河道冲淤调整对窟野河产沙量影响初步分析

2012-02-05张晓华郑艳爽刘明潇

中国水土保持 2012年12期

李萍，张晓华，郑艳爽，刘明潇

(1．黄河水利科学研究院，河南郑州450003;2．华北水利水电学院，河南郑州450011)

1 窟野河流域概况

窟野河发源于内蒙古鄂尔多斯市东胜区巴定沟，于神木县贺家川镇沙峁头村注入黄河，自西北向东南流经内蒙古鄂尔多斯东胜区、伊金霍洛旗、准格尔旗和陕西神木、府谷5 个县(区、旗)，流域概况见图1。窟野河流域属寒温带干旱半干旱大陆性季风气候区，年均降水量399.2 mm，降雨主要集中在汛期［1］，河道全长246.8 km，河道比降3.16‰，流域面积8 706 km2，流域面积大于100 km2的支流有9 条。控制站温家川站以上流域面积8 645 km2，从建站至1986年(即流域内煤炭开发之前)，控制站年均径流量7 亿m3，年均输沙量1.17 亿t，含沙量平均为167 kg/m3，产沙集中于暴雨洪水期间，汛期产沙量超过年沙量的98%［2］。王道恒塔以上，新庙以上，王道恒塔、新庙至神木区间和神木至温家川区间的流域面积分别占到温家川以上流域面积的44.6%、17.2%、22.5%和15.7%，年输沙量分别占到温家川以上年输沙量的25.6%、15.2%、19.2%和40.0%，说明黄土丘陵区是流域产沙最集中的区域［3］。

2 流域下游区域产沙的异常特点

窟野河流域的地表物质组成及地质背景决定了该流域高产沙的特征［4］，也决定了流域内不同地区的产沙特点。分析窟野河近50年来的输沙情况，除21 世纪前10年外，其他时段输沙模数的地区差异都较大，从上游到下游逐段增大，尤其是神木—温家川河段(简称神温河道)数值异常偏大。计算1970、1976、1978 和1989年大暴雨洪水的区间输沙模数，神木—温家川区间为2.11 万～8.69 万t/km2，远大于王道恒塔—神木区间的0.25 万～0.77 万t/km2［5］。窟野河流域暴雨中心多出现在神木站以上的上中游地区，一般情况下下游神木—温家川区间的输沙模数应较上游有所减小，但该区间输沙模数却远高于上中游地区，属反常现象。

图1 窟野河流域概况

根据窟野河流域几座较大库容的坝库工程拦泥情况，推算各区间的来沙模数(坝库运用按全拦全蓄考虑)［5］:中游砂质丘陵区坝库控制区的来沙模数与水文站观测结果基本吻合;上游砾质丘陵区的石卜太沟和下游黄土丘陵区的白家梁沟受1976年和1978年大暴雨影响［6］，来沙模数偏大;推算得到下游黄土丘陵区的单家沟和瓦罗沟的来沙模数小于其他沟道，这与该区域作为高产沙区不符。如果是因统计期间下游水库无大暴雨造成的产沙量少，那么下游不是暴雨集中区，就更不该是高产沙区。

3 下游河道泥沙冲淤特点

3.1 河道冲淤调整特点

由于无河道观测资料，尝试基于流域泥沙库的流域侵蚀产沙模拟及泥沙冲淤变化研究［7］效果不甚理想，因此在分析窟野河河道调整时考虑以水文站测验断面的变化为指标。窟野河有新庙、王道恒塔、神木和温家川4 个水文站，其中神木是干流中游控制站，温家川是下游控制站，神温河道比降为2.19‰。由于神木站处于干流的中游，而窟野河暴雨多发于上游地区，因此神木站断面数据具有代表性，能够较好地反映河道的冲淤特性，选用资料为神木(二)站，时段为1956年1月至今。温家川是窟野河入黄控制站，选用资料为温家川(二)站，时段为1966年9月至1998年1月。

从神木站河槽面积和平均河底高程逐年变化可以看出(图2)，虽然二者长时期基本维持在同一水平，但是河道有冲有淤逐年不断调整，冲淤总量总体保持不变，研究逐年过程可以看出，淤积年份偏多、冲刷年份偏少。与神木站大洪水发生时间对比(图3)，窟野河河道调整特点清晰可见，在多数没有大洪水发生的年份，河道基本上持续淤积、河道面积减小、河底高程抬高，一旦发生大洪水，河道则出现剧烈冲刷、河道面积增大、河底高程迅速降低，即小水年份长期淤积、大水年份集中冲刷。

由神木站1976年大洪水前后断面变化(图4)可见，大洪水过程中断面发生剧烈冲刷。1976年洪水期(7月28日—8月3日)冲刷175 m2，平均冲深0.8 m;1989年汛前到洪水过后(5月6日—7月22日)冲刷104 m2，平均冲深0.48 m。

图4 神木站1976年洪水前后断面变化

3.2 河道输沙能力沿程调整机制

分析出口控制站温家川断面逐年河道面积和平均河底高程变化(图5)，发现其变化特点与神木站恰恰相反，即大洪水年份断面淤积较多，其后的小水年份逐渐冲刷，经过周期循环保持相对稳定的过流面积与河床高程。由2000—2009年神温区间的输沙量可以看出，神木和温家川输沙量均大量减少，仅500余万t，且神木沙量小于温家川，表明有部分沙量未送出河口。这反映出河道输沙能力沿程调整的特点，即当水流的输沙能力不足以将泥沙送出河口时，泥沙在河道淤积，下游站的沙量少于上游站。由此可推断窟野河神温河道输沙能力的调整机制:小水年份因水流输沙能力不足，部分泥沙淤积在河道，出现上淤下冲现象;大洪水年份大流量输沙能力急剧增大，不仅将来沙而且将淤积在河道里的那部分沙量也集中冲刷送走，这时下游段在调整过程中有少量淤积。

图5 窟野河温家川站逐年河槽面积和平均河底高程

4 河道增沙量估算

范念念等［3］根据实测资料对窟野河大暴雨洪水期间神温河道冲刷增沙的可能性进行了论证。根据实测资料，1976年大洪水期间神温区间降雨强度很小，只是小到中雨，而温家川较神木水量增加折合的径流深却大于区间平均降雨量，河道发生剧烈冲刷。假定该区间洪水期只产水不产沙，区间增沙全部由河道冲刷造成，实测水量的增加是由河道泥沙的加入及区间清水汇入造成的，据此计算得到河道泥沙和区间汇入清水分别造成的水量增量，再折合成区间径流深。该结果比较符合实际的降雨产流情况，可见之前“神温区间洪水期只产水不产沙”的假定是合理的，区间来沙主要是河道冲刷形成的。

借鉴这一思路，根据暴雨中心在窟野河上游的几场大洪水实测资料，将神温区间增沙都考虑为河道冲刷，估算出大洪水期间河道冲刷增加神木沙量的比例最大在15%～44%(表1)，表明区间冲刷影响不容忽视。由于近年来洪水较少，所以窟野河等支流河道存蓄了较多的泥沙，这些小水期堆积的泥沙在大水、高含沙洪水期被带走，有可能进一步增大洪水期进入黄河的泥沙数量。