黃河寧夏段外灘區(qū)域水下根石探摸研究

喬 橋，李春光，景何仿，黃凌霄，王維紅

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

黃河寧夏段二期防洪工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利項(xiàng)目之一[1]，通過堤防工程和河道整治工程建設(shè)，對(duì)進(jìn)一步完善黃河防洪工程體系，保障沿黃地區(qū)防洪(凌)安全和兩區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的意義。近年來，部分學(xué)者對(duì)黃河寧夏段水沙及河道邊界變化進(jìn)行了大量的研究，馬云等[2]通過對(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；景何仿、李春光等[3-4]建立二維、三維紊流水沙模型對(duì)黃河上游沙坡頭的天然河道水流運(yùn)動(dòng)、河床變形進(jìn)行了數(shù)值模擬；魏婧[5]對(duì)黃河內(nèi)蒙河段形態(tài)變遷進(jìn)行了分析，揭示了該河段大流量沖刷、小流量淤積等特點(diǎn)，該河段整體呈淤積態(tài)勢(shì)；岳志春等[6]對(duì)黃河寧夏石嘴山河段進(jìn)行沖淤演變分析，得出了河床斷面大洪水時(shí)期變化漲沖落淤，沖淤變化主要在主槽內(nèi)進(jìn)行，斷面兩側(cè)河岸線沖淤變化較小。

黃河外灘區(qū)域位于寧夏回族自治區(qū)銀川市濱河新區(qū)，其右岸為黃河外灘國(guó)家濕地公園，為了保護(hù)該景區(qū)，有關(guān)部門應(yīng)用土工格柵材料作為進(jìn)占體，鉛絲石籠用于護(hù)坡護(hù)腳。然而，鉛絲石籠長(zhǎng)時(shí)間在水中浸泡，鐵絲容易銹蝕斷裂，久而久之，石籠散架，失去固腳護(hù)坡的作用，給工程帶來安全隱患。因此，需要對(duì)該河段水下根石情況進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)該區(qū)域的河床變形情況進(jìn)行計(jì)算，探索防洪工程對(duì)河岸及河床的影響。

該河段比較順直，左岸灘地為沙土，主河床由砂質(zhì)、砂礫石組成，右岸則設(shè)置鉛絲石籠用于保護(hù)外灘景區(qū)。圖1所示為研究河段的位置。

圖1 黃河外灘區(qū)域所處位置示意

圖3 2018年11月實(shí)測(cè)部分?jǐn)嗝婧哟哺叱碳按咕€平均流速

1 斷面設(shè)置及測(cè)量?jī)x器

經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，選定合適的研究區(qū)域，設(shè)立典型橫斷面，利用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(M9)和高精度RTK對(duì)斷面處流速、水位、水深和流量等進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算相鄰斷面處沖淤量和沖淤高程以及總沖淤量和沖淤高程。

根據(jù)研究需要，在長(zhǎng)約500 m的黃河外灘河段，設(shè)置了24個(gè)實(shí)測(cè)橫斷面，斷面SH1與SH2相距40 m，其余斷面相鄰兩斷面之間的距離均為20 m左右，圖2為研究區(qū)域河道斷面，其中x軸以正東方向?yàn)檎?，y軸以正北方向?yàn)檎?/p>

圖2 研究區(qū)域處河道斷面示意

主要的測(cè)量設(shè)備有聲學(xué)多普勒流速剖面儀(M9)、南方測(cè)繪靈銳S86 RTK、激光粒度分布儀Bettersize-2000，深水取樣器、烘干箱、電子天平、濾紙等。

2 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，本文選取2018年6月、11月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 斷面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

由所測(cè)水位減去水深得到該位置處河底高程。將河床高程與斷面垂線平均流速套繪在一起，如圖3所示。

由圖3可知，斷面SH4和SH7河道地形基本相同，呈兩邊高中間低的開口向上拋物線分布，最大流速主流線位于河道中心處，流速基本呈開口向下的拋物線分布。這些斷面處，除兩岸附近及河道中心個(gè)別位置處，河床高程沿橫斷面較為水平，而水流垂向平均流速也較為均勻，且水深較大的位置處平均流速也大。斷面SH15最大水深向左岸靠攏，河床高程呈左低右高的形態(tài)，而且越往下游，河床高程橫比降越大；斷面SH24處，主槽已經(jīng)完全靠近左岸，而右岸為淺灘。也就是說，深泓線從上游到下游，逐漸偏離右岸，向左岸靠攏。

圖4 典型斷面實(shí)測(cè)地形對(duì)比

從以上分析可以看出，在右岸沿線布置鉛絲石籠后，水下根石在鉛絲石籠的保護(hù)下，右岸較為穩(wěn)定，河床呈現(xiàn)淤積狀態(tài)，主流偏離河道中心，向左岸偏離，對(duì)左岸附近河床造成較大沖刷，從而左岸附近河床高程降低，水流流速變大。

2.2 兩次實(shí)測(cè)水下地形比較及分析

為了得到黃河外灘河段河床沖刷情況，現(xiàn)將2018年6月和11月在部分典型斷面處2次實(shí)測(cè)結(jié)果套繪在一起，如圖4所示。由圖4可知，研究區(qū)域橫斷面整體呈淤積形態(tài)，相比較而言，右岸呈淤積狀態(tài)，而左岸呈沖刷狀態(tài)。這是因?yàn)橛野恫捎勉U絲石籠護(hù)坡護(hù)腳，而左岸沒有任何保護(hù)措施。在上游流量較大時(shí)，左岸沖刷，河寬變大，但是右岸附近出現(xiàn)了淤積現(xiàn)象，其水下根石被泥沙淤積，河床受到了保護(hù)。

斷面SH4靠近河道中心處淤積較為嚴(yán)重，最大淤積厚度可達(dá)1 m左右，但左右兩岸附近出現(xiàn)了一定的沖刷。斷面SH7左岸有微小的沖刷，其余位置均出現(xiàn)程度不同的淤積，尤其是靠近河道中心處，淤積最為嚴(yán)重，淤積厚度為1 m左右。從斷面SH15和SH24看出，左岸附近均出現(xiàn)程度不同的沖刷，河道向左展寬20 m左右，其余位置處均出現(xiàn)了一定的淤積，在右岸附近泥沙淤積也較為嚴(yán)重，覆蓋了水下的鉛絲籠保護(hù)的水下根石。

2.3 等高線及三維地形圖

為直觀反映該研究區(qū)域的整體形狀，根據(jù)所測(cè)24個(gè)斷面的水上水下高程、水位及樁號(hào)坐標(biāo)，利用插值方法，繪制了2018年11月11日測(cè)量的水下地形圖。圖5為研究區(qū)域河床高程等值線，圖6為研究區(qū)域三維立體圖。由圖5、6可知，研究區(qū)域河床高程左右分布不均勻?？拷野秴^(qū)域的河床高程一般較大，水深較?。欢拷蟀兜膮^(qū)域河床高程一般較小，水深較大。

圖5 研究區(qū)域河床高程等值線

圖6 研究區(qū)域三維立體圖示意

2.4 懸移質(zhì)泥沙粒度分布及含沙量

2018年11月，利用深水取樣器在6個(gè)典型斷面的左岸、右岸和河道中心附近處分別取樣1次，并利用激光粒度分析儀進(jìn)行泥沙粒度分析，結(jié)果如表1所示。通過分析各斷面懸移質(zhì)泥沙粒徑分布可以發(fā)現(xiàn)，靠近左岸處，泥沙中值粒徑偏大，均值為15 μm，而河道中心處和右岸附近泥沙中值粒徑偏小，約為12 μm，所研究河段泥沙平均中值粒徑為13 μm。

表1 典型斷面懸移質(zhì)泥沙中值粒徑 μm

圖7 斷面SH12懸移質(zhì)泥沙級(jí)配曲線

為了對(duì)黃河外灘研究區(qū)域泥沙分布規(guī)律有進(jìn)一步的了解，本文僅選斷面SH12進(jìn)行分析。根據(jù)斷面SH12左岸、右岸和河道中心附近處分別取樣的懸移質(zhì)泥沙粒徑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制了泥沙級(jí)配曲線，如圖7所示。由圖7可知，斷面SH12的粒徑分布近似呈正態(tài)分布，粒徑范圍為0.9～88.8 μm，在河道中心處，泥沙的中值粒徑d50=12.01 μm，表示在沙樣中，大于和小于這一粒徑的泥沙質(zhì)量剛剛相等。通過計(jì)算可知，該斷面80%的懸移質(zhì)泥沙粒徑為2.00～45.88 μm。

綜合各斷面實(shí)測(cè)結(jié)果，該研究區(qū)域懸移質(zhì)泥沙粒徑為0.5～100 μm，80%的懸移質(zhì)泥沙粒徑為0.9～50 μm。

在6個(gè)典型斷面靠近左岸、右岸和河道中心處分別取樣1次，測(cè)量了典型斷面不同位置處的含沙量，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯觯捎谒芯亢佣屋^短，各斷面的含沙量比較接近，平均值為0.61 kg/m3，這是因?yàn)?1月份屬于枯水期，河道含沙量較小。

表2 典型斷面懸移質(zhì)含沙量 kg/m3

2.5 泥沙淤積量計(jì)算

采用斷面法[11]計(jì)算河床沖淤量和沖淤厚度，即將相鄰兩個(gè)斷面間泥沙淤積量用棱臺(tái)體積公式計(jì)算出來，再累加，就可以得到整個(gè)研究區(qū)域的泥沙淤積量。平均淤積厚度則為淤積量與區(qū)域面積的比值。將研究區(qū)域劃分為23個(gè)單元，其中斷面SH1到斷面SH2為第1單元，記為SH1-SH2，其他類似。由于所要研究的焦點(diǎn)主要集中于右岸附近出河床沖淤情況，為了計(jì)算方便，設(shè)定每個(gè)斷面長(zhǎng)度均為100 m，從右岸開始計(jì)算。研究區(qū)域從2018年6月至11月，經(jīng)過了5個(gè)月的發(fā)展，總淤積量約為5.09萬m3，平均淤積厚度為1.06 m。最大的淤積量為單元SH1-SH2，淤積量為0.45萬m3，此位置正好在河道上游區(qū)域，靠近進(jìn)水口，而且斷面之間的距離為40 m，計(jì)算的單元面積也大于其他的單元，故其單元的淤積量最大；單元總淤積量和平均淤積厚度最小的是SH23-SH24，該單元處于河段最下游，淤積量?jī)H為0.08萬m3。

圖8為研究區(qū)域不同位置處淤積量和平均淤積厚度。由圖8可知，除單元SH1-SH2外，淤積量和淤積厚度在上游區(qū)域先增加，到斷面SH4到達(dá)最大，然后再逐漸減小，在斷面SH24處達(dá)到最小。

圖8 研究區(qū)域不同位置處平均淤積量及淤積厚度

為了更直觀地反映相鄰兩個(gè)斷面之間的淤積量和淤積厚度，將相鄰斷面之間的淤積量和淤積高程用柱狀圖表示，如圖9表示。由于斷面間距設(shè)置均勻，相鄰單元面積接近，平均淤積厚度分布與淤積量的分布基本一致，淤積量大的單元位置附近，其平均淤積厚度也相應(yīng)的較大。

圖9 研究區(qū)域不同單元處平均淤積量及淤積厚度

3 結(jié) 語

在長(zhǎng)約500 m的黃河外灘河段，設(shè)置了24個(gè)實(shí)測(cè)橫斷面，利用聲學(xué)多普勒測(cè)速儀(M9)和高精度RTK等測(cè)量?jī)x器，對(duì)各個(gè)斷面的水深、河床高程、含沙量和懸移質(zhì)泥沙粒徑分布進(jìn)行了實(shí)測(cè)，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)根據(jù)2018年6月和11月的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，河道經(jīng)過5個(gè)月的發(fā)展，左岸附近均出現(xiàn)程度不同的沖刷，河道向左展寬，其余位置處均出現(xiàn)了一定的淤積，在右岸附近泥沙淤積也較為嚴(yán)重，覆蓋了水下的鉛絲籠保護(hù)的水下根石。

(2)黃河外灘河段區(qū)域懸移質(zhì)泥沙粒徑分布范圍為0.5～100 μm，80%的懸移質(zhì)泥沙粒徑一般為0.9～50 μm，反映了該河段懸移質(zhì)泥沙粒徑分布比較集中，各斷面的含沙量比較接近，平均值為0.61 kg/m3。

(3)采用斷面法計(jì)算河床沖淤量和沖淤厚度，得出河道整體呈淤積狀態(tài)?？拷野对O(shè)置了鉛絲籠保護(hù)的水下根石淤積嚴(yán)重，平均淤積厚度為1.06 m，總淤積量為5.09萬m3，從上游到下游，淤積量和平均淤積厚度呈先上升，然后下降的趨勢(shì)。

對(duì)黃河外灘河段區(qū)域的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，有助于正確認(rèn)識(shí)該河段的水流運(yùn)動(dòng)和河床演變，為后續(xù)深入研究該河段的數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)，也為相關(guān)部門保護(hù)該景區(qū)的水下根石提供一定的參考。