黄河宁夏石嘴山河段冲淤演变及冰情分析

2018-12-20岳志春田福昌马晓阳

水力发电 2018年9期

岳志春，田福昌，马晓阳

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津300072；2.宁夏防汛抗旱指挥部办公室,宁夏银川750001)

0 引言

黄河及沿岸流域是中华民族的主要发源地，随着一系列水利工程投入运营及水能资源的开发利用，两岸城市社会经济迅速发展，黄河的水沙条件也发生了巨大变化[1]。在两岸河床的边界条件相互作用下，打破了河道原有的平衡状态[2]。长期以来，部分河段河床淤积增高使得某段河段变为悬河，主流的大幅度摆动造成堤防坍塌，凌汛期高水位使得洪灾现象时常发生，严重制约着两岸经济社会的发展[3- 4]。因此，研究河段的河流演变趋势意义重大。近年来部分学者对宁蒙河段水沙及河道边界变化进行了大量的研究，梁卉等[5]从断面流量-水位的特征变化角度，分析了近年来黄河内蒙段头道拐的河床冲淤演变趋势，河道淤积形式表现为左淤右冲，整个河段在近年内冲淤平衡；马云等[6]通过对黄河宁夏段洪水特征及河道演变进行分析，认为实施河道整治工程有助于进一步河势归顺；魏婧[7]以河床演变学及河流动力学等基本原理为基础，对黄河内蒙段河道形态变迁进行了分析，探讨了同流量水位下各影响因子的对河床冲淤演变的影响程度，揭示了该河段大流量冲刷、小流量淤积的特点，该河段总体呈淤积态势。各学者对宁蒙河段河床冲淤演变进行了大量的研究，但就河道断面及大洪水期变化、凌汛期河道变化等对洪水位的影响研究较少，考虑到黄河石嘴山水文站河段系列资料齐全，该河段冰凌在宁夏段最为严重，同时下游为内蒙古河段，有承上启下的作用；因此，本文根据石嘴山水文站多年实测水文资料，从岸线变化、主流摆动、深泓点变化、水位变化等几个方面，对比分析了石嘴山断面河床冲淤演变趋势及冰情变化特征，以期为当前石嘴山河段防洪提供技术支撑。

1 河段基本概况

黄河石嘴山河道位于黄河上游的宁夏与内蒙两段河道交界处，为典型的峡谷型河道。该段受水文站监测的河道长度为36 km，平均比降0.56‰，主河槽平均宽度约400 m，河床为沙质，河道顺直，河宽变化不大，基本没有支流汇入，对主流扰流影响很小，所以选取该段河道作为监测对象，研究其冲淤演变并进行冰情分析，对黄河上游河段来讲具有一定的代表性。石嘴山水文站位于该河段，是黄河进入内蒙古的重要控制站。石嘴山水文站1942年9月4日设立，1958年6月改为水位站，1959年4月基本断面下迁1.30 km并恢复为水文站，1991年10月测流断面上迁1.54 km。

石嘴山水文站测验河段顺直，水流集中，左岸滩地为沙土，主河床由砂质、砂砾石组成，右岸岸坡为沉积性页岩，断面冲淤变化较为复杂。目前该水文站测验的项目有水位、流量、输沙率、泥沙颗粒级配、水温、气温、冰凌、降水、蒸发、水环境监测等。据水文站监测资料显示，自新中国成立以来，宁蒙河段共计发生两次5 000 m3/s以上大洪水，一是1964年7月黄河上游突降大到暴雨，干支流洪水交汇使得石嘴山水文站最大流量达5 440 m3/s；二是1981年8月黄河上游接连降雨达30多天，石嘴山水文站最大流量达5 660 m3/s。

1.1 长期断面冲淤变化

将石嘴山水文站1965年～1991年及1993年～2016年部分断面套绘分析(见图1、图2)。

图1 石嘴山水文站基本断面套绘(大沽基面)

图2 石嘴山水文站测流断面套绘

由图1可知，主槽深泓点在1974年曾向左移动，但逐渐移回原深泓点附近，相对于右岸的稳定；由于左岸地质略为疏松，河槽断面有一定的冲淤变化，冲淤厚度在1 m左右；河槽内没有出现洲滩、汊道移位等现象。经过1967年(年最大流量5 240 m3/s)、1981年(年最大流量5 660 m3/s)等大洪水的冲刷，石嘴山水文站基本断面左右岸非常稳定，主流一直靠近左岸运行，主河槽相对稳定，深泓点始终在起点距120 m附近。

由图2可知，1992年至今，该断面左右岸水边也没有发生明显变化，主河槽稳定在起点距180～430 m之间，深泓点则在起点距220～330m之间变动，河槽内没有出现洲滩、汊道；主河槽虽在年际间有周而复始的冲淤变化，但是幅度较小。可见，石嘴山水文站上、下游河段主河槽宽度变化不大，河岸相对较窄，主槽横向无摆动，河势流路基本无变化。

1.2 大洪水期断面冲淤变化

统计黄河石嘴山断面近60年来发生大洪水年份，将1967年、1978年汛前和汛后、1981年汛前、汛中和汛后的实测大断面进行套绘(见图3)。该过程比较完整地反映了1967年和1978年汛前、汛后和1981年汛前、汛期和汛后一次大洪水过程断面的冲淤变化情况[8]，可以看出，洪水发生前后，断面冲淤变化幅度不大。但是在一场洪水过程中，河道还是会发生明显的冲刷和淤积过程。

图3 大洪水年份汛期石嘴山断面形态变化套绘(大沽基面)

从图3显示，1967年汛前汛后主槽高程变化很大，最大厚度近2 m，1978年汛前汛后断面形态变化不大；而1981年洪水涨水期间整个河槽不同程度地发生了冲刷，平均冲刷深度1.62 m，深泓局部最大冲刷4.84 m(起点距190 m处)，主河槽冲刷最为剧烈，两岸滩地部分冲刷较小；落水期石嘴山断面普遍回淤1.08 m，深泓局部最深回淤3.15 m，断面的冲淤变化主要发生在断面的主河槽内。通过比较分析可以看出，石嘴山断面的洪水过程是涨冲落淤，冲淤变化主要在主槽内进行，左岸滩地的冲淤变化较小，断面两侧河岸线没有发生冲淤变化，也没有发生位移。

1.3 同流量下水位变化

河道的冲淤演变一般表现在断面形态调整、过流能力变化、同流量水位升降，河道输沙能力变化、含沙量沿程调整，以及河势变化等方面[9-10]。其中，同流量水位的升降直接反映了河底平均高程的变化，是一种明显反映河床冲淤调整的方法，即同流量水位升高，则说明河床发生了淤积[11]。图4为石嘴山水文站1 000 m3/s流量水位历年变化过程，图4显示在20世纪50年代1 000 m3/s流量水位平均为1 086.18 m，河段处于先微淤又略有冲刷的状态，河道冲淤幅度约0.2 m[2]；自从河段上游陆续修建刘家峡及龙羊峡水库以来，该河段断面冲淤基本平衡。60年代到80年代中期，年际之间略有升降，变化范围在0～0.1 m之间，平均水位为1 086.04 m；1985年～2015年年际间水位变化略有增加，平均水位为1 086.07 m，长期来看该河段水位相对稳定。

图4 石嘴山同流量(1000 m3/s)水位变化

2 冰情分析

在自然情况下，石嘴山河段由于来寒潮的早晚和强弱不同，可使流凌和封河天数相差很大[12-13]。根据石嘴山站1969年～1998年资料分析，平均封冻日期在12月31日，平均解冻日期在3月5日，平均封冻天数为63 d，历年最长封冻天数为103 d，最短为未封冻。封河流凌期多年平均流量594 m3/s，最大流量1 100 m3/s (1981年12月1日)，最小流量176 m3/s(1977年12月27日)；封河流凌多年平均流凌天数为35 d，一般发生在11月下旬及12月上旬；最长流凌天数为58 d(1973年)，最短流凌天数为13 d(1983年)。开河流凌多年平均流凌天数为7 d，一般发生在2月下旬～3月上旬，最长流凌天数为15 d(1993年)，最短为2 d(1976年)；开河流凌期多年平均流量为876 m3/s，最大流量为1 330 m3/s(1984年3月11日)，最小流量为816 m3/s(1974年3月14日)，最大冰流速为2.8 m/s；开河流凌较封河流凌冰块大，最大冰块面积达1000×200 m2(1981年2月)，相应冰速0.81 m/s，最大河心冰厚1.28 m[14]。

通过对石嘴山站1950年～2010年冰期流冰时(每年11月至次年3月)统计分析，冰期流冰时最高水位为1 088.93 m，发生在1967年3月19日(见图5)，相应流量为1 700 m3/s，流速为1.55 m/s，壅冰高度为4.6 m。

图5 黄河石嘴山水文站凌汛期水位表现

1951年～2015年间石嘴山水文站共发生10次最高水位(年度最高)发生在凌汛期(见表1)，但由于凌汛期河道的来流流量较小，凌汛期卡冰结坝造成河道水位的壅高值均小于河道20年一遇洪水的设防标准值(5 620 m3/s)。

表1 黄河石嘴山站最高水位发生在凌汛期统计 m

由于上游龙刘水库联合调度，石嘴山河段卡冰结坝现象很少出现，开河形式均为文开河[14]。但2015年海勃湾水利枢纽运行后，回水末端延伸至乌达铁路桥附近，本河段水位抬升，比降减小、水流减缓，近年来凌汛期最高水位超过年度汛期最高水位的情况有明显增加[15-16]。自1998年来，有一半以上的年份发生了凌汛最高水位高于伏汛最高水位，表明近年来汛期来水来沙较少和河道淤积所带来的新情况，今后不排除特殊情况下发生冰塞、冰坝的可能性，造成该河段凌汛期防凌任务日趋严重。