黄河小北干流冲淤与水沙响应关系分析
2019-10-21林秀芝董晨燕苏林山胡恬
林秀芝 董晨燕 苏林山 胡恬
摘要：依据实测大断面资料，给出了1974年以来黄河小北干流不同时段、不同河段的沿程冲淤量，分析了2003年以来该河段持续冲刷的原因，并对不同水沙搭配组合与小北干流冲淤量的响应关系进行了分析。结果表明：①1974年三门峡水库采用蓄清排浑运用方式以来，黄河小北干流的冲淤变化主要受来水来沙条件影响，基本保持非汛期冲刷、汛期淤积的特点。2003-2016年受上游汛期来沙量大幅减小的影响，沿程各河段汛期淤积量明显减小，在非汛期冲刷量减小不多的情况下，运用年各河段均为持续冲刷。②汛期水沙搭配组合中含沙量对冲淤量的影响程度更显著，运用年内水沙搭配组合中含沙量和流量对冲淤量的影响程度相当。
关键词：响应关系;水沙搭配;冲淤;小北干流;黄河
中图分类号：P333;TV882.1
文献标志码：A
doi：10.3969/j .issn. 1000- 1379.2019.05.002
1 概述
黄河中游禹门口至潼关河段简称小北干流，全长132.5 km，河道宽3- 18 km，河床纵比降为0.03% -0.06%，平面形态呈哑铃状，上、下段为宽河段，中间为窄河段，滩地星罗棋布。该河段河道宽浅，水流散乱，心滩、汊流十分发育，主流摆动频繁，为典型的堆积游荡型河道，素有“三十年河东、三十年河西”之称。根据河道特性将其分为三段：上段从禹门口到庙前，河道长42.5 km.宽一般为4-8 km.最大为10 km.河道纵比降为0. 049%.床沙中值粒径一般为0.2 - 0.3 mm.该河段有支流汾河、涺水汇人，河势变化较大，冲淤变化剧烈，有较强的滞洪滞沙作用;中段由庙前到夹马口，河道长30 km，宽3-4 km.河道纵比降为0.047%.两岸基岩为第三纪红土层，抗冲力强，河宽较窄，有一定控制作用;下段为夹马口到潼关河段，河道长60 km、宽一般为6 - 10 km.最宽处为19 km.河道纵比降为0.031%，渭河、北洛河在此段汇人，形成广阔的汇流区，具有很强的滞洪滞沙作用（见图1）。随着20世纪七八十年代河道整治工程的大量修建，河势变化趋缓，游荡范围基本在两岸所修工程之间。小北干流河段人口水沙控制站有黄河干流龙门水文站和支流汾河河津水文站;出口控制站为潼关水文站。近期由于汾河人黄水沙量较少，因此本文采用的水沙条件均以龙门水文站实测资料为主。
黄河小北干流河段的冲淤变化会对潼关高程（指潼关（六）断面1000 m3/s流量对应的水位）产生重要影响[1-4]。同时，该河段的冲淤演变规律也制约着将来古贤水库的运用方式[5-6]。因此，研究黄河小北干流河段的冲淤变化，对分析潼关高程演变规律以及将来古贤水库的运用方式均具有十分重要的现实意义。2黄河小北干流沿程冲淤变化
1974年三门峡水库采用蓄清排浑运用方式以来，黄河小北干流河段的冲淤变化主要受上游来水来沙以及河道边界条件的影响[7-9]。由实测大断面资料计算，1974-2016年该河段累计淤积泥沙3.84亿m3（见图2）。其中上段、中段、下段累计淤积量分别为1.99亿、1.58亿、0.27亿m3，表现为沿程淤积。由图2可知，1986年之后该河段发生累计性淤积，共淤积泥沙6.77亿m3，至2002年小北干流累计淤积量达到最大，为6.81亿m3;2003年之后发生了累计性冲刷，共冲刷泥沙2.97亿m3。
以1986年10月黄河上游龙刘水库（龙羊峡、刘家峡水库）联合运用为分界点，由于1987年前黄河上游降雨量丰沛，同时龙羊峡水库没有投入运用，上游水库群库容小，蓄存水量有限，因此进入黄河中、下游的水沙量较为丰沛。1974-1986年龙门站实测年均来水量为304.78亿m3，来沙量为6.162亿t，平均含沙量为20.22 kg/m3，来沙系数为0.020 9 kg.s/m6，该时段小北干流年均淤积量为0.0029亿m3（见表1），仅发生少量淤积：1987年后受上游龙刘水库联合调控运用以及上游用水量增加、降雨量减少、水保措施减水减沙等多方面因素影响，进入小北干流的水沙量大幅减小（见表1），其中：1987-2002年与1974-1986年相比，年均水量减至194. 48亿m3，减幅为36%;沙量减至4.803亿t，减幅为22%。由于沙量减幅小于水量减幅，因此该时段年均含沙量增至24.70 kg/m3，来沙系数为0.040 1 kg.s/m6，相对不协调的水沙关系导致该时段小北干流年均淤积0.423 2亿m3。2003年以来，受上游降雨量减小、水保措施增加、植被恢复等多方面因素的影响，进入小北干流的水量在大幅减少的同时，沙量也減小很多。因此，2003-2016年与1974-1986年相比，虽然年均水沙量减小很多，但由于沙量减幅远大于水量减幅，因此该时段年均含沙量仅为6. 35kg/m3，来沙系数仅为0.010 5 kg.s/m6，受来沙量大幅减小的影响，该时段小北干流不但没有淤积，反而冲刷了0.212 5亿m3。
受水沙条件影响，小北干流上、中、下游也表现出与全河段相似的冲淤演变规律。1974-1986年沿程冲淤量较小，分别为0.006 0亿、0.050 5亿、-0.053 6亿m3;1987-2002年各河段沿程淤积量相对较大，分别为0.204 7亿、0.111 2亿、0.107 3亿m3;2003-2016年上、中、下游均为沿程冲刷，年均冲刷量分别为0.097 6亿、0.061 0亿、0.053 9亿m3（见表2）。各河段年均单位长度冲淤量见图3.可以看出1974-1986年小北干流上、中、下游单位长度年均淤积量分别为12、117、-138 m3/（m.a），表现为上段和中段淤积，下段冲刷;1987-2002年分别为409、259、278 m3/（m.a），基本表现为沿程淤积;2003-2016年分别为- 195、- 142、-139 m3/（m.a），表现为沿程冲刷。
3 河道冲淤及水沙搭配响应关系
1974年以后黄河小北干流河段的冲淤变化主要受水沙搭配组合的影响，表现为非汛期冲刷（见图4）、汛期淤积的特点（见图5）。非汛期冲刷主要受来水量影响10]，汛期淤积主要受水沙搭配组合的影响。由图4、图5可以看出.2003-2016年与1987-2002年相比，非汛期冲刷量减小不多，而汛期淤积量减小很多，从而导致近期小北干流各河段以冲刷为主。这主要与进入小北干流河段的水沙条件密切相关，近期非汛期来水量减幅不大（见图6），而汛期来水量、来沙量都大幅减小，特别是汛期来沙量减幅远超过来水量减幅（见图7），导致该河段汛期淤积量减小很多。
进一步分析了1974-2016年汛期和运用年不同水沙搭配组合与河道冲淤量的响应关系。图8为不同水沙搭配组合与河道冲淤量相关系数的变化趋势，其中Js为平均含沙量，Q为平均流量。由图8可以看出，无论汛期或运用年，进入小北干流的不同水沙搭配组合与河道冲淤量的相关系数均超过0.60，为高度相关，说明河道冲淤主要受水沙搭配组合的影响。但是，不同水沙组合与冲淤量的响应关系不尽相同。在汛期，随着水沙搭配组合中流量指数的减小，相关系数逐步增大，流量指数降低到0.3时相关系数最大，之后随着流量指数降低，相关系数又有所减小。这说明汛期水沙搭配组合中含沙量对冲淤量的影响程度更显著一些。在运用年内则表现不同，随着水沙搭配组合中流量指数的减小，冲淤量与水沙搭配组合的相关系数逐步减小，说明水沙搭配组合中含沙量和流量对冲淤量的影响程度相当。
4 结论
（1）1974年三门峡水库采用蓄清排浑运用方式以来，黄河小北干流的冲淤变化主要受来水来沙条件影响，基本保持非汛期冲刷、汛期淤积的特点。2003-2016年受上游汛期来沙量大幅减小的影响，沿程各河段汛期淤积量明显减小，在非汛期冲刷量减小不多的情况下，运用年各河段均为持续冲刷。
（2）汛期水沙搭配组合中含沙量对冲淤量的影响程度更显著，运用年内水沙搭配组合中含沙量和流量对冲淤量的影响程度相当。
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【责任编辑翟戌亮】
