黃河下游河道11月至次年5月時(shí)期輸沙和沖淤規(guī)律研究

鄭 釗 ，郭慶超 ，黃烈敏 ，鄧安軍

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048；2.河南黃河勘測設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州 450003；3.流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 水利部水沙科學(xué)與江河治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；4.長江水利委員會(huì)荊江水文水資源勘測局，湖北 荊州 434000）

1 研究背景

然而，黃河下游11月至次年5月時(shí)期水沙量雖然較小，但該時(shí)期歷時(shí)較長，沖淤變化全部發(fā)生在主槽內(nèi)，且下游河道在該時(shí)期主要表現(xiàn)為沖刷，據(jù)統(tǒng)計(jì)1960—2010年11月至次年5月時(shí)期累積沖刷27.5億t，這對(duì)于以淤積為主的下游河道而言顯得至關(guān)重要。因此，對(duì)該時(shí)期下游河道水沙輸移特性及沖淤規(guī)律進(jìn)行研究很有必要。劉繼祥等[13]對(duì)1960—1996年36年非汛期下游河道沖淤進(jìn)行分析，得出全下游共沖刷16.14億t，高村以上粗泥沙在高村以下大量淤積，出現(xiàn)“泥沙搬家”現(xiàn)象。李文文等[14]通過建立汛期和非汛期水沙條件與平灘流量關(guān)系的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，論證了非汛期水沙條件對(duì)平灘流量的影響是不容忽略的。李曉娟等[15]認(rèn)為河段平灘河槽形態(tài)的調(diào)整與汛期及非汛期水沙條件都密切相關(guān)。李小平等[16]將每年5—10月劃為汛期、11月至次年4月劃為非汛期，研究得出小浪底水庫運(yùn)用以后非汛期河道沖刷量隨著水量增大而增大，并回歸建立了非汛期河道沖淤量與來水量之間的關(guān)系式。這些研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)黃河下游11月至次年5月時(shí)期水沙特性和沖淤規(guī)律是有益的。但是，現(xiàn)有的研究并沒有分河段揭示水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而黃河下游不同河段輸沙特性有很大不同；也沒有全面反映沖淤量與水沙因子關(guān)系，對(duì)于水沙運(yùn)動(dòng)和沖淤規(guī)律揭示不夠全面。

因此，本文主要對(duì)黃河下游11月至次年5月時(shí)期水沙輸移以及河道沖淤規(guī)律進(jìn)行研究。通過建立黃河下游花園口、高村、艾山、利津等4站輸沙率與各自上站的水沙因子關(guān)系，以反映游蕩型、過渡型、彎曲型河段的水沙輸移特性；通過建立黃河下游沖淤與小浪底站水沙因子關(guān)系，給出該時(shí)期黃河下游河道沖淤平衡臨界閾值；最后，根據(jù)建立的關(guān)系式，在給定該時(shí)期小浪底站水沙條件后，即可合理計(jì)算該時(shí)期黃河下游不同河段的沖淤量，為快速評(píng)估該時(shí)期上游不同來水來沙條件對(duì)黃河下游河道沖淤影響提供技術(shù)支撐。

需要說明的是，本文的研究時(shí)期為每年的11月至次年5月時(shí)期，這與黃河非汛期通常指11月至次年6月有所不同。這主要是由于黃河下游在6月份也會(huì)發(fā)生洪水，而洪水期輸水輸沙特性和沖淤規(guī)律在機(jī)理上與11月至次年5月時(shí)期有很大不同。因此，本文的研究時(shí)期并不包含6月份。

2 黃河下游11月至次年5月時(shí)期水沙特點(diǎn)

1960—2010年黃河下游11月至次年5月時(shí)期小浪底、花園口、高村、艾山以及利津5站水沙過程見圖1?？傮w來看，黃河下游該時(shí)期輸水量和輸沙量呈減小趨勢。就5站輸水量而言，由于伊洛河、沁河的匯入，花園口站輸水量要大于小浪底站；因受河道區(qū)間引水影響，花園口站至利津站輸水量又沿程減小。就5站輸沙量而言，該時(shí)期小浪底站輸沙量最小，自1970年代后期起，小浪底站該時(shí)期輸沙量基本為0；小浪底站至花園口站輸沙量急劇增大，在高村站達(dá)到峰值，表明該時(shí)期小浪底至高村河段主要以沖刷為主；高村、艾山以及利津3站輸沙量又沿程減小，艾山站較高村站輸沙量略小，而利津站輸沙量又明顯小于艾山站，表明該時(shí)期高村至艾山河段沖淤基本平衡或微淤、艾山至利津河段則以淤積為主。

圖1 11月至次年5月時(shí)期小浪底-利津5站水沙量變化過程

花園口站該時(shí)期年均水量、沙量變化過程見圖2。分時(shí)段來看，花園口站年均水量由1960年代的459.81億m3減為2000年以后的251.25億m3、年均沙量由12.52億t減至1.11億t；該時(shí)期水沙量也明顯減少（見表 1），水量由1960年代的181.73億m3減為2000年以后的111.17億m3，沙量則由2.61億t銳減為0.16億t；不同時(shí)期的該時(shí)期水量占全年比重基本穩(wěn)定在40%左右，而該時(shí)期沙量占全年比重僅為10%-20%，表現(xiàn)為水多沙少的特征，水流輸沙能力有富余，為該時(shí)期河道沖刷提供了條件。分年度來看，花園口站年均水沙量呈明顯下降趨勢（見圖2）。但從1978年起，花園口站該時(shí)期年均水沙量占全年比重呈明顯上升趨勢。

3 11月至次年5月時(shí)期泥沙輸移規(guī)律

根據(jù)黃河下游5站實(shí)測水沙資料，分別分析11月至次年5月時(shí)期下站輸沙率與上站流量、含沙量、輸沙率的關(guān)系。需要說明的是，這里所用的流量、含沙量、輸沙率均是該時(shí)期的平均值，即從1960—2010年，總共有51組數(shù)據(jù)。

表1 花園口站不同時(shí)期水沙量

圖2 花園口站11月至次年5月時(shí)期平均水量、沙量變化過程

3.1 輸沙率與流量的關(guān)系根據(jù)小浪底、花園口、高村、艾山以及利津等5站逐年11月至次年5月時(shí)期輸沙率、流量實(shí)測資料，分別點(diǎn)繪下站輸沙率與上站流量關(guān)系（5站輸沙率依次以Qs1至Qs5表示、流量依次以Q1至Q5表示），如圖3所示。下站輸沙率與上站流量相關(guān)關(guān)系擬合公式及相關(guān)系數(shù)如表2所示。4個(gè)河段中利津站與艾山站相關(guān)關(guān)系最好，但也不超過0.80。整體而言，該時(shí)期下站輸沙率與上站流量關(guān)系一般。

3.2 輸沙率與含沙量的關(guān)系根據(jù)小浪底、花園口、高村、艾山以及利津等5站逐年11月至次年5月時(shí)期輸沙率、含沙量實(shí)測資料，分別點(diǎn)繪下站輸沙率與上站含沙量關(guān)系（5站輸沙率依次以Qs1至Qs5表示、含沙量依次以S1至S5表示），如圖4所示。下站輸沙率與上站含沙量相關(guān)關(guān)系擬合公式及相關(guān)系數(shù)如表3所示。除花園口站輸沙率與小浪底站含沙量關(guān)系略好外，其余河段下站輸沙率與上站含沙量關(guān)系一般。

3.3 下站輸沙率與上站輸沙率的關(guān)系根據(jù)小浪底、花園口、高村、艾山以及利津等5站逐年11月至次年5月時(shí)期輸沙率實(shí)測資料，分別點(diǎn)繪下站輸沙率與上站輸沙率關(guān)系（5站輸沙率依次以Qs1至Qs5表示），如圖5所示。下站輸沙率與上站輸沙率相關(guān)關(guān)系擬合公式及相關(guān)系數(shù)如表4所示。結(jié)果表明，下站輸沙率與上站輸沙率有很好的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均在0.84以上，艾山至高村、利津至艾山兩河段的輸沙率相關(guān)系數(shù)更達(dá)0.93以上，沿程不同河段輸沙率的相關(guān)性是不斷增強(qiáng)的，這與小浪底來水來沙沿程不斷調(diào)整，通過與河床沖淤交換，使水沙關(guān)系變得更加協(xié)調(diào)的規(guī)律是一致的。

2）泥漿宜選用化學(xué)泥漿?；瘜W(xué)泥漿是一種水溶性，易混合的粉末顆粒聚合物，在水中充分溶解后成半透明糊狀，黏度大，在孔內(nèi)沉淀雜質(zhì)速度非?？?。鉆具在孔內(nèi)鉆進(jìn)時(shí)，泥漿總是保持清澈透明，鉆具鉆桿表面干凈，在孔內(nèi)由于鉆具連續(xù)運(yùn)動(dòng)，化學(xué)泥漿和水的混合越均勻黏度就越強(qiáng)，凝聚也就越快，可快速在孔壁周圍形成一層薄透明糊狀保護(hù)層且無毒無污染。

表2 下站輸沙率與上站流量擬合公式及相關(guān)系數(shù)

圖3 下站輸沙率與上站流量關(guān)系

通過建立11月至次年5月時(shí)期下站輸沙率與上站流量、含沙量以及輸沙率的相關(guān)關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，下站輸沙率與上站輸沙率的關(guān)系要明顯優(yōu)于與流量、含沙量的關(guān)系。因此，選擇擬合公式（9）-（12）作為反映黃河下游該時(shí)期沿程輸沙規(guī)律的定量關(guān)系式，利用這些關(guān)系式，在已知小浪底該時(shí)期來水來沙時(shí)，可很快捷地沿程逐站遞推計(jì)算得到花園口、高村、艾山及利津等4站該時(shí)期輸沙率，再根據(jù)沙量平衡法，進(jìn)而可以計(jì)算沿程各河段沖淤量。

4 11月至次年5月時(shí)期下游河道沖淤規(guī)律

河道沖淤量的計(jì)算主要包括斷面法和輸沙平衡法。輸沙平衡法是使用河段上下游兩水文站實(shí)測的輸沙量和區(qū)間匯入、引出沙量，利用沙量平衡關(guān)系，即可計(jì)算出河段沖淤量[17]。本文根據(jù)小浪底、花園口、高村、艾山以及利津等5站輸沙率實(shí)測值為基礎(chǔ)，考慮沿程區(qū)間引水和伊洛河、沁河入?yún)R，采用輸沙平衡法分別計(jì)算小花段、花高段、高艾段、艾利段以及黃河下游歷年11月至次年5月時(shí)期沖淤量，1960—2010年各河段該時(shí)期累積沖淤值見表5。黃河下游河道該時(shí)期總體上表現(xiàn)為沖刷，51年中42年呈現(xiàn)為沖刷，僅9年表現(xiàn)為淤積，51年該時(shí)期累積沖刷量達(dá)27.50億t。由此可見，雖然該時(shí)期來沙量較少，但對(duì)于黃河下游河道沖淤的影響是不容忽視的。點(diǎn)繪1960—2010年下游河道該時(shí)期沖淤量與小浪底站水沙因子的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)該時(shí)期沖淤量與來水量相關(guān)關(guān)系較弱，但與小浪底站來沙量、含沙量以及來沙系數(shù)具有一定關(guān)系（見圖6）。由圖6（b）～（d）可知，當(dāng)該時(shí)期小浪底站來沙量為1.82億t、或平均含沙量為12.6 kg/m3、或來沙系數(shù)為0.014 kg·s/m6時(shí)，黃河下游河道處于沖淤平衡狀態(tài)，若小于這些臨界閾值下游河道以沖刷為主；反之，以淤積為主。當(dāng)已知該時(shí)期小浪底站水沙過程時(shí)，可以根據(jù)圖6所擬合公式估算下游河道沖淤量。

表3 下站輸沙率與上站含沙量擬合公式及相關(guān)系數(shù)

圖4 下站輸沙率與上站含沙量關(guān)系

5 11月至次年5月時(shí)期下游河道沖淤對(duì)水沙條件的響應(yīng)

以小浪底站11月至次年5月時(shí)期實(shí)測水沙資料為基礎(chǔ)，根據(jù)下站輸沙率與上站輸沙率關(guān)系式（表 4公式（9）—（12）），可沿程逐站遞推花園口、高村、艾山、利津4站該時(shí)期輸沙率，再采用輸沙平衡法計(jì)算該時(shí)期下游河道沖淤量，計(jì)算所得沖淤過程與實(shí)測資料對(duì)比如圖7所示。由圖7可知，下游河道該時(shí)期總體處于沖刷狀態(tài)，采用擬合公式計(jì)算得到的累積沖淤值具有較高的精度，但2000年小浪底水庫運(yùn)用以來（該時(shí)期以清水下泄為主），計(jì)算值明顯大于實(shí)測值，即當(dāng)小浪底水沙過程含沙量較低時(shí)，采用表4輸沙率關(guān)系式計(jì)算下游河道沖淤量精度較低，故需要對(duì)表4中輸沙率關(guān)系式進(jìn)行修正。

表4 下站輸沙率與上站輸沙率擬合公式及相關(guān)系數(shù)

圖5 下站輸沙率與上站輸沙率關(guān)系

表5 1960—2010年各河段11月至次年5月時(shí)期累積沖淤值 （單位：億t）

來沙系數(shù)（S/Q，kg·s/m6）作為一個(gè)重要的水沙搭配參數(shù)，可以用來判斷洪水期河道的沖淤強(qiáng)度，在黃河的泥沙研究中得到了廣泛的應(yīng)用[18]。本文將來沙系數(shù)引入該時(shí)期河道沖淤研究中，以小浪底該時(shí)期來沙系數(shù)為依據(jù)，對(duì)表4中計(jì)算輸沙率擬合公式進(jìn)行修正。經(jīng)試算，以小浪底該時(shí)期來沙系數(shù)S/Q=0.002 kg·s/m6為界分區(qū)間擬合輸沙率計(jì)算公式，能夠得到更精確的河道沖淤計(jì)算結(jié)果。修正后擬合公式見表6。采用修正后輸沙率關(guān)系式計(jì)算下游河道該時(shí)期累積沖淤過程見圖7，可見修正后的精度較擬合公式修正前明顯提高。

采用修正后輸沙率關(guān)系式計(jì)算下游各河段沖淤量與實(shí)測值對(duì)比見圖8，除高村到艾山河段相關(guān)系數(shù)（R2=0.68）略低外，其余各河段相關(guān)系數(shù)均為1.00。由圖8可知，1960—2010年黃河下游該時(shí)期河道沖淤以高村為界，高村以上河段以沖刷為主，小花河段沖刷量大于花高河段；高村以下河段以淤積為主，其中高艾河段微淤，艾利河段淤積明顯，這與文獻(xiàn)[13]所述的黃河下游河道在非汛期出現(xiàn)“泥沙搬家”現(xiàn)象的論述是一致的，與圖1所示小浪底至利津5站沿程輸沙量變化趨勢也是相符的。

圖6 11月至次年5月時(shí)期沖淤量與水沙因子的關(guān)系

圖7 擬合公式（修正前后）計(jì)算沖淤量與實(shí)測值比較

表6 修正后的輸沙率擬合公式及相關(guān)系數(shù)

圖8 修正后擬合公式計(jì)算11月至次年5月各河段沖淤量與實(shí)測值比較

黃河下游小浪底、花園口、高村、艾山和利津等5個(gè)水文站的輸沙率有很好的相關(guān)關(guān)系，據(jù)此擬合下站輸沙率與上站輸沙率關(guān)系式，繼而計(jì)算所得該時(shí)期累積沖淤量無論在時(shí)間維度上，還是在沿程空間分布上，與實(shí)測值對(duì)比均有較高的精度。當(dāng)未來在黃河上中游興建水利工程，只要根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)給定的進(jìn)入黃河下游11月至次年5月時(shí)期水沙條件，即可采用本文建立的該時(shí)期輸沙率關(guān)系式沿程逐站遞推花園口、高村、艾山、利津等4站的輸沙率，繼而采用輸沙平衡法預(yù)測未來黃河下游河道該時(shí)期不同河段沖淤量，不僅精度高，而且簡單明了便于應(yīng)用，還可避免數(shù)學(xué)模型預(yù)測時(shí)參數(shù)選擇的不確定性，對(duì)快速判斷黃河上中游水利工程建設(shè)對(duì)下游河道沖淤影響具有重要意義。

6 結(jié)論

（1）1960—2010年期間，不同時(shí)期的11月至次年5月時(shí)期水量占全年比重基本在40%左右，而沙量占全年比重介于10%～20%，呈現(xiàn)為水多沙少現(xiàn)象，這正是黃河下游大多數(shù)該時(shí)期表現(xiàn)為沖刷的原因所在。

（2）雖然11月至次年5月時(shí)期來沙量較少，但該時(shí)期水沙過程均在主槽運(yùn)行且持續(xù)時(shí)間長，黃河下游河道發(fā)生明顯沖刷，沿程表現(xiàn)為高村以上河段明顯沖刷、高村至艾山微淤、艾山以下河段明顯淤積的特點(diǎn)，即存在所謂的“泥沙搬家”現(xiàn)象，該時(shí)期對(duì)于河道沖淤的影響不容忽視。

（3）建立了11月至次年5月時(shí)期黃河下游沖淤量與小浪底站水沙因子關(guān)系，給出了該時(shí)期進(jìn)入黃河下游河道的沖淤平衡臨界閾值：來沙量1.82億t、含沙量12.6 kg/m3、來沙系數(shù)0.014 kg·s/m6。當(dāng)小于這些臨界閾值，下游河道在該時(shí)期以沖刷為主；反之，則以淤積為主。

（4）建立了11月至次年5月時(shí)期黃河下游各站輸沙率與上站水沙因子關(guān)系，結(jié)果表明下站輸沙率與上站輸沙率有很好相關(guān)關(guān)系，能較好地反映沿程輸沙規(guī)律。當(dāng)未來在黃河上中游興建水利工程，只要根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)給定的進(jìn)入黃河下游該時(shí)期水沙條件，即可采用本文建立的該時(shí)期輸沙率關(guān)系式沿程逐站遞推花園口、高村、艾山、利津等4站的輸沙率，繼而采用輸沙平衡法預(yù)測未來黃河下游河道該時(shí)期不同河段沖淤量，對(duì)快速判斷黃河上中游水利工程建設(shè)對(duì)下游河道沖淤影響具有重要意義。