水庫攔沙對黃河下游河床演變的影響

DOI：10.14042/j.cnki.32.1309.2024.03.011

摘要：為充分認識水庫攔沙對其下游河道河床演變及防洪的影響，基于三門峽水庫和小浪底水庫攔沙期水沙及斷面觀測資料，研究了黃河下游河槽沖淤、洪水沖刷效率、河槽幾何特征、排洪能力等規(guī)律。結果表明：水庫攔沙期，黃河下游沿程河槽均發(fā)生了不均衡沖刷;河床粗化明顯，粗化后床沙中值粒徑最大值為沖刷前的2.1～2.5倍;高村以上河段同水位過洪能力增加明顯，沖刷后較大的河槽容積可為小浪底水庫排沙提供暫時的滯沙;河床粗化后細泥沙和中泥沙補給能力不足，河槽沖刷效率隨沖刷歷時的增加衰減明顯。由于水庫多年調節(jié)水沙過程及下游相對完善的河道整治工程約束，小浪底水庫攔沙期黃河下游河槽沖刷重心下移，河床粗化程度增加，沖刷效率明顯降低。研究成果可為水庫水沙調控技術指標的選取提供科學依據(jù)。

關鍵詞：河床演變;河床粗化;沖刷效率;泥沙調節(jié);水庫攔沙期;黃河下游

中圖分類號：TV142

文獻標志碼：A

文章編號：1001-6791（2024）03-0475-10

收稿日期：2024-01-30;網(wǎng)絡出版日期：2024-05-06

網(wǎng)絡出版地址：https：∥link.cnki.net/urlid/32.1309.P.20240506.1045.002

基金項目：國家自然科學基金資助項目（U2243218）

作者簡介：申冠卿（1964—），男，河南伊川人，正高級工程師，主要從事河流泥沙研究。E-mail：shenguanqing@sohu.com

沖積河流上修建水庫后，出庫水沙條件的變化將破壞其下游河流平衡，引起河道沖刷、河床形態(tài)變化等再造床過程［1］，并在中、大洪水時產(chǎn)生潛在的洪水風險放大效應［2］。三峽水庫運用后，受河道工程的約束，其下游宜昌—城陵磯河段河槽發(fā)生單向沖刷，15 a沖刷約1.6m［3］。黃河下游不同河段河道特性及河道工程約束程度不同，小浪底水庫運用后，黃河下游河道普遍沖刷、3 000 m3/s相應水位明顯降低［4］，游蕩型、過渡及彎曲河段河槽分別沖刷3.0、2.5和2.3 m，且前期5 a平均來沙系數(shù)是影響河槽沖淤的關鍵因子［5］。在河槽沖深的同時，游蕩段河槽寬度也有增加，全下游河寬橫向展寬速率明顯小于河槽垂向沖深速率［6-7］，當年及前7 a流量與含沙量對河槽幾何形態(tài)調整的貢獻率分別為30%、70%［8-9］。對于汛期和場次洪水，水流沖刷強度、河相系數(shù)是影響排沙比的主要因素［10］。黃河調水調沙沖刷過程中，水流輸送的粗泥沙41%左右來自河床的補給，隨著床沙粗化及粗化保護層的形成，黃河下游洪水沖刷效率已顯著降低［11-12］，累計沖刷量的空間分布在逐漸趨于均勻，河床沖刷逐漸趨向平衡［13］。游蕩河段河床沖刷效率降低幅度最大，主要與床面形態(tài)發(fā)育、水流阻力增加有關［14-15］，且細泥沙補給不足，沖刷效率明顯降低［16］。隨著黃河下游泥沙減少、河床沖刷，同樣伴隨著河槽擺動灘地塌灘等現(xiàn)象的發(fā)生，河槽擺動寬度及強度小于小浪底建庫前，水沙條件也是影響河槽擺動的主要因素［17-19］。水庫攔沙期河床演變涉及范圍廣、歷時長。1961—1964年三門峽水庫攔沙期，下游河槽沖刷21.21億m3。小浪底水庫運用以來，截至2022年汛后，小浪底水庫攔沙33.48億m3，下游河槽沖刷22.05億m3，最小平灘流量由2002年汛前的1 800 m3/s增至4 700 m3/s。目前夾河灘以上河段河槽基本恢復到1969年或1960年以來最好水平，夾河灘—高村河段恢復到1989年水平，高村—利津河段恢復到1985年水平［4］，其中花園口以上河段平灘流量超過9 900 m3/s，具有顯著的泥沙調節(jié)能力［20］。

三門峽水庫攔沙期黃河下游游蕩型河道除堤防外僅有少量護灘工程，基本為天然河道，70年代開始有計劃河道整治，小浪底水庫攔沙期，黃河下游河道工程相對完善，對水流的約束作用明顯增加。持續(xù)開展的調水調沙試驗與生產(chǎn)運行，使下游河槽邊界發(fā)生了很大變化。盡管已有不少學者從多方面開展了水庫攔沙期等方面的研究，但邊界條件的巨變及調水調沙對河床演變的影響研究還不夠深入。因此，本文擬以三門峽、小浪底水庫攔沙期的實測資料，系統(tǒng)類比研究黃河下游床沙補給能力、沖刷效率及排洪能力等方面的定量變化，提出水庫攔沙對其下游河床演變的影響，為水庫水沙調控提供技術支撐。

1" 河道邊界條件及水沙條件

1.1" 河道邊界條件

黃河下游游蕩性河段指河南孟津白鶴鎮(zhèn)至山東東明高村段，河道長299 km。1948年前河段共有壩垛1 065道，其中險工和控導工程分別為1 050道和15道。1948—1960年共修壩垛310道，至1960年三門峽水庫攔沙時，共有壩垛1 375道，其中險工和控導工程分別為1 205道和170道，控導工程占12.4%。游蕩性河段從20世紀70年代有計劃逐步開始河道整治，至2001年共有壩垛3 608道。1971—2001年新修壩垛2 233道，其中險工和控導工程分別為318道和1 915道，控導工程占85.8%，河道控導工程對約束水流、控制河勢發(fā)揮了重要作用。

1.2" 水沙條件

三門峽水庫位于黃河中游下段，1960年9月開始蓄水，至1962年3月下泄清水，1962年3月后改為滯洪排沙，到1964年10月下游河道仍沖刷故合為蓄水運用。小浪底壩址位于黃河中游最后一段峽谷的出口，距三門峽樞紐下游130 km，小浪底水庫是控制進入黃河下游水沙的關鍵工程，水庫于1999年10月下旬開始蓄水，經(jīng)歷了攔沙、調水調沙及排沙運用。

三門峽水庫攔沙期，1960—1964年三門峽+黑石關+武陟（三黑武站）控制站各流量級水沙量及天數(shù)分布見表1，該時期總水量為2 262.5億m3，總沙量為23.40億t，其中1964年水沙量最大，水量、沙量分別為774.4億m3和11.99億t。從表1流量級水沙分布看，水沙主要集中在1 000～4 000 m3/s流量級內，該量級水量、沙量各占總水沙量的62.7%和61.5%，水沙量基本同步。該時期來水豐，日均流量大于5 000 m3/s的天數(shù)為45 d。

小浪底水庫運用以來，2000—2022年小浪底+黑石關+武陟（小黑武站）控制站總水量為6 767.4億m3，總沙量為26.35億t，年均水量、沙量分別為294.2億m3和1.15億t，其中2020年來水最豐，水量為487.2億m3，2018—2020年及2022年小浪底水庫排沙，排沙量分別為4.46億、5.45億、3.28億和1.89億t，2019年排沙最多。從表1看，2 000 m3/s流量以下水量占73.4%，其中小于1 000 m3/s流量級水量占44.2%;來沙主要集中于2 000～4 000 m3/s流量級，占83.4%。小浪底水庫運用23 a來，2002年進行了水庫運用后黃河首次調水調沙，除來水較枯年份（如2016—2017年）外，共有18 a開展了水庫調水調沙，泥沙集中于大流量下泄，水沙關系趨于協(xié)調。該時期多數(shù)年份來水枯，日均流量大于5 000 m3/s的天數(shù)僅有3 d。

2" 河槽沖淤演變

2.1" 河槽沖淤量時空變化

據(jù)黃河下游實測斷面資料，劃分河槽并計算相應的河槽沖淤量（斷面法），點繪水庫攔沙期黃河下游河槽沖淤量時空分布，見圖1。三門峽水庫攔沙期（1960年9月至1964年10月）利津以上下游河槽共計沖刷21.21億m3，小浪底水庫攔沙期（1999年11月至2022年10月）下游河槽總沖刷22.05億m3，除2019年和2022年（分別淤積0.65億和0.23億m3）河槽淤積外其余年份均為沖刷，見圖1（a）。從圖1（b）沖刷空間分布看，兩時期河槽沖刷沿程不均勻發(fā)展，但沖刷分布極為相似，沖刷強度以高村為分界點，沖刷強度上段大、下段小。小浪底水庫攔沙期，受水流條件及控導工程約束水流的影響，小浪底水庫調水運用及后期天然較大洪水使河槽沖刷重心隨時間推移有向下游河段發(fā)展的趨勢，高村—艾山排洪瓶頸河段沖刷強度大于三門峽水庫攔沙期。受泥沙沿程調整的影響，流量較小時，還存在“上沖下淤”現(xiàn)象，2000—2014年非汛期孫口以上河段沖刷6.984億m3，艾山—利津段淤積1.094億m3。兩時期河槽沖刷的不同點是：三門峽水庫攔沙期高村以上河道控導工程少約束水流能力差，河槽橫向塌灘展寬、沖刷范圍廣;小浪底水庫攔沙期縱向沖刷深度大且高強度沖刷河段長。

水庫攔沙期沖刷主要集中于高村以上，兩時期高村以上河槽沖刷量分別為14.8億和15.5億m3，分別占下游相應沖刷量的69.6%和70.2%，長距離河槽沖刷形成的較大河槽容積，可為后期小浪底水庫排沙提供暫時的滯沙，改善沿程水沙不協(xié)調關系。

2.2" 河槽深泓點時空變化

根據(jù)實測斷面資料，摘錄橫斷面深泓點高程，點繪水庫攔沙期河槽深泓點時空變化如圖2。從深泓點沿程變化看，1999年深泓點高程最高，反映出20世紀90年代末黃河下游河槽淤積萎縮嚴重。兩時期相比，小浪底水庫攔沙期黃河下游河槽深泓點高程降低幅度大，高村以下深泓點沿程起伏變化明顯;三門峽水庫攔沙期高村以上河槽深泓點降低明顯，高村以下降低不明顯。從深泓點隨時間變化看，小浪底水庫攔沙期，多數(shù)斷面深泓點最低值出現(xiàn)在2014年，且孫口以上河段多數(shù)斷面深泓點高程低于1964年，2014—2022年深泓點高程變化較小，只有局部斷面發(fā)生調整，深泓點隨時間的變化與河槽沖刷量隨時間變化趨勢（圖1（a））基本一致。

3" 洪水單位水量沖刷效率及影響因素分析

3.1" 單位水量沖刷效率

根據(jù)下游洪水過程考慮到洪峰和沙峰相位、區(qū)間水量平衡等因素劃分場次洪水，并統(tǒng)計相應洪水的水沙及河道沖淤特征值。這里定義洪水單位水量沖刷效率為場次洪水利津以上河道沖淤量與花園口水量之比。圖3為洪水期單位水量沖刷效率與流量的關系。

從圖3單位水量沖刷效率隨流量變化過程看，兩時期變化趨勢基本一致，即隨流量的增大（大于4 000 m3/s）單位水量沖刷效率增幅趨于平穩(wěn)，圖3（b）由于2021年汛期6—9月河槽沖刷，使得10月份大流量沖刷效率小，導致有輕微的“翹尾巴”現(xiàn)象。兩時期沖刷效率相比，三門峽水庫攔沙期沖刷效率大于小浪底水庫攔沙期；小浪底水庫攔沙初期（2006年以前）沖刷效率較大，此后隨時間的推移沖刷效率降低，流量大于4 000 m3/s時沖刷效率僅有7 kg/m3左右。

3.2" 單位水量沖刷效率影響因素分析

河道沖淤調整與河道邊界條件及水沙條件有關，河道邊界條件包括河道整治工程、河槽寬度、斷面幾何形態(tài)、河床質組成等，水沙條件則是泥沙輸移的驅動力。

（1） 水動力條件。三門峽水庫攔沙期水量較豐，除1962年外其余年份水量均超過510億m3，1961—1964年汛期、非汛期平均流量分別為3 010和1 140 m3/s，日均流量大于5 000 m3/s的天數(shù)為45 d，最大日均流量為7 330 m3/s。小浪底水庫攔沙期，2000—2017年來水較枯，年均水量為252.4億m3，汛期、非汛期平均流量分別為965和669 m3/s;2018—2021年來水較豐，年均水量為469.9億m3，汛期、非汛期平均流量分別為2 200和971 m3/s，2000—2022年日均流量大于5 000 m3/s的天數(shù)為3 d，最大日均流量為5 130 m3/s?？梢姡T峽水庫攔沙期，水量豐、流量大、歷時長為河槽沖刷提供了較強的動力。

（2） 河槽寬度及橫斷面變化。河槽橫斷面調整與水沙條件和河槽約束邊界有關。圖4給出了水庫攔沙前后典型斷面變化，從斷面調整看，高村以上河段橫斷面河槽侵蝕，灘岸蝕退，沖深與展寬并舉，如圖4（a）;高村以下河段橫斷面以下切沖深為主，河槽展寬幅度相對較小，如圖4（b）。根據(jù)利津以上92個測驗斷面（考慮資料的一致性，小浪底水庫運用后加測斷面未選）進行斷面套繪，分割河槽提取相應河槽寬度，距離加權求得相應時段各河段河槽寬度，如表2。由表2知，三門峽水庫攔沙期，7—10月年均水量為320.2億m3，相應平均流量為3 010 m3/s，該時期黃河下游河道整治工程很不完善且攔沙期水量豐、流量大，高村以上河槽寬度明顯增加，1964年汛后高村以上河槽寬度為3 425～3 615 m，比1960年汛后增加了900～1 250 m。小浪底水庫攔沙期，6—10月年均水量為158.2億m3，相應平均流量為1 190 m3/s，該時期黃河下游河道整治工程逐步完善，同時為改善河槽萎縮現(xiàn)象及避免洪水漫灘帶來的災害，水庫對天然水沙過程進行科學調控，高村以上河槽伴隨下切的同時也有展寬，但展寬幅度明顯小于三門峽水庫攔沙期，河槽寬度2022年汛后與1999年汛后相比增加200～280 m，孫口以下河槽主要以沖深下切為主，如孫口斷面河槽寬度基本維持在540 m，2022年與1999年相比河槽明顯刷深，平均沖深約3.5 m，見圖4（b）。

相比之下，三門峽水庫攔沙期斷面調整更為劇烈，高村以上初始河槽寬度大且攔沙前后河槽展寬多，為河槽沿程沖刷提供了有效的沙源補充，增大了河槽沖刷效率。

（3） 水文站床沙中值粒徑變化。水庫攔沙期黃河下游床沙粗化，床沙中值粒徑（D50）上段粗下段細，高村以上河段床沙粗化幅度大，高村以下河段粗化幅度小，如圖5所示。

小浪底水庫攔沙期床沙比三門峽攔沙期粗，如花園口站、高村站2014年床沙中值粒徑分別為0.262和0.135 mm，1964年相應床沙中值粒徑分別為0.187和0.118 mm。從床沙中值粒徑隨時間變化看，小浪底水庫攔沙期床沙中值粒徑隨時間變化先增大后減?。ɑ▓@口站減小幅度較大其余站減小幅度很?。?014年、2015年各站中值粒徑基本達最大值，為沖刷前2000年中值粒徑的2.1～2.5倍。2018—2020年小浪底水庫排沙，年均排沙量為4.4億t，高村以上局部河段河槽淤積后床沙細化，花園口以上河段床沙細化最大。2020年黃河下游各站床沙中值粒徑為2000年的1.6～2.4倍。三門峽水庫攔沙期床沙中值粒徑隨時間變化逐漸增大，1964年中值粒徑為沖刷前1960年的1.5～2.0倍。小浪底水庫攔沙期較三門峽水庫攔沙期河床粗化更為明顯，床沙較粗導致河槽沖刷相對更加困難。

（4） 河段床沙組成變化。黃河下游床沙組成橫向分布為主槽粗、灘地細。三門峽水庫建庫前，主槽中粗泥沙（Dgt;0.05 mm）約占80％、中泥沙（0.025 mmlt;D≤0.05 mm）和細泥沙（D≤0.025 mm）各占約10％;由于漫灘洪水落淤，灘地中泥沙和細泥沙含量高于主槽，中泥沙和細泥沙所占比例分別為21％和42％。三門峽水庫攔沙期，黃河下游河道整治工程很不完善，伴隨著河槽沖刷下切的同時展寬明顯，高村以上河槽平均展寬1 100 m，至1964年汛后河槽寬度約為3 500 m，該時期大流量持續(xù)時間長，主流擺動幅度大，陶城鋪以上灘地坍塌嚴重，灘地坍塌面積約326.6 km2，灘地坍塌及河槽擺動展寬為清水或低含沙水流提供了沙源。河槽沖刷效率與床沙粗細含量有關，水文站床沙中值粒徑反映了床沙顆粒大小沿程的變化，但水文站點少、間距大，不能完全代表河段床沙的粗細含量，小浪底水庫攔沙期，據(jù)黃河下游測驗斷面泥沙取樣資料，按距離加權求得高村以上各河段床沙組成，各河段床沙組成歷年變化如圖6。

由圖6知，床沙組成上段粗、下段細。水庫下泄清水，細泥沙和中泥沙是水流能夠懸浮長距離輸送的主要沙源，隨時間的推移，至2008年床沙已明顯粗化，高村以上河段床沙組成細泥沙含量由1999年的19.3%減為7.8%、中泥沙含量由31.9%減為18.4%;2009—2014年床沙進一步粗化，但粗化程度弱于2008年以前，高村以上細泥沙含量從2008年的7.8%減為6.0%、中泥沙含量從2008年的18.4%減為14.5%，減小幅度不明顯；2015—2018年河床粗化基本趨于弱化，至2018年汛前高村以上河段床沙組成細泥沙和中泥沙含量分別為3.5%和13.1%。

水庫攔沙期河床持續(xù)沖刷，細泥沙和中泥沙含量補給不足造成河槽沖刷效率衰減。三門峽水庫攔沙期，灘地床沙組成細，流量大、水動力條件強，河槽擺動灘地坍塌給水流挾沙提供了沙源。小浪底水庫攔沙期，河勢擺動幅度小，河槽相對穩(wěn)定，床沙隨時間變化粗化明顯，細泥沙和中泥沙量補給不足。

4" 河槽排洪能力

4.1" 3 000 m3/s流量水位變化

3 000 m3/s流量水位高低是反映黃河下游河槽排洪能力的重要指標。水位表現(xiàn)相對于河床沖淤演變更為復雜，不僅與河槽沖淤量、河槽幾何形態(tài)有關，還與河床沖淤交替過程中河床的粗化程度有關，甚至還受河床演變滯后效應的影響。采用黃河下游7 個水文站水位資料，點繪歷年3 000 m3/s流量的水位變化如圖7。三門峽水庫攔沙期，利津水文站3 000 m3/s水位降低值僅有0.03 m；小浪底水庫攔沙期水位降低值明顯比三門峽攔沙期大，利津水文站3 000 m3/s水位降低1.56 m，這主要與水庫運用前河槽邊界有關，三門峽水庫攔沙期，前期河槽寬且期間河槽橫向展寬幅度大;小浪底水庫攔沙期，前期下游河槽萎縮，河槽窄淺且受河道工程約束，河槽刷深明顯展寬幅度較小。

4.2" 同水位過洪能力變化

同水位過流量大小也是反映河道過洪能力的重要指標。水庫攔沙期河槽以沖刷為主，沿程沖刷不均，一般表現(xiàn)為上段沖刷強度大，下段沖刷強度小。表3給出了水庫攔沙期黃河下游各水文站同水位過洪能力變化，由于2002年黃河下游最小平灘流量為1 800 m3/s，為反映同水位枯水河槽沖刷前后過洪能力的變化，選取水庫攔沙前1 000 m3/s流量對應的水位作為過洪能力變化比較標準。從表3可知，水庫攔沙前后相比，高村以上河段兩時期過洪能力增加明顯，且增幅也基本相當;高村以下河段小浪底水庫攔沙期過洪能力增加值大于三門峽水庫攔沙期，這主要與兩時期攔沙前期下游河床邊界有關，小浪底水庫攔沙前下游河槽嚴重萎縮，隨著水庫攔沙，長時間清水下泄及水庫調水調沙，河槽長時間沖刷，上游段河床粗化趨于弱化，使得沖刷重心有向下游發(fā)展的趨勢，高村以下河道過洪能力也得到明顯增加。

5" 結" 論

基于1960—1964年、2000—2022年三門峽水庫和小浪底水庫蓄水攔沙期觀測資料，對比分析了黃河下游河槽沖淤、洪水沖刷效率、河槽幾何特征及排洪能力等。主要結論如下：

（1） 三門峽水庫攔沙期，黃河下游河床下切和展寬并舉，高村以上河槽橫向展寬幅度大。小浪底水庫攔沙期，河床沖刷主要以下切為主，高村以上深泓點高程降低明顯，水庫調水調沙大流量下泄使得河床沖刷重心隨時間推移有逐漸向下游發(fā)展的趨勢，高村以上較大的河槽容積可為小浪底水庫排沙提供暫時的滯沙，改善沿程水沙不協(xié)調關系。

（2） 河槽幾何形態(tài)及沿程沖刷量決定了河槽排洪能力變化。攔沙期斷面沖深與展寬增大了河槽有效過洪面積，高村以上河槽過洪能力增加明顯，沿程沖刷不均導致高村以下河槽過流能力增加幅度小。

（3） 下游河槽沖刷效率隨流量增大而增大，當流量大于4 000 m3/s時增幅趨于穩(wěn)定。河槽沖刷效率隨沖刷歷時的增加而衰減，小浪底水庫攔沙期河槽沖刷效率低于三門峽水庫攔沙期。

（4） 水量豐、流量大、歷時長為三門峽水庫攔沙期河槽沖刷提供了較強的動力;小浪底水庫攔沙期，相對完善的河道整治工程在防御洪水的同時也約束了水流的擺動，床沙粗化明顯，導致河槽沖刷困難，沖刷效率降低。

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Impact of sediment retention by reservoirs on the fluvial process

in the Lower Yellow River

The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China （No.U2243218）.

SHEN Guanqing，ZHANG Yuanfeng，WANG Ping，ZHANG Guangming

（Yellow River Institute of Hydraulic Research，Zhengzhou 450003，china）

Abstract：To comprehensively assess the impact of sediment retention by reservoirs on downstream fluvial processes and flood control，this study analyzed sediment and cross-sectional data collected during the sediment retention periods at the Sanmenxia （SMX） and Xiaolangdi （XLD） reservoirs.The research explored patterns of channel aggradation and degradation，flood scouring efficiency，channel geometric characteristics，and flood discharge capacity in the Lower Yellow River （LYR）.The results revealed uneven scouring throughout the LYR，with notable riverbed coarsening—the median grain size of the bed sediment increased by 2.1 to 2.5 times that before scouring.Above Gaocun，enhanced flood discharge capacity at equivalent water levels was observed，and the larger channel storage can temporarily detain sediment from the XLD Reservoir.However，following riverbed coarsening，the depletion of fine and medium silt led to a significant decline in channel scouring efficiency over time.The long-term sediment and water management by the reservoirs，coupled with advanced river engineering in the LYR，shifted the focal area of channel scouring downstream during the XLD Reservoir′s sediment retention period compared to that during the SMX period.This shift was accompanied by an increase in riverbed coarsening and a marked decrease in scouring efficiency.These findings provide a scientific foundation for defining technical parameters for reservoir sediment and water regulation.

Key words：fluvial process;riverbed coasening;scouring efficiency;sediment regulation;sediment retention period of reservoirs;Lower Yellow River