西柳沟河床泥沙组成分析

侯素珍 李婷 郭彦 王平

摘要：为研究西柳沟泥沙来源及沿程输移情况，在西柳沟干流河床取样并进行了颗粒分析。结果表明：西柳沟河床组成沿程可分为3段，从上游向下游分别为丘陵区、沙漠区和平原区，相应中值粒径从大向小过渡，其中丘陵区粒径从大到小衰减迅速，经过沙漠区继续细化，到冲积平原区趋于稳定，中值粒径从上游的2mm以上变化到下游的平均0.157mm；从不同河段的粒径组成看，粒径大于0.5mm的泥沙在丘陵区占70%以上，到平原区基本消失；沙漠区河床处于过渡带，粒径变化较大；平原区河床中0.1～0.25mm的泥沙约占62%，0.1mm以下的泥沙含量显著增大；洪水携带的泥沙沿程分选细化，大砾石主要落淤在上游丘陵区，部分经过沙漠区进一步调整，到下游平原区河床组成受沙漠沙影响较大。

关键词：级配：中值粒径：河床泥沙：西柳沟

中图分类号：P333.4；TV882.1

文献标志码：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018. 07.002

黄河内蒙古河段地处黄河上游的下段，其中三湖河口一头道拐河段南岸分布的白南向北并行人黄的“十大孔兑”（“孔兑”为蒙语，即“山洪沟”）总面积为1.08万km?，为内蒙古河段的主要产沙支流，暴雨期易形成峰高量大、含沙量高的洪水，常在孔兑下游泛滥成灾，在黄河干流形成沙坝，造成严重淤堵，不仅对黄河防汛产生严重影响，而且会堵塞包头钢铁公司黄河取水口，造成巨大经济损失。关于十大孔兑问题的相关研究较多，在孔兑水沙特征方面，一些学者从孔兑高含沙洪水变化特点及水沙变化趋势、西柳沟流域暴雨洪水产/输沙关系等方面进行了研究。在孔兑对干流的影响方面，HOU S.Z.等研究提出了孔兑对干流淤积的定量影响以及临界输沙量；王平等

通过试验研究了十大孔兑中的西柳沟高含沙洪水淤堵黄河干流的过程及淤积形态表征参数，提出了淤堵的形成条件。在西柳沟等孔兑水土流失特点和治理措施、水土保持生态工程的减沙作用等方面，刘晓林等进行了较为深入的研究。冉大川等根据1960-2010年实测水文资料和水土保持治理实地调查资料，把1989年作为流域治理前后的分界年，对西柳沟流域水沙变化对下垫面治理的响应进行了归因分析，定量评价了降雨和下垫面等驱动因子对流域水沙变化的贡献率；郭彦等利用集对分析原理，通过分析西柳沟河床质及沙漠沙、砒砂岩样品球形度间的相似性，对西柳沟下游泥沙组成进行了定量分析。关于西柳沟的泥沙来源以及人黄泥沙组成，由于缺乏悬移质泥沙级配资料，因此相关的研究成果极少，难以达成孔兑泥沙对黄河影响程度的共识。鉴于孔兑泥沙级配资料匮乏，本研究以西柳沟河道河床质取样分析为基础，分析沟道河床泥沙组成和沿程调整过程，以期为研究孔兑泥沙来源及沿程输移的关键科学问题提供支撑。这对认识孔兑泥沙对黄河冲淤演变的影响，进一步制定减沙综合治理措施具有重要意义。

1流域概况

西柳沟发源于鄂尔多斯市达拉特旗漫赖乡宗对壕张家山顶，流经泊尔江海子镇、展旦召乡和昭君坟乡，在昭君坟河畔村汇人黄河，全长106.5km，流域总面积1356.3km?。地形南高北低，海拔1 000～1 500m，相对高差约500m。西柳沟上游属丘陵沟壑区，面积为876.3km?，占流域总面积的64.6%，地面物质由白垩纪的砂岩和砂砾岩组成，该区域植被稀疏、水蚀剧烈、地形支离破碎、沟谷地貌发育，极易产生风蚀和水蚀，为西柳沟的主要产沙区域，沟道河床多由沙、卵石、砾石組成；中部为库布齐沙漠区，面积为280.7km?，明沙丘地段沙丘呈流动或半固定状态，相对高度为3～10m，是十大孔兑的主要风成沙沙源区：下游属于冲积平原区，地势平坦，河槽宽浅，不够稳定，易于泥沙淤积。十大孔兑流域水系见图1。

西柳沟流域属典型的干旱大陆性季风气候区，多年平均降水量为306mm，年均蒸发能力为2200mm，是降水量的7倍多。冬春两季一般为断流状态，或有清水或间歇水，清水流量0.2～0.7m^3/s，洪水集中在6-10月，由暴雨产生。据西柳沟龙头拐水文站实测资料，1960-2000年多年平均径流量为3131万m^3.输沙量为520万t，年均含沙量为166kg/m^3；实测最大洪峰流量为1989年的6940 m^3/s，最大含沙量为1973年的1550 kg/m^3，年最大输沙量为1989年的4750万t。

西柳沟暴雨突发性强，每逢暴雨就会导致山洪暴发、洪水暴涨，洪水挟带泥沙经过下游沿河平原区泄人黄河，造成河道淤堵、河水漫堤、房倒屋塌、农田冲毁、交通中断等灾害，暴雨造成的山洪灾害对山丘区群众生活和当地社会经济发展产生了不利影响。为改变十大孔兑上中游水土流失状况，减轻对当地及周边地区造成的严重危害，从20世纪50年代开始实施了水土保持生态建设、骨干坝工程建设、沙棘示范区建设、黄土高原水土保持世行贷款项目建设、封山禁牧制度等。截至目前，孔兑的草原植被得到明显恢复，平均覆盖度呈增大趋势：西柳沟流域共建设淤地坝113座，形成了一定规模的淤地坝坝系。

2研究方法

由于西柳沟泥沙颗粒级配资料缺乏和洪水发生的偶然性，尚无法通过悬沙资料开展研究，因此通过采集河床泥沙样品来分析孔兑泥沙的来源和组成。研究方法主要分野外采样、实验室分析两步，通过计算得到泥沙颗粒级配曲线以及泥沙粒径特征。

（1）野外取样。根据地理地貌特点及交通情况，以代表丘陵沟壑区、沙漠区、平原区为目的，在顺河流流向的上、中、下游以及库布齐沙漠、鄂尔多斯高原丘陵砒砂岩区进行了取样，取样位置见图2，共14个断面（编号为1#～14#），取样时间为2013年4月13-16日，河道为断流状态。沿河道横断面进行取样，每个断面取1～3个点，取样深度约0.4 m。其中：Il#、12#断面为支沟取样断面，10#断面为沙漠沙取样断面。

（2）实验室分析。自20世纪50年代以来，黄河泥沙粒度分析先后使用过比重计法、移液管法、粒径计法、光电法、筛分法、激光法以及组合方法等，2005年开始黄河泥沙粒度分析全面推广使用激光粒度分析仪（激光法）。根据水利部颁布的《河流泥沙颗粒分析规程》（SL42-2010）中各种方法的适用范围，对粒径大于64mm的颗粒采用尺量法，0.062～ 64mm的颗粒采用筛分法，小于0.062mm的颗粒采用激光法。在上游丘陵区取样时剔除了大的砾石、卵石和漂石，本次采用筛分法和激光法综合分析泥沙颗粒的级配情况。

3河床质级配沿程变化特点

根据流域特征，孔兑泥沙来源主要分为两部分，一部分来自上游的坡面和沟道，坡面上部为不同厚度的盖沙层或砂砾石，下部为砒砂岩，沟道为砂砾石，降雨等级不同，侵蚀程度不同，产生的含沙量和组成也不同，含沙量越大粒径越粗；另一部分来自中游的泥沙，主要是沙漠沙的补给。以下通过中值粒径D50、各粒径组泥沙占比、不均匀性等分析河床泥沙的组成特点。

3.1 D50沿程细化

D50是表征泥沙级配的一个十分重要的特征粒径。根据泥沙样品的颗分结果，西柳沟河床Dso沿程变化情况见图3，整体来看，D50沿程呈上粗下细的特点，其中上游丘陵区D50为0.8～2.4mm，经过库布齐沙漠区时D50由大变小，在下游平原区D50沿程变化较小，平均为0.157mm。

由图3可知，西柳沟河床泥沙组成具有沿程细化突出、在平原区相对稳定的特点。河床泥沙细化过程（即水流含沙与河床泥沙的自动调整过程）发生在上游丘陵区和沙漠区，在水流和河床相互作用的过程中，大颗粒泥沙沿程落淤，较小颗粒泥沙被水流携带进入下游和黄河干流；平原区泥沙交换减弱，河床组成变化较小。入黄口处受黄河干流壅水或倒灌漫滩淤积的影响，河床泥沙组成整体偏细。

3.2不同粒径组泥沙的沿程调整特点不同

根据黄河流域中、粗、细沙的划分标准，粒径大于0.05mm为粗沙、0.025～0.05mm为中沙、小于0.025mm为细沙。从西柳沟沙样分析结果来看，河床泥沙主要由大于0.05mm的粗沙和卵石组成。各粒径组泥沙的沿程变化见图4。

（1）粒径大于0.5mm的特粗沙和卵石。这是丘陵区河床的主要组成部分，含量在70%以上。经过沙漠区时含量迅速衰减，到平原区已经基本不存在。

（2）粒径为0.25～0.5mm的特粗沙。这部分泥沙的含量沿程平均为17%，其中沙漠区最大，平均为26%，总体呈中间大、两头小的特点。

（3）粒径为0.10～0.25mm的粗沙。这部分泥沙从上游向下游含量总体沿程增大。丘陵区含量为5%～8%，经过沙漠区到下游时增大约60%，主要是受当地沙漠沙的影响；下游平原区水流与河床相互作用自动調整，河床组成受沙漠沙影响较大，沿程变化趋势不明显，平均为62%，该粒径级是下游河段河床物质的主要组成部分。

（4）粒径为0.05～0.10mm的粗沙。这部分泥沙含量总体平均为13%，丘陵区极少，经过沙漠区时增加明显，含量从2%增加到15%左右，在距入黄口10km以下范围又进一步增大。该粒径级泥沙含量不大，但沿程递增显著。

（5）粒径小于0.05mm的中细沙。这部分泥沙除人黄口外其他位置的含量均很小，在5%以下，沿程没有规律性变化，总体平均含量仅为2.4%。入黄河口比例达到52%，受2012年汛期干流漫滩影响，沟口表层占比达76%。

以上分析表明，粒径大于0.5mm的泥沙在丘陵区最多，经过沙漠区已经完成落淤，这部分泥沙对人黄沙量几乎没有影响；河床上粒径为0.25～0.5mm的泥沙沿程减少，在下游区沿程没有变化趋势，参与水流运动的较少，对输沙影响也小；0.10～0.25mm的泥沙是下游河床质的主要组成部分；0.10 mm以下泥沙含量在平原段沿程有增大趋势，说明泥沙沿程落淤，部分泥沙进入黄河。

3.3泥沙颗粒的不均匀性存在差异

级配曲线不仅反映了泥沙颗粒的大小，也反映了河床泥沙组成的均匀程度，坡度较陡的曲线代表粒径较均匀。选择砒砂岩、沙漠沙、西柳沟龙头拐断面泥沙和沟口断面河床泥沙进行对比，其级配曲线见图5，可以看出不同区域的泥沙具有不同的组成特征，均匀程度有较大差异。沙漠沙级配曲线最陡，颗粒级配分布范围较窄，粒径为0.1～0.5mm的泥沙约占96%，小于0.1mm的泥沙仅占2%；砒砂岩级配曲线最缓，颗粒级配分布较宽，小于0.025mm的细沙和大于0.5mm的粗沙同时存在，其中小于0.1 mm和大于0.5mm的泥沙分别各占21%（见表1）：河道中淤积物有来自沟道的卵石、上游的砒砂岩以及中游的沙漠沙，级配分布较宽，特粗沙和细沙同时存在，同时也受水流分选影响，龙头拐断面（西柳沟经沙漠区到平原区的交界处）小于0.1mm的泥沙占17%，到人黄口小于0.10mm的泥沙占比增大到88%、大于0.5mm的特粗沙已基本不存在。

河床淤积物有来自沟道的卵石、坡面的砂砾石和砒砂岩、沙漠区的沙漠沙，经过沿程分选，砾石和卵石在沙漠以上河道大量落淤，来自上游的较细泥沙和补充的沙漠沙进入下游。

4结论

（1）西柳沟河床组成沿程细化突出。中值粒径从上游的2.4mm减小到下游的0.157mm，从粗到细衰减过程发生在沙漠区及以上河段，平原区河段组成相对稳定。

（2）丘陵区河床组成以大于0.5mm的特粗沙和卵石为主，平原区河床组成以0.1～0.25mm的泥沙为主，大于0.5mm的泥沙基本不存在。中游沙漠区为过渡段，大于0.5mm的泥沙含量减小，0.1～0.25mm的泥沙含量增大。

（3）丘陵区大于0.5mm的特粗沙难以进入平原区。粒径为0.10～0.25mm的泥沙在水流与河床相互作用自动调整的过程中在沙漠区得到补给，到平原区大量落淤，平均含量为62%；0.05～0.1mm的泥沙含量从上游向下游沿程增大，从2%增大到20%左右。

（4）沙漠区泥沙组成均匀，粒径0.1～0.5mm的泥沙占96%；砒砂岩的颗粒组成极不均匀，大于0.5mm和小于0.1mm的泥沙均各占21%；平原区河床泥沙颗粒的不均匀性与沙漠沙接近，砒砂岩中小于0.05mm的泥沙能够被水流携带通过西柳沟下游进入黄河干流。

（5）孔兑洪水携带的泥沙沿程分选细化，大砾石主要落淤在上游丘陵区，部分经过沙漠区进一步调整，进入下游平原区的泥沙受沙漠沙影响较大。