黄河内蒙古河段2012年洪水前后河势演变

王卫红,于守兵,郑艳爽,王少强

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院泥沙研究所,河南郑州 450003; 2.黄河水利委员会黄河机械厂,河南郑州 450006)

黄河内蒙古河段2012年洪水前后河势演变

王卫红1,于守兵1,郑艳爽1,王少强2

(1.黄河水利委员会黄河水利科学研究院泥沙研究所,河南郑州 450003; 2.黄河水利委员会黄河机械厂,河南郑州 450006)

为了分析黄河内蒙古河段2012年大洪水前后河势的演变特征,采用洪水前、洪水期、洪水后的卫星遥感影像资料统计了洪水前后的主流摆幅和裁弯比,并结合巴彦高勒、三湖河口和头道拐的实测水流泥沙资料以及大断面资料分析了河道冲淤特征和典型断面变化特征。分析结果表明:河道主流摆幅具有逐渐增大趋势,至过渡段之后减小;与近期平均摆幅相比,游荡段和弯曲段明显减小,过渡段有所增加;游荡段最大摆幅为1240 m,洪水过后仍有多处心滩发育,游荡特性未改变;过渡段和弯曲段河道发生5处裁弯,平均裁弯比为37%;大洪水作用下内蒙古河道具有上冲下淤的特点,接近冲淤平衡,河道断面主槽普遍冲刷下降。

黄河;内蒙古河段;河势演变;大洪水

黄河内蒙古河段穿越乌兰布和沙漠与库布齐沙漠,属典型的沙漠宽谷河道,长期以来河床基本上处于微淤状态[1-2]。自20世纪80年代以来,由于龙羊峡、刘家峡等水库联合调度运用和气候变化等因素的共同作用,该河段水沙关系发生剧烈变化[3-5]:汛期径流量占全年的比例大幅度减小,几乎没有发生过洪峰流量大于2 000 m3/s的洪水,来沙系数明显增大。这些变化造成该河段严重淤积[6-8],形成了新的“地上悬河”,经常出现畸形河势,给防洪防凌造成很大的压力。

内蒙古河段河床演变出现的这些现象引起了多方关注。侯素珍等[7]分析表明,1987年以后长期小流量过程下,河势向弯曲方向发展,畸形河湾增多。王随继等[9]认为,该河段河床淤积量的时间变化主要受区间支流水沙变化和水库的双重影响,而空间变化则主要受上游水库削减洪峰的影响。唐德善等[10-12]重点分析了上游干流水库调节对河道冲淤的影响。Qin等[13]建立了内蒙古河道横断面冲淤演变时间序列模式,分析了长期序列变化趋势及突变特点。吴守信等[14]通过遥感影像统计了1973—1994年间5个典型年内蒙古河段弯曲系数,认为1986年以后河道摆动明显增强。张立等[4,15]对内蒙古河段的断面形态变化进行了分析,指出1986年后内蒙古河段由冲淤基本平衡转变为持续性淤积,主流平面摆动频繁,河床更加宽浅散乱;河岸组成物质决定了各个断面的演变特性和河型。

受近年来黄河内蒙古河段来水条件制约,已有研究大多是在流量较低的水文系列条件下开展的,而且主要关注河床冲淤调整方面,较少涉及洪水作用下平面河势的演变分析。2012年黄河上游发生了20世纪80年代以来洪峰流量最高、持续历时最长的洪水过程,侯素珍等[16]分析了宁蒙河段的水沙特点以及河床演变情况,本文着重分析该洪水过程作用下内蒙古河段河势的变化,对于进一步认识内蒙古河段河床演变规律具有一定的意义。

1 黄河内蒙古河段特性

黄河自宁夏石嘴山麻黄沟进入内蒙古,由南向北经三盛公水利枢纽折向临河,再转向东南至头道拐,于榆树湾出境(图1)。该河段位于黄河最北端,穿越乌兰布和沙漠与库布齐沙漠,全长840km,平均河宽在3000 m以上,为典型的沙漠宽谷河道。

图1 黄河上游干流河道示意图

三盛公水利枢纽以上属于峡谷型河道,以下为冲积性河段。本文重点分析三盛公(巴彦高勒)—头道拐河段。该河段河型自上而下依次为游荡型(巴彦高勒—三湖河口)、过渡型(三湖河口—昭君坟)和微弯型(昭君坟—头道拐),各河段的长度、平均河宽、平均主槽宽度以及比降等特征值见表1。巴彦高勒—三湖河口河段没有较大的支流,而三湖河口—头道拐河段左岸有十大孔兑汇入。

表1 巴彦高勒—头道拐河段河道特征

1986年以来龙羊峡水库、刘家峡水库联合运用拦减了进入宁蒙河道的洪水,使该河段汛期流量基本上在1500m3/s以下,河道发生严重淤积。根据实测断面计算[2,7],1986—2004年内蒙古河段年平均淤积0.60亿t,远远超出以往对宁蒙河道长时期微量淤积的认识;同时,大量泥沙淤积量集中在主槽内,造成平滩流量大幅度下降,如三湖河口站由20世纪80年代的3000～5000m3/s降低至2004年的1000m3/s左右。

2 2012年洪水特征

2012年7—8月,黄河上游降雨偏多,干流河道兰州站出现1989年以来最大洪水过程,洪峰流量达到3860 m3/s。石嘴山、巴彦高勒、三湖河口和头道拐4站的洪峰流量均在2 700 m3/s之上;洪水径流量均在130亿m3以上;平均含沙量较低,只有三湖河口站超过5 kg/m3,其他3站约为3 kg/m3(表2)。

表2 黄河内蒙古河段2012年洪水特征值统计

洪水大流量过程持续时间较长,而且流量和含沙量变幅都较小。以巴彦高勒水文站为例,连续出现44d流量在2000m3/s以上的洪水过程,含沙量大多在2～4kg/m3之间,平均为3.1 kg/m3(图2)。因此,总体而言,2012年洪水属于大流量、长历时、低含沙量,而且流量和含沙量变幅较小的大水带小沙的过程。

图2 巴彦高勒水文站2012年洪水流量和含沙量过程

3 洪水前后河势演变特点

3.1 2012年洪水前后河势统计特征

洪水是塑造河道的主要动力,洪水前后河势往往发生较大变化,尤其是对于像黄河这样的游荡性河道。河势的变化主要通过主流线摆幅和河段裁弯比表示。主流线摆幅表示河道的游荡程度,主流摆幅越大说明河道的游荡性越强。河段裁弯比是裁弯引起的河道主流线河长的缩短值与裁弯前河道主流线长度的比值,反映了洪水作用后河道顺直程度的变化。

根据黄河内蒙古巴彦高勒—头道拐河段2012年5月、8月、10月(分别对应洪水前、洪水期、洪水后,下同)的卫星遥感影像统计了洪水前后主流摆幅和河段裁弯比。从主流摆幅的沿程变化来看(图3),部分断面主流线基本保持稳定,主流摆幅为零。在黄河河道大断面(以下简称黄断)21、27、55～57、64～66、82～83、96～97、103～104附近主流摆幅出现极大值,摆动幅度为1062～1962 m。结合河势水边线分析,前两处河势出现坐弯,后五处河势出现裁弯取直。主流摆幅整体趋势自上而下逐渐增大,在黄断48处达到最大,然后逐渐减小。

图3 黄河内蒙古河段2012年洪水前后主流摆幅

3个河段的主流平均摆幅以三湖河口—昭君坟过渡段最大(表3)。由于裁弯时主流摆幅很大,扣除裁弯的影响后3个河段自上而下主流平均摆幅和最大摆幅依次减小,这也反映了3个河段的稳定性依次增强。与近期(2007—2012年)平均摆幅相比,游荡段和弯曲段的主流平均摆幅明显减小,过渡段的摆幅有所增加。

河道发生裁弯时河长大幅度缩短,大洪水过后5处出现裁弯的断面区间裁弯比为25%～45%,总体平均裁弯比为37%(表4)。

图4 黄河内蒙古河段洪水前后河势变化示意图

表3 黄河内蒙古河段2012年洪水前后主流摆幅统计

表4 2012年洪水前后三湖河口—头道拐河段裁弯特征

3.2 各河段河势变化分析

3.2.1 游荡段特性未变

巴彦高勒—三湖河口河段洪水期出现漫滩现象,局部河段河势有所趋直。洪水过后,部分河段,如黄断14～17河段(图4(a))心滩众多,河势仍然散乱;而有些河段,如黄断20～24河段(图4(b))呈现规则的微弯型。

不考虑裁弯影响,洪水过后主流最大摆幅为1240m,出现在黄断27附近(图3),根据资料分析由河流坐湾所致。从洪水前后主流平均摆幅看,游荡段主流平均摆幅为200m,与2007—2010年主流平均摆幅361m相比有明显减小。心滩数量较洪水前尽管有所减少,但仍有多处发育,同时大尺度心滩增多。总体来说,河势演变特征与洪水前的基本趋同,表明虽然经大水长历时作用,河道的游荡特性未改变。

3.2.2 过渡段裁弯明显

洪水过程中三湖河口以上仅有轻微漫滩,以下(从黄断47开始)出现大漫滩。漫滩范围遍及堤根,河宽近2000 m,平均漫滩宽度1470 m,漫滩面积185km2。洪水过后在黄断55～57和黄断64～66处发生裁弯现象(图5),裁弯比为38%和45% (表4)。根据洪水前后主流摆幅变化过程分析,过渡段的主流摆幅比游荡段的小,不考虑裁弯的平均摆幅为154 m,但是最大摆幅仍达904 m(表3)。

3.2.3 弯曲段裁弯多,主流线趋直

昭君坟—头道拐河段漫滩严重,漫滩范围大都达到堤根,平均漫滩宽度达1800m,漫滩面积314km2,河宽2100m。河势变化的突出表现是洪水过后出现3处裁弯,分别是黄断82～83、黄断96～97和黄断103～104,裁弯比分别为37%、25%和37%(表4),其中后两处裁弯取直变化见图6。主流摆幅总体不大,平均为55m,但局部摆幅较大,可达544m(表3)。

3.3 河道和典型断面冲淤特征

3.3.1 河道冲淤特征

根据巴彦高勒—头道拐7—10月实测输沙量资料统计,巴彦高勒站输沙量为0.44亿t,三湖河口站为0.87亿t,头道拐站为0.50亿t[16]。因此,巴彦高勒—三湖河口河道发生冲刷,冲刷量为0.43亿t,三湖河口—头道拐河道发生淤积,淤积量为0.37亿t。总体上,内蒙古河道冲刷0.06亿t,接近冲淤平衡。在大洪水作用下,内蒙古河道具有上冲下淤的特点,接近冲淤平衡。

3.3.2 典型断面变化特征[16]

在长历时洪水的作用下,各典型断面高程均发生冲刷下降。巴彦高勒断面主槽位置稳定,平均河底高程下降0.90m。三湖河口断面洪水过后主槽右移,深泓点下降近2 m,平均河底高程下降0.62 m。头道拐断面主槽稳定,深泓点下降超过2 m,平均河底高程下降0.38 m。

4 结 论

a.河道主流摆幅自巴彦高勒—三湖河口以下部分逐渐增大,然后逐渐减小。与近期平均摆幅相比,游荡段和弯曲段的明显减小,过渡段有所增大。

b.游荡段最大摆幅为1240m,洪水过后仍有多处心滩发育,游荡特性未改变。过渡段和弯曲段河道发生5处裁弯,平均裁弯比为37%。

c.大洪水作用下内蒙古河道具有上冲下淤的特点,接近冲淤平衡。河道断面主槽普遍冲刷下降。

图5 黄断55～67河段河势裁弯取直变化示意图

图6 黄断95～104河段河势裁弯取直变化示意图

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River regime change in Inner Mongolia reach of Yellow River by considering the 2012 flood//

WANG Weihong1,YU Shoubing1,ZHENG Yanshuang1,WANG Shaoqiang2
(1.Sediment Division,Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003,China;2.Yellow River Machinery Works,Zhengzhou 450006,China)

In order to study the river regime change in the Inner Mongolia reach of the Yellow River during the large flood in 2012,satellite images before,in and after the flood are used to extract mainstream swing scope and channel cut-off ratios.Combined with field data of flow,sediment and great cross section at Bayangaole,Sanhuhekou and Toudaoguai,the scouring and silting characteristics of the river and typical crosses are analyzed.The results show that main channel swing has an increasing trend towards the river direction and decreasing in the transiting section.Main channel swing at wandering and meandering sections is obviously less than that in recent years,while it is the opposite at transiting section.The wandering section is characterized by a maximum of the main channel swing of 1240 m and a few developing rive islands, which indicates that the section is still wandering.Channel cut-off occurs in five sites in the transiting section and meandering section,with average cut-off ratio of 37%.The Inner Mongolia section is featured by upper scoured and lower deposited and close to equilibrium during the great flood.Additionally,the main channels are all scoured and down.

Yellow River;Inner Mongolia reach;river regime change;large flood

TV147+.1

:A

:1006-7647(2014)05-0035-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.05.007

2013-0815 编辑:熊水斌)

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB403305);黄河水利科学研究院基本科研业务费专项(HKY-JBYW-2014-20)

王卫红(1958—),女,河南郑州人,教授级高级工程师,主要从事河床演变研究。E-mail:wwhhky@126.com

于守兵(1980—),男,河南襄城人,高级工程师,博士,主要从事河流动力学与河床演变研究。E-mail:yushoubing@163.com