黄河内蒙古段泥沙淤积过程模拟

张启照　申红彬　李新杰

摘要：根据内蒙古河段近年来水来沙资料，采用沙量平衡法对河道淤积情况进行了计算。结果表明：受不利水沙变化影响，内蒙古河段1960-2010年泥沙淤积总体呈增长趋势，1986年前增长缓慢，1986年后急剧增长。利用以河床累计淤积量为特征变量的河床滞后响应模型，分别采用单步解析与多步递推模式对内蒙古河段淤积情况进行了模拟，结果表明两种模式的计算值与实测值均基本吻合，确定性系数分别为0.993、0.957。

关键词：滞后响应模型：淤积模拟;泥沙;内蒙古河段;黄河

中图分类号：TV147;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.06.003

黄河内蒙古段位于黄河上游，自内蒙古自治区乌海市巴音陶亥入境至准格尔旗马栅乡出境，全长约830 km，穿越乌兰布和、库布齐沙漠，并有毛不拉、西柳沟、罕台川等十大孔兑人汇，沿程分布有巴彦高勒、三湖河口、昭君坟、头道拐水文站，是沙漠、河流交互影响的典型区域，也是黄河上游水沙变化及河床演变最为复杂的河段之一（见图1）。内蒙古河段冲淤变化既受上游来水来沙的影响，又与沿程孔兑水沙人汇情况有关。据统计，自然情况下内蒙古河段河床呈缓慢抬升趋势，年均淤厚0.01 -0.02 m[l]。近几十年来，受气候变化、沙漠扩张以及河道引水等影响，特别是上游刘家峡、龙羊峡等大型水库相继建成并投入运用，内蒙古河段水沙条件逐步恶化，输沙能力不断下降，泥沙淤积加重，河槽持续萎缩，甚至出现了长达268 km的“新悬河”。由于暴露出来的问题日渐增多，因此内蒙古河段的河道演变以及发展趋势越来越引起人们的关注。

以往，河道冲淤计算主要根据泥沙守恒方程（Exner方程），构建并数值求解基于物理过程的河流动力学模型[2]。近些年来，吴保生[3-4]基于冲积河流自动调整原理，认为河床调整变化速率与其当前状态和平衡状态之间的差值成正比，从而建立了河床演变的滞后响应模型。目前，该模型已成功应用于黄河一系列地貌演变过程的模拟，如：潼关高程变化、三门峡水库淤积、平滩流量变化、小北干流及下游河道淤积等[5-9]。安晨歌等[10]通过对Exner方程进行简化封闭与解析求解，发现滞后响应模型与Exner方程一阶近似解具有相似的公式形式，从而为滞后响应模型求解提供了一定的理论支撑。本文基于河床滞后响应模型，以内蒙古河段为例，分析计算该河段泥沙淤积过程。

1 基本模型

2 内蒙古河段冲淤分析

2.1 来水来沙条件变化

内蒙古河段进口水文站巴彦高勒站1960年（运用年）后水沙（径流量、输沙量、汛期水沙比例、来沙系数）变化情况见图3，由图3可知：①全年、汛期的径流量、输沙量总体均呈减少趋势，且径流量较输沙量减幅大，水动力条件明显减弱;②受龙羊峡、刘家峡水库调蓄影响，年内汛期水沙分配比例不断减小，特别是1986年龙羊峡水库投入运行以后，汛期水沙比例大幅减小;③受水沙变幅影响，全年、汛期的来沙系数总体均呈先增大后减小的趋势，1998年来沙系数最大、水沙组合条件最为不利，1998年后来沙系数有所减小。

2.2 河道泥沙淤积情况

基于内蒙古河段沿程水文站（巴彦高勒一头道拐）实测输沙资料，采用沙量平衡法计算出河道历年淤积变化情况，见图4。分析不同水文站（巴彦高勒、三湖河口）同流量（1000 m/s）水位逐年变化情况，见图5。不同水文站断面形态见图6。

综合图4-图6可以看出：受水沙总量减少及水沙组合恶化影响，内蒙古河段泥沙淤积量总体呈增长趋势。其中：1960-1986年增长缓慢，1986-2010年急剧增长;巴彦高勒与三湖河口站同流量（1 000 m/s）水位在1960-1986年有升有降，1986-2010年呈持续上升趋势，这表明河道处于持续淤积状态：巴彦高勒断面河床总体呈淤积抬升趋势，头道拐断面虽然形态变化剧烈，但是相对稳定，主要原因是内蒙古河段水沙经沿程自动调整，至头道拐断面时已接近均衡，而且头道拐断面所处河段属峡谷型河道，对整个河段起到了侵蚀基准面的作用。

3 内蒙古河段淤积模拟

图7为采用单步解析与多步递推模式计算得到的巴彦高勒一头道拐河段累计冲淤量变化情况，两者模拟值与实测值的比较见图8。由图7、图8可知：两种计算模式得到的累计冲淤量与实测值均基本吻合，单步解析模式计算的累计冲淤量与实测值的确定性系数R2为0.993，多步递推模式的R2为0.957。另外，巴彦高勒一头道拐河段累计冲淤量实测值与计算值均呈现出1986年前增长缓慢、1986年后急剧增长的趋势。从河床滞后响应模型角度分析，主要原因是：1986年前来水来沙条件变化相对不大，河道比降已与来水来沙条件基本适应，河床平衡比降Je与初始河床比降Jo相差不大：1986年后受来水来沙条件恶化影响，对应河床平衡比降J。急剧增大，与JO差值急剧增大，导致河道急剧淤积。

4 结论

（1）受不利水沙变化影响，内蒙古河段1960-2010年泥沙淤积总体呈增长趋势，1986年前增长缓慢，1986年后急剧增长。

（2）基于以河床累计淤积量为特征变量的河床滞后响应模型，分别采用单步解析与多步递推模式对内蒙古河段淤积情况进行了模拟计算，结果表明计算值与实测值变化过程基本吻合，其中单步解析模式计算值与实测值的确定性系数为0.993、多步递推模式的确定性系数为0.957。

参考文献：

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[2]谢鉴衡.江河演变与治理研究[M].武汉：武汉大学出版社，2004：315-323.

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