黄河下游河道横断面变化特点及对弯道的影响

张明武 孙赞盈 彭红 李勇

摘要：黄河下游河道横断面变化直接关系河道的排洪输沙能力，横断面形态变化对弯道曲率的影响关系着河道的河势变化，一直是黄河下游河床演变研究的重点。从1986-1999年淤积缩窄时期和2000-2013年冲刷展宽时期入手，采用实测大断面数据，对黄河下游各河段横断面冲淤情况进行分析，给出了弯道曲率与横断面形态特征的关系式，分析了黄河下游横断面形态变化对弯道曲率的影响。结果表明：黄河下游河道各河段在冲刷时期，主槽宽逐渐变大，在理想条件下河道宽浅，弯道流中流速横向分布不均，容易造成塌岸冲刷，河道将会越来越弯曲。

关键词：弯道曲率;冲淤变化;横断面形态;河道;黄河下游

中图分类号：TV147; TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.006

黄河下游河道横断面变化直接关系河道的排洪输沙能力，一直是黄河下游河床演变研究的重点之一。小浪底水库修建前，黄河下游自1986年出现枯水枯沙系列，水沙条件发生改变，陈建国[1]对黄河下游河道萎缩的机理和基本输水输沙通道的规模进行了研究。小浪底水库修建后，下游河道水沙条件发生显著变化，水、沙量年均值均较水库修建前急剧减小，且下游河道水量的减幅小于沙量的：水库的运用调节了水量的年内分配，使得汛期出库水量占年均水量的比例有所下降，且泥沙均集中在汛期进、出水库[2]。2000年以来，黄河下游河道的来沙量明显减小，但各河段沙量沿程变化在不同时段却是不同的[3]。这种新的水沙条件势必引起下游水动力条件的变化。吴保生等[4]研究了黄河下游河段断面水力几何形态与断面形态特征参数之间的相互关系与变化特点：申冠卿等[5]对不同时期黄河下游河道泥沙沉积与纵、横断面调整进行了研究。

黄河下游河道横断面形态变化对弯道曲率的影响关系着河道的河势变化。本文从1986-1999年（共14 a）淤积缩窄时期和2000-2013年（共14 a）冲刷展宽时期人手，分别对黄河下游各个河段的横断面冲淤情况进行分析，以期为深入认识黄河下游横断面形态变化特征提供重要的理论支撑和依据。同时，通过理论分析给出弯道曲率与横断面形态特征的关系式，结合理论关系式，分析黄河下游各个河段的冲淤特性以及黄河下游横断面形态变化对弯道曲率的影响。

1 黄河下游横断面形态变化特征分析

1.1 淤积缩窄时期横断面形态特征

以1986年断面为起始年断面，以某年断面相对于起始年断面的冲淤面积作为主槽累计冲淤量（正淤负冲，下同）。侧向（或垂向）累计冲淤量表示为某年断面相对于起始年断面的侧向（或垂向）冲淤面积，见图1。其中：侧向累计冲淤量为起始年左岸（ Ll）与计算年左岸（L2）之间的冲淤面积加上起始年右岸（Rl）与计算年右岸（ R2）之间的冲淤面积之和;垂向累计冲淤量为计算年左岸（ L2）和右岸（R2）之间的冲淤面积。本次计算不考虑滩地上的冲淤变化，只考虑主槽相对于起始年的冲淤变化。

（1）伊洛河口以上。伊洛河口以上1986-1999年大断面侧向累计冲淤量整体上大于垂向累计冲淤量（见图2）。

（2）伊洛河口一花园口。与伊洛河口以上河段类似.1986-1999年伊洛河口一花园口大断面侧向累计冲淤量整体上大于垂向累计冲淤量。

（3）花园口一夹河滩。该河段大断面侧向累计冲淤量整体上大于垂向累计冲淤量。

（4）夹河滩一高村。该河段大断面侧向累计冲淤量整体上大于垂向累计冲淤量，两者差别没有花园口一夹河滩河段的大（见图3）。

（5）高村一孙口。该河段大断面侧向累计冲淤量整体上大于垂向累计冲淤量。侧向和垂向冲淤量差别没有夹河滩一高村河段的大（见图4）。

（6）孙口一艾山。该河段大断面侧向累计冲淤量整体上小于垂向累计淤积量。从该河段开始，侧向累计冲淤量均小于垂向累计冲淤量（见图5）。

（7）艾山一泺口。该河段大断面垂向冲淤量远大于侧向冲淤量，说明该河段以淤积抬升为主（见图6）。

（8）泺口一利津。该河段大断面垂向冲淤量远大于侧向冲淤量，说明该河段以淤积抬升为主。

1.2 冲刷展宽时期横断面形态特征

以2000年断面为起始年断面，以某年断面相对于起始年断面的冲淤面积作为主槽累计冲淤量。侧向（或垂向）累计冲淤量分别表示为某年断面相对于起始年断面的侧向（或垂向）冲淤量

（1）伊洛河口以上。2000-2013年伊洛河口以上大断面整体上侧向累计冲淤量和垂向累计冲淤量相当（见图7）。

（2）伊洛河口一花园口。与伊洛河口以上河段类似.2000-2013年伊洛河口一花园口大断面侧向累计冲淤量整体上和垂向累计冲淤量相当。

（3）花园口一夹河滩。该河段主槽断面侧向和垂向累计冲淤量相当。

（4）夹河滩一高村。该河段大断面侧向累计冲淤量和垂向累计冲淤量相当（见图8）。

（5）高村一孙口。该河段大断面侧向和垂向累计冲淤量相当（见图9）。

（6）孙口一艾山。该河段大断面侧向累计冲淤量整体上小于垂向累计冲淤量。从该河段开始向下游，侧向累计冲淤量均小于垂向累计冲淤量，说明从2000年以来，该河段主河槽宽度没有多大变化，主槽冲深产生的冲刷量比较大（见图10）。

（7）艾山一泺口。该河段大断面侧向累计冲淤量远小于垂向累计冲淤量，说明2000年以来该河段主河槽宽度基本没变化，冲刷量基本上是由主槽冲深引起的（见图11）。

（8）泺口一利津。该河段断面宽度基本无变化，侧向累计冲淤量远小于垂向累计冲淤量，说明2000年以来该河段主河槽寬度基本没变化，冲刷量基本上是由主槽冲深引起的。

1.3 侧向淤积与展宽系数

各河段沖刷时期主槽河宽变化过程见表1。各河段累计塌滩展宽面积与累计主槽冲深面积的相关关系、与塌滩展宽面积占比的相关关系见表2。其中：主槽侧向淤积系数=主槽侧向累计淤积量/主槽总累计淤积量：主槽侧向展开系数=主槽侧向累计冲刷量/主槽总累计冲刷量。由表2可以看出，在淤积缩窄时期，孙口以上的主槽侧向淤积系数都大于0.50%，即主槽侧向淤积量大于垂向淤积量，孙口以下则相反。同样地，在冲刷展宽时期，孙口以上的侧向淤积系数都大于0.50，孙口以下的侧向淤积系数都小于0.50，孙口以上各河段主槽以展宽为主，孙口以下各河段主槽以冲深为主。

2 断面形态变化特点对弯道曲率的影响

2.1 弯道曲率与横断面形态特征的关系

横断面形状是由表面宽度B、中心深度D、岸坡斜率z和河床横比降S所决定的[6].河道概化图见图12（a）（其中θ为河弯流路与下行流路的夹角，r为弯道半径）。为了简化分析，本文忽略了岸坡斜率z，横断面形状近似于图12（b）所示，是由表面宽度B、中心深度D和横比降S所决定的。

河道断面的横比降St的几何关系式可以表示为

弯曲段水流以螺旋运动或横向循环为特征[7]。为预测一条弯曲的、可侵蚀的河床的横比降，前人建立了几种分析模型。本文断面横比降的计算基于Odgaard A J的方程[7]：

2.2 黄河下游横断面冲淤变化对弯道曲率的影响

黄河下游河道从上到下由宽浅河道逐渐变为相对窄深河道。以2013年为例，由表1可知伊洛河口以上、夹河滩一高村、高村一孙口、孙口一艾山、艾山一泺口的主河槽宽度分别为1 448、1 065、628、504、458 m.逐渐变小，河道逐渐变窄深。

淤积时期河道宽浅，流速横向分布不均，容易造成贴边淤积，即侧向淤积量大于垂向淤积量。孙口以下河道相对窄深，流速横向分布相对均匀，容易造成淤积。冲刷时期河道宽浅时，流速横向分布不均，容易造成塌岸冲刷，孙口以上各个河段以展宽为主：孙口以下河段河道相对窄深，流速横向分布相对均匀，容易造成冲深。

黄河下游河道冲刷时期（2000-2013年）主槽宽度逐渐变大。高村以上河段主槽宽度变化相对较大，高村以下各河段主槽宽度相对变化较小。

3 结论

在理想的弯曲河道中，r/B的值由F和ζ确定，F为河床阻力、水流速度、泥沙颗粒大小等的函数。假定F不变，宽深比ζ越大r/B越小，也就是河道越弯曲;r/B越小宽深比ζ越大。

通过分析黄河下游各河段横断面形态及冲淤特性，结合理论关系式，给出弯道曲率对黄河下游横断面形态变化影响的关系。黄河下游河道各河段在冲刷展宽时期（2000-2013年），主槽宽度逐渐变大，在理想条件下（没有人为控制边界条件），河道宽浅，在弯道流中流速横向分布不均，容易造成塌岸冲刷，河道将会越来越弯曲。

参考文献：

[1] 陈建国，黄河下游河道萎缩机理与基本输水输沙通道规模研究[D].武汉：武汉大学，2013：1-10.

[2] 夏军强，吴保生，王艳平，近期黄河下游河床调整过程及特点[J].水科学进展，2008，19（3）：301-308.

[3] 胡春宏.张治昊，黄河下游复式河道滩槽分流特征研究[J].水利学报，2013，44（1）：1-9.

[4]吴保生，李凌云.黄河下游河道横断面的若干特点[J].人民黄河，2008，30（2）：15-16.

[5] 申冠卿，张原峰，尚红霞，等，不同时期黄河下游河道泥沙沉积与纵横断面调整[J].泥沙研究，2005（3）：30-34.

[6]

CHANG H H.Fluvial Processes in River Engineering[M].Florida： Krieger Publishing Company， 1992： 261-297.

[7] ODGAARD A J.Transverse Bed Slope in Alluvial ChannelBends[J].Joumal of the Hydraulics Division， 1981， 107：1677-1694.