黄河下游河道汛期输沙水量及输沙效率分析研究

赵海滨，杨春景，王 俊

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475004）

黄河下游河道汛期输沙水量及输沙效率分析研究

赵海滨1，2，杨春景1，2，王 俊1，2

（1.黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南 开封 475004）

利用小浪底、花园口等水文站的水沙资料，计算黄河下游河道各水文站不同运用时期的输沙水量及其占对应时期径流量的比例，探究河道的输沙规律及影响因素。分析发现，黄河下游河道汛期冲淤平衡时，各水文站输沙水量与小浪底水文站的水沙指标具有较好相关性，总体上随径流量、流量和来沙量的增加而增加，随含沙量和来沙系数增加而减小并趋于稳定，输沙水量占径流量的比重随含沙量和来沙系数增加而增加并趋于稳定。这表明，黄河下游在汛期输沙水量较为稳定，且输沙水量较小，输沙效率高。通过小浪底水沙过程调配，达到了黄河下游河道水沙资源优化配置的目标。

黄河下游河道；输沙水量；输沙效率；输沙规律；影响因素

0 引言

黄河下游水少沙多的自然特性和滩地生产活动的社会特性是导致黄河下游水患和沙患治理难的两大根本原因。小浪底水利枢纽建成运用后，研究河道的输沙水量、输沙效率及影响因素，对提高黄河下游河道水资源及泥沙的调控能力，优化黄河下游河道水资源利用和泥沙资源空间配置，修复黄河下游河道生态具有重要意义［1～13］。

笔者利用黄河下游小浪底、花园口等水文站的水沙资料，计算出各水文站不同运行时期的输沙水量及其占对应时期径流量的比例，分析探究黄河下游河道的输沙规律及其影响因素。

1 黄河下游输沙水量和输沙效率的计算

1.1 计算公式

1.1.1 输沙效率的计算公式

对于某段天然河道来说，输沙水量是指该河段全部或部分泥沙输移出下游出口断面所需要的水量，是河道净水量的一部分或全部［14］。河段的输沙量与来沙量的比值为输沙效率，其表达式如式（1）所示。

式中：Ws进和Ws出分别为河段进、出口站输沙量，即河段来沙量与输沙量，kg；Q进i和Q出i分别为任意时段i的进、出口流量，m3／s；S进i和S出i分别为任意时段i的进、出口含沙量，kg／m3；ti为第i个时段的历时，s。

若Ws出＞Ws进，η＜1，河段发生冲刷，取来沙系数α=1；反之，Ws出≤Ws进，η≥1，河段发生淤积或冲淤平衡，取来沙系数α=0。

1.1.2 输沙水量的计算公式输沙水量的计算公式如式（2）所示。

式中：W′为输沙水量，m3；Ww为净水量，m3；WS为输沙量，亿t；W为河段的径流量，即输送水沙总体积，m3；ρs为泥沙密度，通常取2.65 t／m3；Ws为输沙体积，m3。

1.2 计算结果分析

黄河上游来水来沙条件的复杂性及下游河道河槽的复杂状况决定了黄河下游河道输沙水量和输沙效率计算分析的复杂性。根据相关资料，运用式（1）～式（3）可以得出黄河下游河道花园口、高村、艾山、利津等水文站各个时期的输沙水量及输沙水量占径流量比例W′/W，如表1和表2所示。

表1 花园口、高村、艾山、利津等水文站不同时期的输沙水量Tab.1 The sediment-transport water volumeof Huanyuankou，Gao village，Aishan，Lijin hydrological station of different period

由表1得出，1974～2000年，各水文站各时期的输沙水量随年份增加均呈显著减少趋势，1950～ 2000年的多年平均输沙水量均大于1986～2000年对应时期输沙水量。

表2 花园口、高村、艾山、利津等水文站不同时期的输沙水量占径流量比例Tab.2 The sediment-transport water volumeof Huanyuankou,Gao village,Aishan,Lijin hydrological station of different period

由表2得出，各水文站不同统计时段的输沙水量占径流量的比例随时间延续相对稳定，且沿程也保持基本不变，但非汛期输沙水量占径流量的比例沿程各站递增趋势明显。

2 汛期输沙水量及输沙水量占径流量比例的影响因素分析

对于天然河流来说，向下游输移河段河床淤沙及宣泄上游来沙的时间主要集中在汛期。黄河小浪底枢纽建成后，水库成为调节黄河下游水沙的控制性工程，对黄河下游河道输沙水量具有显著的调控作用。但是，泥沙输移和洪水的宣泄仍然集中在每年的汛期。所以，选择花园口（HYK）、高村（GC）、艾山（AS）及利津（LJ）等水文站汛期输沙水量W′与同时期小浪底水文站的径流量W、流量Q等水沙指标进行相关性分析，探求河道输沙水量及其占径流量比例W'/W的影响因素。

2.1 小浪底水文站径流量、平均流量与黄河下游各水文站输沙水量的关系分析

小浪底水文站径流量W、平均流量Q与黄河下游各水文站输沙水量W′的关系如图1和图2所示。由图1和图2可知，黄河下游各水文站输沙水量与小浪底水文站径流量W（水沙总量）、平均流量Q具有较好的线性关系，即各水文站的输沙水量均随小浪底水文站径流量W（水沙总量）、平均流量Q的增加而增加，下游河道输沙能力与上游径流过程密切相关，表现出汛期黄河下游河道输沙特性，即多来多排。

图1 1950～2000年黄河下游各站汛期输沙水量与小浪底站径流量的关系Fig.1 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s runoff of lower Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

2.2 小浪底水文站输沙量Ws、含沙量与黄河下游各水文站输沙水量关系分析

小浪底水文站输沙量Ws、含沙量S与黄河下游各水文站输沙水量W′关系如图3和图4所示。通过图3发现，小浪底水文站输沙量Ws与各水文站输沙水量W′呈增函数变化趋势，但对应某一Ws，其取值范围变化也较大。即，黄河下游河道输沙水量随小浪底水文站来沙量的增加呈递增趋势。但相对于某一来沙量，输沙水量的大小取决于不同的水沙条件，所以，其变化范围较大。

由图4可以看出，各水文站输沙水量随小浪底水文站含沙量的增加呈递减趋势，当S＞85 kg／m3时，各水文站输沙水量小而稳定。即，黄河下游河道输沙水量随小浪底水文站汛期洪水含沙量的增加而减少，当输移泥沙含量大于某值（S＞85 kg／m3）时，河道的输沙水量小而稳定，输沙效率极大提高。

图2 1950～2000年黄河下游各站汛期输沙水量与小浪底站平均流量的关系Fig.2 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s average flow of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

图3 1950~2000年黄河下游各站汛期输沙水量与小浪底站输沙量的关系Fig.3 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s sediment-runoff of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

2.3 小浪底水文站汛期来沙系数、淤积比与黄河下游各水文站输沙水量关系分析

小浪底水文站汛期来沙系数、淤积比与黄河下游各水文站输沙水量关系如图5和图6所示。从图5可知，随着小浪底水文站汛期来沙系数的增加，各水文站输沙水量W′呈递减趋势，且当S/Q＞0.01后，随S/Q增大，W′减小明显趋缓。即，黄河下游河道输沙水量随小浪底水文站汛期洪水来沙系数的增加而减少，当来沙系数大于某值以后（S/Q＞0.01），河道的输沙水量小而稳定，输沙效率极大提高。

由图6可得，随着汛期小浪底至利津河段淤积比ΔWs/Ws增加，各水文站输沙水量W′呈明显的递减趋势。即，黄河下游河道输沙水量与整个下游河道淤积比呈明显的反比关系，淤积越严重，输沙水量反而越小。

2.4 小浪底水文站平均含沙量、来沙系数与输沙水量占径流量比例关系分析

小浪底水文站平均含沙量S，来沙系数S/Q与输沙水量占径流量的比例关系如图7和图8所示。从图7可以看出，小浪底水文站平均含沙量的变化对各水文站输沙水量占径流量比例W′/W的影响不同。花园口水文站和高村水文站的W′/W随S的增大而增大。当S＜80kg／m3时，W′/W增幅较大；当S＞80 kg／m3时，增幅逐渐趋缓。艾山水文站和利津水文站的W'/W比较稳定，S的变化对W′/W无明显影响。

图4 1950~2000年黄河下游各水文站汛期输沙水量与小浪底水文站平均含沙量的关系Fig.4 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s average sediment concentration of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

图5 1950~2000年黄河下游各水文站汛期输沙水量与小浪底水文站来沙系数的关系Fig.5 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s incom ing sediment coefficient of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

图6 1950~2000年下游各水文站汛期输沙水量与小浪底至利津河段淤积比的关系Fig.6 Relations of sediment-transport water volume and Xiaolangdi Lijin section sediment deposition ratio of Yellow River hydrological stations during 1950-2000 flood period

图7 各水文站汛期输沙水量占径流量比例与小浪底水文站平均含沙量的关系Fig.7 Relations of runoff proportion of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s average sediment concentration of each hydrological station during flood period

由图8可以看出，小浪底水文站来沙系数S/Q变化对各水文站输沙水量占径流量比例W′/W的影响不同。花园口水文站和高村水文站的W′/W随S/Q增大而增大。当S/Q＜0.01时，W′/W增幅较大；当S／Q＞0.01时，增幅很小。艾山水文站和利津水文站的W′/W稳定，S/Q的变化对W′/W无明显影响。

图8 各水文站汛期输沙水量占径流量比例与小浪底水文站来沙系数的关系Fig.8 Relations of runoff proportion of sediment-transport water volume and Xiaolangdi’s incom ing sediment coefficien of each hydrological station during flood period

3 结语

本文基于输沙水量的计算方法，根据1950～2000年黄河下游河道汛期实测水文资料，分别计算了花园口、高村、艾山、利津等水文站在汛期、非汛期和全年输沙水量及其占径流量的比重，并分析了黄河下游沿程各水文站输沙水量与小浪底水沙指标相关关系，结果表明［15～16］：

（1）黄河下游河道汛期输沙水量与来水量呈线性递增关系。

（2）黄河下游河道输沙水量随小浪底水文站的来沙量增加呈递增趋势。但相对于某一来沙量，在不同水沙条件下，其值变化范围较大。

（3）黄河下游河道输沙水量均随小浪底水文站汛期洪水含沙量和来沙系数的增加而减少，当S＞85kg／m3、S/Q＞0.01时，河道的输沙水量小而稳定，输沙效率极大提高。

（4）黄河下游河道输沙水量与整个下游河道淤积比呈明显的反比关系，淤积越严重，输沙水量反而越小。

（5）黄河下游河道输沙水量占径流量的比重随含沙量和来沙系数的增加而增加，并趋于稳定。

通过以上结论分析可以看出，在汛期，黄河下游河道输沙能力与小浪底水文站水沙过程紧密相关。小浪底水库建成后，可以充分利用水库调水调沙，利用洪水期大流量高效输沙，发掘河道自身输沙潜力，即可以减小黄河下游河道淤积，从而防止河床抬高。同时，也使黄河有限的水资源得到充分利用，从而达到黄河下游河道水沙资源优化配置，实现黄河资源合理开发和黄河的长治久安。

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[责任编辑 杨明庆]

Research on Sediment-Transport Water Volume and Efficiency in Lower Yellow River Channel during Flood Period

ZHAO H ai－bin1，2，YANG C hun－jing1，2，WANG Jun1，2
（1.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China；2.Henan Higher Education Engineering Research Center of Water Conservancy for Small Watershed，Kaifeng 475004，Henan，China）

According to the water and sediment of Xiaolangdi and Huayuankou hydrologic station，it calculates the sediment-transport water volume and total runoff volume proportional in lower Yellow River during different operational period，analyzes the law of sediment-transport and influence factors.The result presents that the sediment-transport water volume in lower Yellow River has better relationship with indexes of Xiaolangdi’s hydrologic data under the erosion and deposition state in flood season.In general，the sediment-transport water volume increase with the increment of runoff，flow and sediment；on the contrary，it decreases with increment of sediment concentration and incoming sediment coefficient.The ratio of the sediment-transport water volume to runoff gradually increases and has stable trend with increment of sediment concentration and incoming sediment coefficient.It indicates the sediment-transport water volume is small and stable，the efficiency of sediment-transport is more higher in flood season.After Xiaolangdi reservoir regulation of flow and sediment，it reached the optimized allocation purpose of water and sand resources in lower Yellow River channel.

Lower Yellow River channel；sediment-transport water volume；efficiency of sediment-transport；law of sediment-transport；influence factor

TV879

A

10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2017.01.001

2016-08-28

河南省基础与前沿技术研究计划项目：黄河下游河道泥沙资源空间优化配置的过程控制方法研究（132300410022）。

赵海滨（1983-），男，河南郑州人，讲师，硕士，主要从水利工程、河流动力学等教学与研究工作。

王 俊（1967-），男，湖北孝感人，教授，主要从事水工水力学基础理论、黄河下游河道治理等教学与研究工作。