黃河下游花園口以上河道滯沙指標(biāo)研究

摘 要：水沙搭配關(guān)系是影響黃河下游河道沖淤調(diào)整的重要因素，局部河段滯沙則是改善下游水沙關(guān)系的有效手段之一。小浪底水庫運(yùn)用后，河槽沿程沖刷不均衡，河床粗化，細(xì)沙補(bǔ)給不足，輸沙效率明顯降低。分析黃河下游河道沖淤特性及水沙演進(jìn)規(guī)律，建立不同類型洪水滯沙河段（花園口以上河段）與排洪瓶頸河段（高村—艾山河段）的沖淤關(guān)系?；跍硨拥佬泻楹头€(wěn)定性的影響，以排洪瓶頸河段不淤積為約束，提出洪水滯沙的水沙優(yōu)化配置指標(biāo)。中泥沙洪水滯沙指標(biāo)為：洪水平均流量為１ ８００～ ３ ７００ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量為６６～２３５ ｋｇ／ ｍ３。

關(guān)鍵詞：滯沙指標(biāo)；滯沙河段；排洪瓶頸河段；水沙調(diào)控；黃河下游

中圖分類號：ＴＶ１４２； ＴＶ８８２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．００７

引用格式：申冠卿，王平，王佳，等．黃河下游花園口以上河道滯沙指標(biāo)研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（１１）：４３－４８．

０ 引言

水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是黃河下游河道淤積抬升、河槽萎縮的主要原因之一。河槽沖淤時空分布不均衡致使２０ 世紀(jì)末黃河下游高村—艾山河段（以下稱瓶頸河段）出現(xiàn)河槽排洪能力低于其上下游河段的“瓶頸”現(xiàn)象［１］ ，瓶頸現(xiàn)象的發(fā)展及其對河道行洪的滯后效應(yīng)突出表現(xiàn)為２００２ 年汛前高村平灘流量僅２ ０００ ｍ３ ／ ｓ 左右［２］ 。針對黃河下游河槽排洪目標(biāo)及維持不萎縮的水沙條件，許多學(xué)者從徑流量、輸沙量、流量及含沙量等方面進(jìn)行了研究［３－６］ 。在平衡輸沙指標(biāo)方面，姚文藝等［７］ 提出黃河下游非漫灘和漫灘洪水不淤積的臨界來沙系數(shù)分別為０．０１２ ｋｇ·ｓ／ ｍ６和０．０１５ ｋｇ·ｓ／ ｍ６；申冠卿等［８］ 根據(jù)洪水資料建立了艾山—利津河段不淤積的臨界水沙關(guān)系條件。為充分利用水資源、減少輸沙水量，申冠卿等［９－１１］ 開展了高效輸沙洪水等研究。韓其為［１２］ 分析１９６０—１９９６ 年黃河下游淤積資料后認(rèn)為，高含沙洪水是造成河道淤積的最主要原因；劉曉燕等［１３－１５］ 提出了高含沙洪水的調(diào)控指標(biāo)。１９９９ 年１０ 月小浪底水庫投入運(yùn)用后，黃河下游河道明顯沖刷，沖刷沿程不均衡發(fā)展，沖刷強(qiáng)度上大下?。郏保叮?。截至目前，黃河下游花園口以上河段平灘流量大于７ ５００ ｍ３ ／ ｓ，瓶頸河段平灘流量為４ ７００ ｍ３ ／ ｓ［１７］ ?；▓@口以上河段具有明顯的泥沙調(diào)節(jié)能力，小浪底水庫排放高含沙洪水時，該河段嚴(yán)重淤積，可改善進(jìn)入其下游河段的水沙搭配；小浪底水庫排放清水時，該河段又可提供沙源，提高水流輸沙效率。因此，利用該河段科學(xué)滯沙具有提高小浪底水庫排沙效率且維持黃河下游瓶頸河段河槽過流能力的巨大潛力。已有研究表明，花園口以上河段維持平灘流量不小于５ ０００ ｍ３ ／ ｓ 時，２００８ 年汛末該河段理論可滯沙量為２．０２ 億ｔ［１８］ ，持續(xù)沖刷使得排洪瓶頸河段逐漸下移［１］ 。目前關(guān)于河道滯沙、主槽不萎縮等研究多偏重于黃河下游全河段河槽的沖淤演變和輸沙效果，對各河段沖淤部位調(diào)整與不同水沙條件的響應(yīng)關(guān)系等研究較少，同時也未考慮小浪底水庫運(yùn)用后河槽沿程沖刷的不均衡性對河道行洪的反饋效應(yīng)。本文以瓶頸河段不淤積為約束，研究花園口以上河道滯沙的水沙過程，提出黃河下游洪水調(diào)控的主要指標(biāo)，以期為減緩小浪底水庫淤積、維持黃河下游河槽排洪輸沙能力提供技術(shù)支撐。

１ 基于黃河下游各河段沖淤調(diào)整的洪水分類

１．１ 河段沖淤與洪水的響應(yīng)關(guān)系

分析１９６５—１９９９ 年２５４ 場非漫灘洪水資料后發(fā)現(xiàn)，黃河下游河道不同類型的洪水對河槽沖淤產(chǎn)生的影響不同。圖１ 為花園口以上、高村以上及瓶頸河段洪水期泥沙沖淤與全下游沖淤量之間的關(guān)系。

由圖１ 可以看出，花園口以上河段及高村以上河段沖淤量基本隨全下游沖淤量同步變化，二者具有較好的相關(guān)性，關(guān)系式見式（１）和式（２），相關(guān)系數(shù)分別為０．９３ 和０．９８。瓶頸河段沖淤量明顯小于花園口以上河段，與全下游沖淤量的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)為０．６１，關(guān)系式見式（３）。上述２５４ 場非漫灘洪水使黃河下游共計淤積６８．０ 億ｔ，花園口以上河段淤積４４．９８億ｔ，占全下游淤積量的６６．２％；花園口至高村河段淤積２２．４０億ｔ，占全下游淤積量的３２．９％；瓶頸河段淤積２．３４億ｔ，占全下游淤積量的３．４％；艾山至利津河段沖刷１．７２ 億ｔ，占全下游淤積量的－２．５％。

Ｃｈ ＝－０．０１６Ｃｔ２ ＋０．５３６Ｃｔ ＋０．０４４ （１）

Ｃｇ ＝０．００６Ｃｔ２ ＋０．８１１Ｃｔ ＋０．０４５ （２）

Ｃｇ－ａ ＝０．００７Ｃｔ２ ＋０．０８１Ｃｔ －０．０１８ （３）

式中：Ｃｈ、Ｃｇ、Ｃｇ－ａ、Ｃｔ 分別為花園口以上、高村以上、瓶頸河段及全下游沖淤量。

從不同河段洪水泥沙沖淤調(diào)整看，花園口以上河段（以下稱滯沙河段）洪水期淤積、非洪水期沖刷特征明顯，對泥沙的調(diào)節(jié)能力最大，且小浪底水庫運(yùn)用以來該河段沖刷強(qiáng)度最大［１６］ ，為洪水自然滯沙提供了有利的邊界條件。

１．２ 洪水分類

水沙搭配主要指組成洪水的各水沙因子如流量、含沙量、泥沙組成及洪水歷時的組合方式。洪水按流量大小可分為漫灘洪水和非漫灘洪水，按含沙量大小可分為高含沙量洪水、中等含沙量洪水和低含沙量洪水。不同類型洪水對各河段河槽沖淤調(diào)整的影響各不相同。根據(jù)來沙組成，即粒徑小于０．０２５ ｍｍ 的懸沙質(zhì)量百分比Ｐ?，將２５４ 場非漫灘洪水分為３ 類。

１）細(xì)泥沙洪水。將６８％≤Ｐ? ＜９６％的洪水定義為細(xì)泥沙洪水，共計６７ 場，全下游總沖刷量為７．５０ 億ｔ，其中滯沙河段沖刷２．６５ 億ｔ，瓶頸河段沖刷１．３３ 億ｔ。這類洪水來沙組成較細(xì)，當(dāng)下游發(fā)生淤積或沖刷時，沿程沖淤分布相對均勻，瓶頸河段及滯沙河段沖淤變化趨勢與全下游沖淤變化趨勢基本一致，如圖２ 所示。由于懸沙沿程分選性差，滯沙河段和瓶頸河段沖淤基本同步，因此這類洪水不適宜滯沙。

２）粗泥沙洪水。將１８％≤Ｐ? ＜３５％的洪水定義為粗泥沙洪水，共計４５ 場洪水，滯沙河段及瓶頸河段沖淤與全下游沖淤關(guān)系如圖３ 所示。

由圖３ 可以看出，粗泥沙洪水各河段沖淤量隨來沙量的增大而增大，即隨來沙量增大滯沙河段淤積量增大，同時瓶頸河段淤積量也相應(yīng)增大。若扣除圖中來沙量大于１．９ 億ｔ 的３ 場洪水，余下４２ 場洪水總來沙量為２７．２８ 億ｔ，相應(yīng)下游總淤積量為１１．６１ 億ｔ，淤積比為４２．６％。其中滯沙河段淤積８．３４ 億ｔ，瓶頸河段淤積０．２２ 億ｔ，艾山—利津河段（以下稱艾利河段）淤積１．８４ 億ｔ，分別占下游淤積量的７１．８％、１．９％、１５．８％。

艾利河段沖淤主要與流量大小有關(guān)，具有“大水沖、小水淤”的泥沙輸移特性［８］ 。黃河下游流量為８００ ～１ ７００ ｍ３ ／ ｓ的低含沙量洪水具有上沖下淤的演變特征，對艾利河段不利［１９］ 。４２ 場洪水中，流量小于１ ７００ ｍ３ ／ ｓ 的洪水有２８ 場，洪水總來沙量為１４．２８ 億ｔ，相應(yīng)下游淤積量為８．４９ 億ｔ，其中滯沙河段淤積４．６４ 億ｔ，瓶頸河段淤積１．０４ 億ｔ，艾利河段淤積１．７５ 億ｔ，分別占下游淤積量的５４．７％、１２．２％、２０．６％，這類洪水滯沙河段及瓶頸河段均淤積，不易滯沙；流量大于１ ７００ ｍ３ ／ ｓ 的洪水有１４ 場，洪水總來沙量為１３．０ 億ｔ，相應(yīng)下游淤積量為３．１２ 億ｔ，其中滯沙河段淤積３．６９ 億ｔ，瓶頸河段沖刷０．８１ 億ｔ，艾利河段淤積０．０８ 億ｔ，分別占下游淤積量的１１８．３％、－２６．０％、２．６％，這類洪水滯沙河段淤積嚴(yán)重，瓶頸河段沖刷，艾利河段微淤，適宜滯沙，其相應(yīng)滯沙洪水條件為：洪水來沙量小于１．９ 億ｔ，平均流量１ ７００～３ ３００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量３０～７０ ｋｇ／ ｍ３。

３）中泥沙洪水。將３５％≤Ｐ? ＜６８％的洪水定義為中泥沙洪水，這類洪水在黃河下游發(fā)生的頻率最高。圖４ 給出洪水期典型河段沖淤量與全下游沖淤量之間的關(guān)系。

由圖４ 可以看出，當(dāng)全下游沖淤量小于２．５ 億ｔ時，滯沙河段沖淤量隨全下游沖淤量增加而增加，瓶頸河段沖淤量隨全下游沖淤量的增加變化不大，處于微沖微淤狀態(tài)；當(dāng)全下游沖淤量大于２．５ 億ｔ 時，瓶頸河段沖淤量隨全下游淤積量的增加而增加。

這類洪水共計１４２ 場，下游總來沙量為２１３．６ 億ｔ，河道總淤積量為５９．８２ 億ｔ，淤積比為２８．０％，其中滯沙河段淤積３６．８８ 億ｔ，占下游淤積量的６１．７％，瓶頸河段總淤積量為２．９７ 億ｔ，占下游淤積量的５．０％。中泥沙洪水是黃河下游發(fā)生頻率最高的洪水，洪水流量、含沙量、水沙量變化范圍廣，下游各河段沖淤量變化幅度均較大。為篩選適宜的滯沙洪水，以下對這類洪水按沖淤特性進(jìn)行歸類分析。

２ 中泥沙滯沙洪水特性

基于水沙搭配對滯沙河段沖淤的影響、瓶頸河段沖淤與全下游沖淤關(guān)系、洪水流量對艾利河段輸沙的影響［８，１９］ 以及水量沿程平衡等因素，對１４２ 場中泥沙洪水進(jìn)行篩選，適宜滯沙的條件為：洪水平均流量Ｑｊ ＞１ ７００ ｍ３ ／ ｓ，下游河道淤積量０．４ 億ｔ＜Ｃｔ ＜２．５ 億ｔ。

滿足上述條件的洪水共計２３ 場。其中小浪底水庫運(yùn)用前１７ 場、小浪底水庫運(yùn)用后的２０１８—２０２０ 年有６ 場，洪水特征及相應(yīng)沖淤量見表１（表中，小浪底水庫運(yùn)用前三站指三門峽＋黑石關(guān)＋武陟，小浪底水庫運(yùn)用后三站指小浪底＋黑石關(guān)＋武陟，下同）。由表１可知，１９６５—１９９９ 年１７ 場滯沙洪水，三站平均流量為２ ３２５ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量為１０９．９ ｋｇ／ ｍ３，總沙量為４５．９４億ｔ，利津以上河道淤積量為２２．８０５ 億ｔ，淤積比為４９．６％，其中滯沙河段、瓶頸河段、艾利河段分別淤積１４．１５１ 億、０．４２０ 億、０．６９３ 億ｔ，分別占全下游淤積量的６２．１％、１．８％、３．０％。２０１８—２０２０ 年６ 場滯沙洪水三站平均流量為２ ９６７ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量為８１．５ ｋｇ／ ｍ３，總來沙量為１０．４５ 億ｔ，利津以上河道淤積量為７．７９８億ｔ，淤積比為７４．６％，其中滯沙河段、瓶頸河段、艾利河段分別淤積６．２３６ 億、０．２７２ 億、０．１３８ 億ｔ，分別占全下游淤積量的８０．０％、３．５％、１．８％。

３ 中泥沙滯沙洪水調(diào)整規(guī)律

３．１ 各河段泥沙輸移與全下游沖淤關(guān)系

滯沙洪水沿程沖淤分布不均，泥沙淤積主要集中在滯沙河段，瓶頸河段微淤。將瓶頸河段進(jìn)一步劃分為高村—孫口河段和孫口—艾山河段，各河段沖淤與全下游沖淤的關(guān)系如圖５ 所示。

從圖５ 及表１ 可以看出，瓶頸河段淤積主要集中在高村—孫口河段，孫口—艾山河段微沖，洪水期沖淤對瓶頸河段過流能力影響較小。

３．２ 洪水期分河段泥沙輸移影響因子分析

圖６ 給出了滯沙河段和瓶頸河段沖淤量與含沙量的關(guān)系。由圖６ 可以看出，各河段沖淤量與含沙量具有較好的相關(guān)性。滯沙河段場次洪水滯沙量隨含沙量增大而增大，含沙量是影響滯沙河段沖淤調(diào)整的關(guān)鍵因素。瓶頸河段淤積量隨含沙量變化不明顯，場次洪水有沖有淤，單次洪水淤積或沖刷量均很小，這主要與高村以上寬河道對泥沙具有較大調(diào)節(jié)能力有關(guān)，高含沙洪水高村以上河段泥沙淤積量約占全下游的８７％［２０］ 。

圖７ 給出了洪水期滯沙河段及瓶頸河段沖淤量與流量的關(guān)系。由圖７ 可以看出，滯沙河段及瓶頸河段沖淤量隨流量增大變化趨勢并不明顯，洪水期淤積主要集中在滯沙河段，對瓶頸河段影響不大。

為分析水沙變化對河段沖淤調(diào)整的綜合影響，引入來沙系數(shù)ｋ（ｋ ＝Ｓ ／ Ｑ，Ｓ 為三站洪水平均含沙量，Ｑ 為三站洪水平均流量），分別點繪洪水期下游河道淤積比及滯沙河段淤積比與來沙系數(shù)之間的關(guān)系，如圖８和圖９ 所示。

從圖８ 和圖９ 可以看出，小浪底水庫運(yùn)用前后點群出現(xiàn)明顯分帶。小浪底水庫運(yùn)用后，下游河道長時期沖刷，河床粗化，床沙中的細(xì)泥沙補(bǔ)給不足，２０１８ 年黃河下游河道的輸沙能力相對于２０００ 年降低約５７．１％［１６］ ，同等來沙系數(shù)情況下，２０１８—２０２０ 年洪水輸沙能力明顯降低。

小浪底水庫運(yùn)用前，洪水期黃河下游河道淤積比η１與來沙系數(shù)具有較好的相關(guān)性（見圖８），相關(guān)系數(shù)為０．９０，下游河道淤積比與來沙系數(shù)的關(guān)系可表示為式（４）；滯沙河段淤積比η２ 與來沙系數(shù)相關(guān)性相對較差（見圖９），相關(guān)系數(shù)為０．７０，洪水期滯沙河段淤積比與來沙系數(shù)之間的關(guān)系見式（５）。

式（４）和式（５）是根據(jù)實測的中泥沙洪水資料回歸得到的，其適用范圍為中泥沙洪水，即３５％≤Ｐ?＜６８％。

３．３ 洪水期河段滯沙對河道淤積的滯后影響分析

２０１８—２０２０ 年汛期小浪底水庫共發(fā)生６ 場排沙洪水，共計排沙１０．４５ 億ｔ，洪水期滯沙河段發(fā)生嚴(yán)重淤積，共淤積泥沙６．２３６ 億ｔ，瓶頸河段淤積泥沙０．２７２億ｔ，見表１。

２０１８—２０１９ 年受汛期排沙量大的影響，滯沙河段汛期淤積、非汛期沖刷，年內(nèi)呈現(xiàn)淤積，見表２。２０２０年小浪底水庫汛期排沙少，下游河道汛期淤積量小、非汛期沖刷，年內(nèi)滯沙河段基本維持沖淤平衡。由表２可知，小浪底水庫排沙期，滯沙河段淤積，此后清水及非汛期沖刷，隨著時間的推移，滯沙期間淤積泥沙可被后續(xù)低含沙水流全部帶走，２０１８—２０２１ 年，滯沙河段累計沖刷０．４３５ 億ｔ，前期淤積泥沙全部被沖走，瓶頸河段累計沖刷０．６５９ 億ｔ?？梢?，選擇適宜的水沙過程及滯沙控制指標(biāo)，滯沙河段滯留的泥沙一般在當(dāng)年或后續(xù)幾年可被清水全部帶走，且不加劇瓶頸河段淤積。

４ 中泥沙洪水滯沙指標(biāo)

基于不同水沙搭配洪水滯沙河段與瓶頸河段沖淤的響應(yīng)關(guān)系，以減少滯沙河段行洪影響、瓶頸河段不淤積為約束，且兼顧艾利河段少淤積，提出了包括泥沙組成、流量及含沙量等因子的洪水滯沙配置指標(biāo)，即粒徑小于０．０２５ ｍｍ 的懸沙質(zhì)量百分比Ｐ? 應(yīng)滿足３５％≤Ｐ? ＜６８％，洪水平均流量為１ ８００～３ ７００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量為６６～２３５ ｋｇ／ ｍ３。

黃河河道沖淤調(diào)整影響因素眾多，包括來水來沙條件、河床組成、斷面形態(tài)及前期河道淤積或沖刷程度等。鑒于河床演變的復(fù)雜性，上述中泥沙洪水滯沙指標(biāo)（流量和含沙量）為區(qū)間范圍，含沙量變化范圍較流量大，如圖１０ 所示。

由圖１０ 可以看出，流量與含沙量的對應(yīng)關(guān)系表現(xiàn)為：流量為１ ８００～２ ５００ ｍ３ ／ ｓ 時，含沙量隨流量增大有減小的趨勢，含沙量由２３５ ｋｇ／ ｍ３減小為７８ ｋｇ／ ｍ３，減幅較大；流量為２ ５００～３ ７００ ｍ３ ／ ｓ 時，含沙量隨流量增大有增大的趨勢，含沙量由６６ ｋｇ／ ｍ３增大為１０５ ｋｇ／ ｍ３，但增幅較小。

５ 結(jié)論

１）洪水期黃河下游滯沙河段、瓶頸河段沖淤量與全下游沖淤量存在一定關(guān)系。滯沙河段對泥沙的調(diào)節(jié)能力最大，具備洪水自然滯沙功能。

２）黃河下游洪水按懸沙組成可分為３ 類，即細(xì)泥沙（６８％≤Ｐ? ＜９６％）洪水、粗泥沙（１８％≤Ｐ? ＜３５％）洪水、中泥沙（３５％≤Ｐ? ＜６８％）洪水，其中細(xì)泥沙洪水泥沙沿程分選能力差，滯沙河段和瓶頸河段沖淤基本同步，不適宜滯沙。

３）粗泥沙洪水，泥沙容易落淤、輸移距離近，滯沙河段嚴(yán)重淤積，瓶頸河段沖刷，艾利河段微淤，相應(yīng)滯沙洪水條件為：洪水來沙量小于１．９ 億ｔ，平均流量為１ ７００～３ ３００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量為３０～７０ ｋｇ／ ｍ３。

４）中泥沙洪水是滯沙洪水主體，黃河下游河道及滯沙河段淤積比與來沙系數(shù)有較好的相關(guān)關(guān)系，且河段滯沙對河道行洪影響較小。滯沙洪水水沙配置指標(biāo)為：洪水平均流量為１ ８００～３ ７００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量為６６～２３５ ｋｇ／ ｍ３。

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【責(zé)任編輯 張 帥】

基金項目：國家自然科學(xué)基金黃河水科學(xué)研究聯(lián)合基金資助項目（Ｕ２２４３２１８）；河南省重大科技專項（２３１１００３２０１００）