黃河寧夏段近期水沙特性及沖淤量變化預(yù)測

岳志春，趙 清，梁艷潔，陳 峰

(1.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 寧夏水旱災(zāi)害防御中心，寧夏 銀川 750001；3.寧夏葡萄酒與防沙治沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750199；4.黃河勘測設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

黃河寧夏段全長397 km，約占黃河總長的 1/14，由峽谷段、庫區(qū)段和平原段三部分組成。峽谷段由黑山峽峽谷段和石嘴山峽谷段組成，總長86.12 km。庫區(qū)段為青銅峽庫區(qū)及回水段，全長44.14 km，平原段總長266.74 km[1]，該河段具有水少、沙多、水沙異源、水沙不協(xié)調(diào)、沖淤變化頻繁等特點。本文利用寧夏段下河沿、青銅峽、石嘴山水文站1950年11月至2018年10月實測水沙資料，通過沙量平衡法、實測斷面法計算、預(yù)測了河段沖淤變化情況，以期為后期河道整治工程建設(shè)和洪水災(zāi)害防治提供參考。

表1 下河沿站1950年～2018年月年水沙特征值統(tǒng)計

1 干流來水來沙

1.1 干流來水來沙特點

(1)來水來沙異源。黃河寧夏河段的水量主要來自上游吉邁至唐乃亥和循化至蘭州區(qū)間，該區(qū)間匯集了黑河、白河、洮河、大通河、湟水等20多條支流，年來水量占下河沿斷面年徑流的60%以上。沙量主要來自干流蘭州以上、蘭州至下河沿區(qū)間的支流及寧夏境內(nèi)的清水河、紅柳溝和苦水河等主要支流。

(2)水沙量年內(nèi)分配不均。寧夏河段干流下河沿水文站多年平均月年水沙特征值見表1。下河沿1950年～2018年多年平均徑流量為296.5億m3，多年平均沙量為1.14億t。汛期7月至10月水量所占比例51.8%，來水主要集中在汛期；汛期7月至10月沙量所占比例達84.1%，來沙主要集中在汛期，集中程度高于徑流的集中程度。

(3)水沙量年際變化大。圖1和圖2分別為寧夏河段干流下河沿水文站年水量、年沙量變化過程。1950年～2018年下河沿站最大年水量為1967年的512.2億m3，最小年水量為1997年的188.9億m3，最大與最小年水量的倍比為2.7。最大年沙量為1959年的4.39億t，最小年沙量為2015年的0.17億t，最大與最小年沙量的倍比為25.8。

圖1 下河沿站歷年水量變化過程

圖2 下河沿站歷年沙量變化過程

1.2 近期水沙變化

(1)水沙量明顯減少。1950年11月至1968年10月，上游人類活動影響較小，可基本代表天然狀態(tài)，該時期下河沿站多年平均水量為339.3億m3；1968年11月至1986年10月劉家峽水庫運用期間，下河沿站多年平均水量為318.7億m3，與1968年以前相比，年水量減少了6.1%；1986年11月至2018年10月龍羊峽劉家峽水庫聯(lián)合運用期間，下河沿站多年平均水量為260.0億m3，與1968年以前相比，實測水量減少幅度為23.4%，實測沙量減小，減小幅度大于水量減小幅度。1950年11月至1968年10月，上游人類活動影響較小，可基本代表天然狀態(tài)，該時期下河沿站多年沙量為2.15億t，1968年11月至1986年10月劉家峽水庫運用期間，下河沿站多年平均沙量為1.07億t，與1968年以前相比，年沙量減少了50.3%；1986年11月至2018年10月龍羊峽劉家峽水庫聯(lián)合運用期間，下河沿站多年平均沙量為0.61億t，與1968年以前相比，沙量減少幅度為71.6%。下河沿站不同時期水沙量特征見表2。

(2)水沙量年內(nèi)分配比例發(fā)生變化，汛期比重減小。天然狀態(tài)下(1950年11月至1968年10月)，下河沿站汛期水量占全年的比例為61.9%，汛期沙量占全年的比例為87.2%；1968年11月至1986年10月，由于劉家峽等水庫投入運用，汛期水量占全年水量的比例減少為53.0%，汛期沙量占全年沙量的比例為83.6%；1986年10月龍羊峽水庫投入運用，汛期水沙量比例進一步減少，汛期水量占全年水量的比例為43.4%，汛期沙量占全年沙量的比例為78.9%。

(3)汛期大流量天數(shù)減少，小流量天數(shù)增加。下河沿水文站1951年～1968年汛期日均流量大于2 000 m3/s出現(xiàn)的天數(shù)為54.0 d，占汛期的比例為43.9 %，小于1 000 m3/s出現(xiàn)的天數(shù)為14.2 d，占汛期的比例為11.5 %；劉家峽水庫投入運用后的1969年～1986年，汛期日均流量大于2 000 m3/s的天數(shù)減少至30.5 d，占汛期比例為24.8 %，小于1 000 m3/s出現(xiàn)的天數(shù)為31.8 d，占汛期的比例為25.9 %；1986年龍羊峽水庫投入運用后，大流量出現(xiàn)天數(shù)減少更加明顯，1987年～1999年、2000年～2018年汛期流量大于2 000 m3/s的天數(shù)分別為4.2、6.1 d，僅占汛期的3.4%和5.0%，相應(yīng)的小流量天數(shù)增加，分別達到了80.6 d和58.3 d。不同時期下河沿不同流量級出現(xiàn)的天數(shù)對比見圖3。不同時期寧夏河段干流入出口控制站不同流量級水沙量統(tǒng)計見表3。

圖3 不同時期下河沿水文站汛期各流量級出現(xiàn)的天數(shù)

2 河道沖淤特性

根據(jù)寧夏河段資料情況對河道沖淤量進行計算，計算方法主要有兩種[2]。一是利用輸沙率資料采用輸沙率法計算河道沖淤量，計算結(jié)果見表4；二是利用實測大斷面資料采用斷面法計算河道沖淤量，計算結(jié)果見表5。

表2 下河沿站不同時期水沙特征值統(tǒng)計

表3 寧夏河段干流入出口控制站不同流量級水沙量統(tǒng)計

表4 寧夏河段輸沙率法沖淤量

表5 寧夏河段斷面法沖淤量及沖淤厚度

2.1 年際沖淤特點

河道有沖有淤、沖淤交替變化，多年沖淤基本平衡。1960年以來寧夏河段不同時期沖淤量見表4。1960年11月～1968年10月寧夏河段年均沖刷0.409億t，1968年11月～1986年10月寧夏河段年均淤積0.012億t，1986年11月～2018年10月年均淤積0.073億t。從1960年以來寧夏河段年沖淤量變化看(見圖4)，寧夏河段有沖有淤[3]，沖刷與淤積交替發(fā)生，多年沖淤基本平衡。1960年11月～2018年10月多年平均沖刷0.012億t。

圖4 寧夏河段年際沖淤變化

2.2 年內(nèi)沖淤特點

衛(wèi)寧河段非汛期淤積、汛期沖刷，1969年以后非汛期淤積和汛期沖刷幅度減弱；青石河段非汛期沖刷，1969年以后汛期由沖刷轉(zhuǎn)為淤積。

衛(wèi)寧河段1960年11月～1968年10月非汛期年均淤積0.126億t(見圖5)，汛期年均沖刷0.182億t；1968年11月～1986年10月非汛期年均淤積0.089億t，汛期微沖，年均沖刷0.002億t；1986年11月～2018年10月非汛期年均淤積0.046億t，汛期年均沖刷0.017億t。衛(wèi)寧河段表現(xiàn)出了非汛期淤積、汛期沖刷，非汛期淤積和汛期沖刷幅度減弱的特點。

圖5 衛(wèi)寧河段不同時段年內(nèi)沖淤變化

青石河段1960年11月～1968年10月非汛期年均沖刷0.234億t(見圖6)，汛期也為沖刷，年均沖刷0.120億t；1968年11月～1986年10月非汛期年均沖刷0.132億t，汛期由沖刷轉(zhuǎn)為淤積，年均淤積0.057億t；1986年11月～2018年10月非汛期年均沖刷0.134億t，汛期淤積加重，年均淤積0.177億t。青石河段表現(xiàn)出了非汛期沖刷，汛期由沖刷轉(zhuǎn)淤積的特點。

圖6 青石河段不同時段年內(nèi)沖淤變化

2.3 縱向沖淤特點

衛(wèi)寧河段沖淤量小，青石河段沖淤量大，是影響寧夏河段沖淤量變化的主體。

1960年11月～1968年10月衛(wèi)寧河段年均沖刷0.056億t、青石河段年均沖刷達0.353億t，分別占寧夏河段沖刷總量的13.6%、86.4%；1968年11月～1986年10月衛(wèi)寧河段年均淤積0.087億t、青石河段年均沖刷0.075億t；1986年11月～2018年10月衛(wèi)寧河段年均淤積0.029億t、青石河段年均淤積0.160億t，分別占寧夏河段淤積總量的40.2%、59.8%。

2.4 橫向沖淤特點

主槽有沖有淤，灘地淤積。

寧夏河段1993年～2001年主槽年均淤積0.081億t，灘地年均淤積0.028億t；2001年～2012年主槽年均沖刷0.038億t，灘地年均淤積0.113億t；2012年～2018年主槽年均淤積0.020億t，灘地年均淤積0.051億t。

衛(wèi)寧河段1993年～2001年主槽年均沖刷0.009億t，灘地年均淤積0.007億t；2001年～2012年主槽年均沖刷0.001億t，灘地年均淤積0.013億t；2012年～2018年主槽年均淤積0.070億t，灘地年均淤積0.021億t。

青石河段1993年～2001年主槽年均淤積0.090億t，灘地年均淤積0.022億t；2001年～2012年主槽年均沖刷0.038億t，灘地年均淤積0.100億t；2012年～2018年主槽年均沖刷0.050億t，灘地年均淤積0.030億t。

橫向沖淤變化影響河槽平灘流量?？偟膩砜?，由于寧夏河段沖淤變化幅度較小，平灘流量變化相對不大，1993年～2018年下河沿至青銅峽河段平灘流量在2 600 m3/s左右，青銅峽至石嘴山河段2012年以前平灘流量在2 300 m3/s左右，至2018年增大到2 500 m3/s左右。寧夏河段平灘流量變化見表6。

表6 寧夏河段不同時期斷面平灘流量變化情況 m3/s

3 河道沖淤預(yù)測

3.1 經(jīng)驗公式法

(1)汛期和非汛期沖淤量與水沙條件的關(guān)系。點繪下河沿至石嘴山汛期和非汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)(包括區(qū)間支流來沙、引水引沙、排水溝排沙)的關(guān)系，見圖7和圖8。由圖可知，汛期和非汛期單位水量淤積量與來沙系數(shù)之間均具有較好的關(guān)系，汛期單位水量淤積量隨來沙系數(shù)的增大而增大，當(dāng)來沙系數(shù)較小時，還可能發(fā)生沖刷。由圖可得到汛期和非汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系如下

汛期 ΔWS1=2.4347ln(ζ下河沿1)+14.802

(1)

非汛期 ΔWS2=0.9934ln(ζ下河沿2)+6.2074

(2)

圖7 汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

圖8 非汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

式中，ΔWS1為采用汛期沖淤量除以下河沿水量得到的單位水量沖淤量，kg/m3；ΔWS2為采用非汛期沖淤量除以下河沿水量得到的單位水量沖淤量，kg/m3；ζ下河沿1為下河沿站汛期來沙系數(shù)，kg·s/m6)；ζ下河沿2為下河沿站非汛期來沙系數(shù)，kg·s/m6。令式(1)和式(2)左側(cè)的單位水量沖淤量為零，可分別得到對應(yīng)汛期和非汛期水沙量兩種情況下的沖淤平衡來沙系數(shù)分別為：ζ下河沿1=0.002 29 kg·s/m6和ζ下河沿2=0.001 93 kg·s/m6。

(2)公式驗證。采用寧夏河段1980年～2010年汛期和非汛期水沙資料，根據(jù)式(1)和式(2)計算單位水量沖淤量，得到汛期和非汛期河段沖淤量的計算值與實測值比較見圖9和圖10。由圖可知，除個別年份計算沖淤量與實測沖淤量有出入外，其他年份計算沖淤量與實測沖淤量吻合較好。

圖9 1980年～2010年汛期沖淤量計算值與實測值比較

圖10 1980年～2010年非汛期沖淤量計算值與實測值比較

(3)計算結(jié)果。依據(jù)上述設(shè)計水沙系列和河段汛期和非汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系計算，得到歷年河道沖淤量計算結(jié)果見表7。從計算結(jié)果來看，年平均淤積量為0.069億t，其中汛期淤積0.152億t，非汛期沖刷0.083億t。

表7 經(jīng)驗公式法寧夏河段沖淤量計算結(jié)果 億t

3.2 實測沖淤量成果

根據(jù)表4、5河道沖淤特性中對寧夏河段實測沖淤量計算結(jié)果，輸沙率法計算寧夏河段1986年11月～2018年10月年均淤積0.073億t。斷面法計算寧夏河段2001年12月～2012年11月年均淤積0.075億t，其中衛(wèi)寧河段年均淤積0.012億t，青石河段年均淤積0.063億t；2012年11月～2018年11月年均淤積0.071億t，其中衛(wèi)寧河段年均淤積0.091億t，青石河段年均沖刷0.02億t。

3.3 河道沖淤量變化預(yù)測

(1)河道沖淤量預(yù)測。1986年以來進入寧夏河段的水沙條件發(fā)生了較大變化，其主要原因與龍、劉水庫的運用方式有關(guān)[4- 6]。在目前不改變龍、劉水庫聯(lián)合調(diào)度運用方式的前提下，進入寧夏河段的水沙條件與1986年以來的水沙條件相比不會有大的改變。有實測大斷面資料以來的1993年～2018年期間寧夏河段年均淤積量為0.082億t，統(tǒng)計1993年11月～2018年10月和1986年以來的寧夏河段干支流水沙量，1993年11月～2018年10月的干流來水量和分配比例與1986年以來基本相當(dāng)，干流來沙量為0.57億t，與1986年以來干流來沙量也基本一致，見表8。經(jīng)驗公式方法計算寧夏河段年均淤積量為0.069億t，斷面法實測1993年～2018年年均淤積量為0.082億t，斷面法實測沙量較經(jīng)驗公式計算結(jié)果略大?？紤]到該時段的水沙量與1986年龍-劉水庫聯(lián)合調(diào)度運用以來的長系列基本相當(dāng)，該系列還包括了2012年、2018年大水年份；因此，選取有實測大斷面資料以來的1993年～2018年的年平均沖淤量，作為寧夏河段年平均沖淤量的預(yù)測值。

表8 下河沿水沙量特征值對比

(2)分河段沖淤量及厚度。1993年～2018年實測斷面法沙坡頭壩下至棗園年平均淤積157萬m3，年平均淤積厚度為0.019 m；青銅峽壩下至石嘴山河段年平均淤積量428萬m3，年平均淤積厚度為0.009 m。

4 結(jié) 論

(1)1950年11月至2018年10月，黃河寧夏段水沙量明顯減少，水沙量年內(nèi)分配比例發(fā)生變化，汛期比重減小，汛期大流量天數(shù)減少，小流量天數(shù)增加。

(2)根據(jù)寧夏河段河道沖淤量分析，從年際沖淤來看，河道有沖有淤、沖淤交替變化，多年沖淤基本平衡。從年內(nèi)沖淤來看，衛(wèi)寧河段非汛期淤積、汛期沖刷，1969年以后非汛期淤積和汛期沖刷幅度減弱；青石河段非汛期沖刷，1969年以后汛期由沖刷轉(zhuǎn)為淤積。從縱向沖淤來看，衛(wèi)寧河段沖淤量小，青石河段沖淤量大，是影響寧夏河段沖淤量變化的主體。從橫向沖淤來看，主槽有沖有淤，灘地淤積。

(3)以經(jīng)驗公式方法計算寧夏河段年均淤積量為0.069億t，斷面法實測1993年～2018年年均淤積量為0.082億t，斷面法實測沙量較經(jīng)驗公式計算結(jié)果略大?？紤]到該時段的水沙量與1986年龍、劉水庫聯(lián)合調(diào)度運用以來的長系列基本相當(dāng)，該系列還包括了2012年、2018年大水年份；因此選取有實測大斷面資料以來的1993年～2018年的年平均沖淤量，作為寧夏河段年平均沖淤量的預(yù)測值。按河段劃分，1993年～2018年實測斷面法沙坡頭壩下至棗園年平均淤積157萬m3，年平均淤積厚度為0.019 m；青銅峽壩下至石嘴山河段年平均淤積量428萬m3，年平均淤積厚度為0.009 m。