黃河下游水庫(kù)河段整治對(duì)河道演變的影響研究

華艷紅

(太原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，山西 太原 030000)

0 引言

水庫(kù)建設(shè)引起的河道格局變化是河道整治領(lǐng)域的重要問(wèn)題，河道改道時(shí)，可引起地下水和地表水的流動(dòng)發(fā)生變化，增加附近地區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致土壤侵蝕和坍塌，為探求河道演變的規(guī)律，學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究。李宗盟等[1]研究了洪汝河大洪河段人工裁彎對(duì)河道演變的影響，研究結(jié)果表明：裁彎取直導(dǎo)致大洪河段河道長(zhǎng)度銳減，河道比降增加；田福昌等[2]對(duì)基于分形理論的黃河內(nèi)蒙古段河勢(shì)演變特征及其與凌汛災(zāi)害關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：冰壩災(zāi)害更易發(fā)生于主槽偏移擺動(dòng)大、蜿蜒曲折、河灣發(fā)育程度高的寬淺型彎曲河道；徐凌等[3]對(duì)考慮河勢(shì)演變長(zhǎng)江永安堤治理工程優(yōu)化進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：河道沖刷導(dǎo)致岸坡變陡，威脅到已護(hù)工程的安全，應(yīng)采取相應(yīng)工程措施保障河勢(shì)；馬繼東[4]對(duì)黑沙洲河段河勢(shì)演變對(duì)河道內(nèi)崩岸區(qū)的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：黑沙洲河段江洲眾多，左右汊分流比波動(dòng)較大，對(duì)河道內(nèi)崩岸區(qū)影響較大；李軍等[5]對(duì)松花江哈爾濱河段河床演變過(guò)程及特點(diǎn)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：哈爾濱河段斷面形態(tài)變化較小，僅在橋梁工程附近發(fā)生了局部高程變化；王瑩[6]對(duì)閩江下游感潮河段水動(dòng)力時(shí)空變化模擬進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：大潮期比小潮期潮流界上溯距離延長(zhǎng)10km，大潮期各斷面水位高值差值在0.5m左右。

以上學(xué)者對(duì)各河段河勢(shì)演變進(jìn)行了研究，分析了河床演變特征和人工裁彎對(duì)河道演變的影響。本文通過(guò)對(duì)黃河下游河段的河流模式進(jìn)行判別，分析河段的彎度、主流游蕩范圍和寬深比以及水條件對(duì)河道演變的影響。

1 研究區(qū)概況

黃河下游河段總體可分為3類(lèi)：游蕩河段、曲流河段和過(guò)渡河段(介于游蕩河段和曲流河段之間)，游蕩河段由鐵謝村至伊洛河口(T-Y河段)、伊洛河口至花園口(Y-H河段)、花園口至黑崗口(H-H河段)5段組成，黑崗口至夾河灘(H-J河段)，夾河灘至高村(J-G河段)。本研究的重點(diǎn)是T-Y河段、H-H河段和J-G河段，分別位于游蕩河段的頭部、中部和后部。

黃河下游有2座大型水庫(kù)：1957年建成的三門(mén)峽水庫(kù)和2001年建成的小浪底水庫(kù)，三門(mén)峽水庫(kù)蓄水后，大部分泥沙淤積在水庫(kù)內(nèi)，下游河段發(fā)生沖淤。三門(mén)峽水庫(kù)建設(shè)前，河道不規(guī)則，河道主流游蕩，該水庫(kù)于1957年建成，最初蓄水后，排出低含沙量的水，然后河道被嚴(yán)重沖刷，三門(mén)峽水庫(kù)開(kāi)閘后，河道游蕩范圍受到一定限制，隨后游蕩范圍減小。1972年的河道整治力度比1960年要大，由于水庫(kù)的淤積，水庫(kù)的運(yùn)行規(guī)則發(fā)生了變化，更多的泥沙被排入下游河段，從河道整治起，下游逐漸沉積了沉積物。1996—2009年，下游年-沉積量為3.62×108t，其中主河道沉積量占76.4%，其余為漫灘沉積量[7-8]。

小浪底水庫(kù)位于峽谷口，位于三門(mén)峽水庫(kù)下游，為黃河干流提供了1.39×109m3的大庫(kù)容。該水庫(kù)于2001年12月投入使用，從投入使用起，流入黃河下游的徑流和泥沙發(fā)生了相當(dāng)大的變化，在汛期，上游的大部分徑流被蓄水用于防洪和發(fā)電，在非汛期排入下游，相比之下，上游的大部分沉積物都被阻擋在水庫(kù)中。自2002年以來(lái)，對(duì)水和沉積物進(jìn)行了調(diào)節(jié)，作為該程序的一部分，部分細(xì)沉積物從水庫(kù)中排出，在一年中的大部分時(shí)間里，清水或低含沙量的水流經(jīng)下游河道。

直到2013年，黃河下游的河床平均被沖刷了2m，河道的橫截面形狀顯示出狹窄、深的特征。游蕩范圍已開(kāi)始受到管制。此外，改進(jìn)后的河道整治工程限制了相對(duì)整治工程之間區(qū)域的主流，從而限制了游蕩范圍。1987年，河道整治工程未完成，主河道未得到控制，2004和2010年，隨著小浪底水庫(kù)的運(yùn)行和河道整治工程的改進(jìn)，河道被限制在河道整治工程沿線，從而變得更加穩(wěn)定。

1.1 研究方法

在湖沼學(xué)中，河流模式分為直河、辮狀河和曲流河，辮狀河包括游蕩河。游蕩的河流在國(guó)內(nèi)有著特殊的重要性，河道坡度、中值直徑、彎曲度和寬深比是判別河流形態(tài)的一般參數(shù)，而河流模式可通過(guò)許多參數(shù)的各種方程來(lái)區(qū)分。

主流徘徊區(qū)間是指主流在任何一年中的搖擺區(qū)間，主流游蕩范圍與河流格局的關(guān)系可由以下方程表示：

(1)

式中，B—與滿岸流量對(duì)應(yīng)的河道寬度，m；?—河型指數(shù)，游蕩河?<0.01‰，辮狀河?<0.5‰，曲流河?<50‰，平直河?≥50‰；ΔBmax是一年內(nèi)的主流漂移范圍，m。

根據(jù)黃河下游的平均岸邊流量寬度和?值，ΔBmax可作為指標(biāo)：游蕩河ΔBmax≥300m，辮狀河ΔBmax≤300m，曲流河ΔBmax<100m。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 基于單個(gè)因素的判別結(jié)果

3個(gè)研究河段的彎度、主流游蕩范圍和寬深比參數(shù)如圖1所示。

圖1 1970—2019年典型河段的彎曲度

這表明，自1970年以來(lái)，彎度逐年增加，主流漂移范圍和寬深比均有所下降。

在圖1中，研究河段的彎曲度小于1.3，表明這3個(gè)河段不是彎曲河道，而且曲折一直在逐漸增加，曲線上有許多極值點(diǎn)。1982年H-H河段的彎曲度為1.22，1986年J-G河段的彎曲率為1.25，1997年T-Y河段的彎曲程度為1.22。1981—1982年，H-H河段有3個(gè)彎道，但游蕩范圍分別為524.26和1267.93m，因此，彎曲段的長(zhǎng)度增加了，彎曲度也增加了。在J-G河段，1985—1986年間，河流彎曲的數(shù)量從7個(gè)增加到9個(gè)，1986年的彎曲度基本相同。同樣，T-Y河段1996年有8個(gè)彎道，1997年有14個(gè)彎道，這導(dǎo)致了彎曲度的增加，而且曲線上的其他極值點(diǎn)也與河流彎曲的數(shù)量和游蕩范圍有關(guān)。

盡管所研究河段的彎曲度在1970—2019年間有所上升和下降，但總體趨勢(shì)是上升的。圖1b顯示了彎曲度的5a滾動(dòng)平均值，顯示出上升趨勢(shì)，2010—2019年間，T-Y河段、H-H河段和J-G河段的平均彎度分別增加到1.21、1.17和1.29，這表明河流格局朝著曲流河的方向發(fā)展。

1970—2019年典型河段寬度和深度比如圖2所示。

圖2 1970—2019年典型河段寬度和深度比

2.2 水條件及其對(duì)河道演變的影響

徑流和泥沙是河道過(guò)程中的關(guān)鍵決定因素，在黃河中，河道邊界條件是影響河道演變的另一個(gè)重要因素。在本研究中，選擇年水量和輸沙量來(lái)分析它們與河型參數(shù)的關(guān)系。

自1970年以來(lái)，黃河下游的年流量一直在穩(wěn)步下降，特別是自1995年以來(lái)，這種下降趨勢(shì)變得非常明顯。1970—1995年的年均水量為4.86×109m3，1995—2009年降至3.24×109m3，2010—2019年進(jìn)一步降至2.57×109m3，僅為1970—1995年間的52.88%。因此，河流的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)及其對(duì)河道的作用也減少了，同時(shí)主流的游走程度也有所下降。圖3(a)和3(b)分別顯示J-G河段的彎曲度和主流游蕩范圍與年水量之間的關(guān)系，其他2個(gè)河段遵循類(lèi)似的模式。

圖3 水條件對(duì)河道演變影響

由圖3可知，在1970—2019年間，隨著年水量的減少，彎曲度增加，主流游蕩范圍減小，這表明河流變得更加穩(wěn)定。圖中給出了對(duì)數(shù)回歸曲線和公式，回歸模型在>95%的置信水平下應(yīng)用。

2.3 河道整治工程對(duì)河道動(dòng)態(tài)影響

河道整治工程在河道整治中也發(fā)揮了重要作用，該工程改變了河道的邊界條件，并將主流限制在相對(duì)整治工程之間的河道內(nèi)。1997年河道整治工程未完成時(shí)，河道是隨機(jī)的，2004和2010年河道整治工作得到改善時(shí)，河道受到了管制。圖2還顯示了2個(gè)拐點(diǎn)：在20世紀(jì)90年代初和2000年，T-Y河段和J-G河段。在這2個(gè)拐點(diǎn)之后的時(shí)期內(nèi)，河道變得更加穩(wěn)定。第二個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于小浪底水庫(kù)的運(yùn)行，它改變了黃河下游的來(lái)水和泥沙條件。然而，第一個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于2個(gè)河段河道整治工程的改善，20世紀(jì)90年代初，計(jì)劃在T-Y和J-G河段修建河道整治工程，并改善了河道整治系統(tǒng)，同時(shí)，H-H河段的河道整治工程沒(méi)有得到改善，因此，在相同的水沙條件下，H-H河段的河道比其他2個(gè)河段表現(xiàn)出更多的游蕩性。

河道整治工程的控制作用可以體現(xiàn)在工程接觸主流的概率上，該控制作用不是全部的長(zhǎng)度，而是與主流接觸并控制主流漂移的一部分。

工程接觸主流的概率是通過(guò)將主流接觸長(zhǎng)度除以工程的總長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)的，而河道整治工程很難沿其全長(zhǎng)觸及主流。因此如果主流接觸長(zhǎng)度與工程總長(zhǎng)度的比率大于2/3，則工程接觸主流的概率可以取為1，如果比率為0，則概率也為0。某一時(shí)間內(nèi)的概率可以從以下公式中獲得：

P=∑Pi/n

(2)

式中，P—河道整治工程接觸主流的概率；Pi—第i年的概率；n—年份。

典型河道整治工程接觸主流的概率，如圖4所示。

圖4 典型河道整治工程接觸主流的概率

1992—2002年期間，T-Y河段工程的概率為67.2%，2003—2009年期間為96.8%。在J-G范圍內(nèi)，1996—2002年期間工程的概率為59.7%，2003—2009年期間為100%。然而，H-H河段的河道整治工程效果不佳，因此接觸主流的概率較低。因此，在相同的水沙條件下，2003—2009年這2個(gè)河段的河道比H-H河段的河道更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黃河下游河段的河流模式進(jìn)行判別，本文研究了水庫(kù)河段整治對(duì)河道動(dòng)態(tài)的影響，得到如下結(jié)論。

(2)河流年均水量2010—2019年降至2.57×109m3，僅為1970—1995年間的52.88%，在1970—2019年間，隨著年降水量的減少，彎曲度增加，主流游蕩范圍減小，河流變得更加穩(wěn)定。在水沙條件相同的情況下，整治工程的改進(jìn)有利于河道的穩(wěn)定。

(3)由于研究課題較大，分析時(shí)段及數(shù)據(jù)分析仍不夠全面，因此研究結(jié)果尚需進(jìn)一步研究。