36-39.

Yue Zhichun，Ma Xiaoyang. Flow profile of the Ningxia reach in Yellow River with 2012 flood[J]. Journal of Sediment Research，2016(1)：36-39(in Chinese).

［15］ 王新軍，岳志春. 2012年黃河洪水對寧夏河道河勢的影響分析[J]. 農業(yè)科學研究，2015，36(1)：45-48.

Wang Xinjun，Yue Zhichun. The impact of flood on the river regime of the Yellow River in 2012[J]. Journal of Agricultural Sciences，2015，36(1)：45-48(in Chinese).

［16］ 張俊華. 黃河上游水庫群調節(jié)對寧蒙河道水沙過程的影響研究報告[R]. 鄭州：黃河水利科學研究院，2007.

Zhang Junhua. A Study Report on the Effect of Adjustment of Upper Reaches of the Yellow River on Water and Sediment Processes of the Ningxia and Inner Mongolian Rivers[R]. Zhengzhou：Yellow River Institute of Hydraulic Research，2007(in Chinese).

［17］ 周麗艷，崔振華，羅秋實. 黃河寧蒙河道水沙變化及沖淤特性[J]. 人民黃河，2012，34(1)：25-26.

Zhou Liyan，Cui Zhenhua，Luo Qiushi. Water and sediment variation and characteristics of scouring and deposition of Ningxia-Inner Mongolia reach of the Yellow River[J]. Yellow River，2012，34(1)：25-26(in Chinese).

［18］ 岳志春，馬曉陽，田福昌. 黃河寧夏段近期水沙變化及河勢演變分析[J]. 水利水電技術，2018，49(2)：106-112.

Yue Zhichun，Ma Xiaoyang，Tian Fuchang. Analysis on the recent changes of water and sediment and the evolution of river regime in the Ningxia section of the Yellow River[J]. Water Resources and Hydropower Engineering，2018，49(2)：106-112(in Chinese).

［19］ 羅秋實，張厚軍，周麗艷，等. 引水引沙對黃河寧蒙河段沖淤的影響[J]. 人民黃河，2011，33(9)：22-24.

Luo Qiushi，Zhang Houjun，Zhou Liyan，et al. Effect of water diversion on scour and fill in Ning-Meng reach of Yellow River[J]. Yellow River，2011，33(9)：22-24 (in Chinese).

［20］ 趙業(yè)安. 黃河干流水庫調水調沙關鍵技術研究與龍羊峽、劉家峽水庫運用方式調整研究[R]. 鄭州：黃河水利科學研究院，2008.

Zhao Ye’an. Research on the Key Techniques for Water Diversion and Sediment Control of the Main Reservoirs of the Yellow River and the Adjustment of Longyangxia and Liujiaxia Reservoirs[R]. Zhengzhou：Yellow River Institute of Hydraulic Research，2008(in Chinese).

［21］ 羅秋實，周麗艷，張厚軍，等. 支流來水來沙對黃河寧蒙河段沖淤的影響[J]. 人民黃河，2011，33(11)：29-34.

Luo Qiushi，Zhou Liyan，Zhang Houjun，et al. Influence of incoming flow and sediment from tributaries to the scour and fill of Ning-Mong reach of the Yellow River[J]. Yellow River，2011，33(11)：29-34(in Chinese).

［22］ 吳保生. 內蒙古十大孔兌對黃河干流水沙及沖淤的影響[J]. 人民黃河，2014，36(10)：5-8.

Wu Baosheng. Effect of the ten major tributaries in the Inner Mongolia on runoff and sediment load as well as sedimentation in the main stream of the Yellow River[J]. Yellow River，2014，36(10)：5-8(in Chinese).

［23］ 鄭艷爽，張曉華，尚紅霞，等. 黃河各沖積性河道輸沙能力分析[J]. 人民黃河，2010，32(2)：44-48.

Zheng Yanshuang，Zhang Xiaohua，Shang Hongxia，et al. Analysis on sediment transporting capacity of each alluvial channel of the Yellow River[J]. Yellow River，2010，32(2)：44-48(in Chinese).

［24］ 羅秋實，張厚軍，周麗艷，等. 引水引沙對黃河寧蒙河段沖淤的影響[J]. 人民黃河，2011，33(9)：22-24.

Luo Qiushi，Zhang Houjun，Zhou Liyan，et al. Effect of water diversion on scour and fill in Ning-Meng reach of Yellow River[J]. Yellow River，2011，33(9)：22-24(in Chinese).

［25］ 趙業(yè)安，張紅武，溫善章. 論黃河大柳樹水利樞紐工程的戰(zhàn)略地位與作用[J]. 人民黃河，2002(2)：33-37.

Zhao Ye’an ，Zhang Hongwu ，Wen Shanzhang. On its strategic status and roles of the Daliushu hydraulic complex on the Yellow River[J]. Yellow River，2002(2)：33-37(in Chinese).

［26］ Fan Xiaoli，Shi Changxing，Zhou Yuanyuang，et al. Sediment rating curves in the Ningxia-Inner Mongolia reaches of the upper Yellow River and their impilications[J]. Quaternary International，2012，282(12)：152-162.

Study of the Characteristics of Water and Sediment and the Scouring and Siltation Processes in the Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River

Yue Zhichun1,2，Yuan Ximin1，Tian Fuchang1，Zhang Hongwu3

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Flood Control and Drought Relief Headquarters Office in Ningxia，Yinchuan 750001，China；3. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

In view of the recent water and sediment problems in the Ningxia and the Inner Mongolia Reach，the critical indicators of river erosion and siltation after river water and sediment variation are studied，which is based on hydraulics and river sediment dynamics. Measured data of hydrological stations in the Ningxia-Inner Mongolia reach of Yellow River from 1952 to 2012 was used in the paper，the characteristics of water and sediment variation in the reach were systematically analyzed，and the relationship graph between incoming sediment coefficient and scouring and siltation amount per unit water during flood period was drawn in the paper. The results show the following：① the scouring and siltation amount of the Xiaheyan-Qingtongxia reach in Ningxia is basically balanced and ② the amount of the Qingtongxia-Shizuishan reach is slightly increased. As a result, the change of the Shizuishan-Bayangaole river sediment amount is not substantial. Furthermore，the siltation and siltation efficiency of Sanhuhekou-Tangdaoguai reach in Inner Mongolia has a new changing characteristics with the increase of the inlet flowrate，which is less sedimentation，less siltation，less sedimentation and erosion. When the average flow rate is less than 1000m3/s in the Ningxia-Inner Mongolia reach，the Ningxia-Inner Mongolia reach will be silted and this reach will be scoured with the increase of discharge. When the sediment concentration is less than 7 kg/m3，the Ningxia-Inner Mongolia reach will be scoured. When the sediment concentration is greater than 7 kg/m3，critical sediment coefficient of the Qingtongxia-Shizuishan reach in the Ningxia during flood period is 0.0034 kg·s/m6and critical sediment coefficient of the Bayangaole-Toudaoguaihekou reach in the Inner Mongolia during flood period is 0.0045 kg·s/m6. The critical sediment coefficient in the Inner Mongolia during flood period is bigger than this coefficient in the Ningxia during flood period.

reservoir intermodulation；characteristics of water and sediment；scouring and siltation；critical sediment coefficient

TV14

A

0493-2137(2019)08-0810-12

10.11784/tdxbz201803062

2018-03-20；

2018-10-09．

岳志春（1983—），男，博士研究生，高級工程師，zhichuncom@163.com.

苑希民，yxm@tju.edu.cn.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFC1508403)；高等學校學科創(chuàng)新引智計劃資助項目(B14012)；科技部重點領域創(chuàng)新團隊資助項目(2014RA4031)；國家自然基金委創(chuàng)新團隊資助項目(51621092).

the National Key Research and Development Program of China(No.2018YFC1508403)，the Program of Introducing Talents of Discipline to Universities(No.B14012)，the Fund for Key Research Area Innovation Groups of China Ministry of Science and Technology(No.2014RA4031)，the Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China(No.51621092).

(責任編輯：王曉燕)