水库运用后河道下游断面形态变化特征分析——以黄河小浪底为例

◎ 杨江勇 绍兴市上虞区水利技木指导中心

1.前言

黄河为我国第二长河，每年含沙量可达35kg/m³，年均输沙16亿吨，均为世界之最，素以地上悬河、易决、易淤、灾频而闻名，位处中游的黄土高原常年遭受冲刷，水流向下游输送大量泥沙并产生堆积，导致下游逐渐变为地上悬河，严重威胁河道下游附近居民的生命及财产安全。小浪底水库调水调沙工作的开展，使得下游河槽中的泥沙得以冲刷入海，随之造成河道形态的改变，直接影响到河道输沙能力以及排洪能力，给下游洪涝灾害的防治以及滩地利用造成一定的影响，一向是黄河下游河床演变研究的热点之一。本文在分析小浪底水库的运用对下游河道冲淤量影响的基础上，探讨下游河道断面的形态变化过程，总结小浪底水库运用对调水调沙工作的效果，旨在为水库运用、河道泥沙治理以及防洪减灾提供一定的依据。

2.水库运用对河段下游冲淤量变化特征的影响

2.1 对冲淤量的沿程变化特征的影响

根据河段河床演变特征及平面形态特点，将黄河下游划分为三个典型河段以探讨其冲淤量的沿途变化特征，典型河段分别为游荡型河段、由游荡段向弯曲段过渡的过渡型河段和弯曲型河段。小浪底建成前后黄河下游河道各典型河段汛期与非汛期的冲淤量见表1，小浪底水库建成并投入使用之前，游荡型河段在非汛期主要表现为冲刷，累积冲刷量29.92亿m³，汛期淤积较为严重，累积冲淤量达46.85亿m³；过渡型河段非汛期与汛期均存在淤积，但淤积量较少，分别为7.09亿m³和4.85亿m³；弯曲型河段非汛期淤积，汛期冲刷，淤积量分别为17.15亿m³和-11.58亿m³。

表1 小浪底运用前后黄河下游河道沿程冲淤量（单位：亿m³）

小浪底水库投入使用后，黄河下游河道全年出现冲刷，其中游荡段冲刷量最大，为13.4亿m³，汛期与非汛期冲刷量分别为6.5亿m³和6.9亿m³，差异不显著；过渡段的冲刷程度小，且以汛期冲刷为主，冲刷量2.4亿m³，占全年冲刷量88.9%，弯曲段冲刷发生在汛期，冲刷量为3.4亿m³。

2.2 对调水调沙期间冲淤特点的影响

小浪底水库自2002年7月4日初次开展调水调沙工作以来，至2014年共进行了18次的调水调沙工作。调水调沙期间下游河道冲刷效率如图1所示。可见下游冲刷效率整体在波动中下降，主要是由于影响河道冲刷的因素除来水来沙量及河床形态外，还有河床的粗化，当入流量小于粗化层所对应的最大流量时，粗化层很难被揭穿，水流难以从河床中补充细泥沙颗粒，从而造成下游河床冲刷效率的减弱。

3.黄河下游河道断面的形态变化特征分析

河流断面的形态改变主要体现为平滩水位、平滩河宽、平摊面积和宽深比等河槽断面特征参数的变化。本文选择花园口、高村、利津三个水文站断面分别作为游荡段、过渡段、弯曲段的代表性断面来进行分析讨论。

图1 调水调沙期间黄河下游河道冲刷效率

3.1 游荡段形态变化特征分析

以花园口站为例研究黄河下游游荡段断面形态变化，各代表断面的形态特征差异见图2。花园口的平滩水深在所选择四个典型年中，1999年水深最小，为0.8m，此后又上升至2.2m，上升幅度175.00%；平滩河宽的变化趋势与平均水深相似，由1999年1480m增至2015年的2501m，增幅68.99%。平摊面积1999年为1184m2，至2015年增至5502m2，增幅364.70%。宽深比在1999年达48.09 m-0.5，此后又下降至2015年的22.73 m-0.5，减幅52.7%。花园口的断面特征参数出现此种变化趋势，主要是由于1999年小浪底建成初期，水库需要大量存蓄水以补充库容，下游河道来水量减少，此后河槽受到持续冲刷，游荡段断面既存在显著的横向展宽，又存在垂向冲刷下切。

3.2 过渡段形态变化特征分析

以高村站水文观测断面为代表的黄河下游过渡段河槽形态特征变化见图1。平滩水深在196 4 年为3.79m，水库建成后减至1.62m，至2015年平滩水深又有明显增加，增幅92.6%；平滩河宽于水库建成初明显减小，减幅56.5%，到了2015年，又增长至798m，增幅26.5%；平滩面积同样在水库建成后有明显的减小，由1964年的5503m2减小至1999年的1022m2，减幅81.4%，2015年又增加为2490m2，增幅143.6%；宽深比由1964年的10,05 m-0.5增加至1999年的15.51 m-0.5，此后又降低至2015年的9.05 m-0.5，减幅41.7%。可以看出小浪底水库投入使用后，过渡段不仅存在一定程度的横向展宽，还伴有冲刷下切作用。

图2 典型年代表断面的河槽形态特征

3.3 弯曲段形态变化特征分析

以利津站水文观测断面为弯曲段典型断面，分析河槽形态的变化特征，结果见图2。与其他断面相比，利津站的河槽断面特征参数变化表现不明显，平滩河宽自1964年至1999年由557m减少到367m，减幅为34.1%，在2015年又增至428m，增幅16.6%；平滩水深自1999年至2015年由3.15m增加至4.1m；平摊面积由1156m2增至2015年的1755m2，增幅为51.8%；宽深比在水库建成后有微弱减少，由6.08降低至5.05，减幅16.9%，由此可见弯曲型河段断面存在显著的垂向冲刷，虽存在横向展宽，但表现不明显。

4.结论

（1）小浪底水库投入使用后表现为较为稳定的冲刷，其中游荡段冲刷程度最大，主要发生在汛期，过渡段与弯曲段冲刷程度较小且差异不明显。

（2）在小浪底水库运用后，游荡段断面形态窄深，横向展宽与垂向冲深均表现明显；过渡段既有一定程度的横向展宽，又伴随着垂向冲深；弯曲段形态变化以垂向冲深为主，横向展宽表现不明显。