减缓宁蒙河道泥沙淤积方案及效果研究

张晓华，郑艳爽，张防修，窦身堂，丰 青

（1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.黄河水利委员会 黄河流域生态保护和高质量发展研究中心，河南 郑州 450003）

黄河上游宁蒙河道所在区域是重要的能源基地、粮食主产区及少数民族集聚区，区域安全至关重要。该区域风沙与水沙交织，支流高含沙水流入汇，泥沙运动规律特殊。 近期上游水资源开发利用导致主槽淤积萎缩，形成新悬河。 关于宁蒙河道淤积原因，前期已开展了大量的研究工作，取得较多认识。 杨根生等［1］发现内蒙古河道淤积泥沙多为粒径大于0.1 mm 的风成沙，来源于乌兰布和沙漠和库布齐沙漠，因此认为沙漠粗泥沙大量汇入是内蒙古河道泥沙淤积的主因；刘晓燕等［2］通过分析长系列实测输沙量资料发现巴彦高勒—头道拐河段淤积泥沙主要源自十大孔兑洪水；罗秋实等［3］通过数学模型计算分析，表明支流来沙量与宁蒙黄河干流淤积量的相关性较强，是影响宁蒙河道淤积的主要因素之一。 对于20 世纪80 年代后宁蒙河道淤积加重的原因也有比较一致的共识，张红武等［4］、安催花等［5］、田世民等［6］的研究都表明，龙羊峡和刘家峡水库（龙刘水库）联合运用调蓄洪水、改变径流分配是导致宁蒙河道淤积萎缩的主因。 这些认识都是基于对宁蒙河道全沙运动规律的分析研究，而由泥沙运动力学可知，不同粒径组泥沙在河道传播输移的特性有很大差异，辨析分组泥沙的来源及其在河道中的调整对水沙条件的响应，可深层次揭示河道演变原因，增强河道减淤方案制定的针对性，提高方案实施效果。

1 研究区概况

黄河宁蒙河道位于宁夏回族自治区和内蒙古自治区境内，是黄河上游的下段，自宁夏中卫市香山乡至内蒙古准格尔旗马栅乡，全长1 203.8 km，约占黄河总长的五分之一［7］。

宁夏河道下河沿—青铜峡和青铜峡—石嘴山河段，峡谷与宽河道相间出现，右岸有支流清水河、苦水河汇入，并经过河东沙地，河段内建有青铜峡水库。 内蒙古河道石嘴山—巴彦高勒河段左岸为乌兰布和沙漠，河段内建有海勃湾水库和三盛公水库；巴彦高勒—头道拐河段为冲积型河道，河道演变剧烈，近期因河道淤积严重已形成悬河形势，是黄河上游防洪防凌的重点河段，其中三湖河口—头道拐河段右岸有10 条支流（孔兑）汇入干流，孔兑上游为砒砂岩出露的丘陵沟壑，暴雨洪水经库布齐沙漠后形成高含沙洪水挟带大量泥沙入黄。

2 数据来源与计算方法

2.1 数据来源

研究所用干支流水沙资料和引水引沙资料主要来自历年《黄河水文年鉴》。 十大孔兑只有3 条设有入黄控制站，其他缺少观测资料的孔兑年沙量采用文献［8］插补的成果。 风沙入黄量采用参考文献［9］的成果。

依据流域泥沙的基本特性，黄河泥沙按粒径一般划分为细泥沙（d≤0.025mm）、中泥沙（0.025 mm＜d≤0.05 mm）、较粗泥沙（0.05 mm＜d≤0.1 mm）和特粗泥沙（d＞0.1 mm），其中较粗泥沙和特粗泥沙又可合称为粗泥沙（d＞0.05 mm）［10］。

2.2 计算方法

基于黄河数学模拟系统（YRNMS）（软著登字第0234904 号），采用一维非恒定水沙动力学数学模型开展方案计算。 水动力学模块采用圣维南方程组描述水体在河道内流动，泥沙模型主要包括悬移质泥沙连续方程、 推移质输沙率及河床变形方程。 采用Preissmann 四点隐格式离散控制方程、追赶法进行求解。 采用张红武公式计算全沙挟沙力，韩其为方法计算分组挟沙力级配，分界粒径为0.008、0.016、0.031、0.062、0.125、0.250 mm，分别求各分组沙的输移及引起的河床变形，并根据本次粒径分组插值得到各粒径组冲淤量。 采用1991—2000 年的观测资料对模型进行了率定与验证（见图1），由验证结果可见计算与实测结果基本吻合。 特别是近年来，每年汛期采用该模型对黄河上游水沙演进过程进行跟踪计算，模型参数及关键技术的处理方法能较好地适应黄河上游的实际情况。

图1 巴彦高勒—头道拐河段冲淤量模拟验证结果

3 基于分组泥沙输移规律的减淤方案

3.1 分组泥沙来源

统计1959—2012 年下河沿—头道拐区间各来源区的分组沙量，合计得到宁蒙河道总来沙量及粒径组成，同时可计算出宁蒙河道各粒径组泥沙的来源构成（见表1）。 由表1 可见，宁蒙河道多年平均来沙量1.760亿t，其中：1.050 亿t 来自下河沿以上黄河上游地区，占总量的59.6%，而且主要是细泥沙和中泥沙；0.357 亿t来自宁夏河段的支流（清水河、苦水河），占20.3%，同样细泥沙和中泥沙较多；其他为十大孔兑来沙和入黄风沙，分别为0.197 亿、0.156 亿t，分别占总来沙量的11.2%和8.9%，粗泥沙来量偏多，尤其是入黄风沙中特粗泥沙比例极高。 由此可知宁蒙河道总来沙量的构成特点为：细泥沙比例高，达到54.1%；其次是中泥沙，占到19.0%；较粗泥沙和特粗泥沙较少，仅分别占总量的12.6%和14.3%。

表1 1959—2012 年宁蒙河道各来源区年均分组沙量 亿t

图2 显示了宁蒙河道各分组泥沙的来源分布，可以看到，不同粒径泥沙来源明显不同。 细泥沙、中泥沙和较粗泥沙主要来自干流下河沿以上的上游地区和发源于黄土高原的宁夏支流（清水河、苦水河），这两部分来源的细泥沙合计量占宁蒙河道总细泥沙量的91.8%，中泥沙合计量占宁蒙河道总中泥沙量的92.6%，较粗泥沙合计量占宁蒙河道总较粗泥沙量的77.5%。 特粗泥沙则主要来源于十大孔兑和入黄风沙，两者合计占宁蒙河道总特粗泥沙量的79.0%，其中入黄风沙占52.8%。

图2 宁蒙河道分组泥沙来源分布

3.2 分组泥沙冲淤调整对水沙条件的响应

采用反映河道泥沙调整强度的冲淤效率dSd来量化分析宁蒙河道泥沙输移与水沙条件的关系，冲淤效率表示的是单位水量的冲淤量，计算方法为

式中：dSd为冲淤效率，kg／m3；dWs为冲淤量，亿t；dW为水量，亿m3。

利用宁蒙河道实测资料计算得到不同流量级、不同含沙量级的场次洪水冲淤效率，建立分组泥沙冲淤效率与流量和含沙量的关系。 宁蒙河道不同粒径组泥沙对水沙条件的响应规律有较大区别，以差别较大的细泥沙和特粗泥沙为例进行说明。

由图3（a）可见，在洪水期平均流量670 ～3 100 m3／s、平均含沙量0 ～30 kg／m3范围内，细泥沙冲淤效率调整对含沙量变化敏感，表现出随含沙量增大而增大的趋势；同时各级含沙量的冲淤效率变化都有共同的特点，即与流量呈反比，随着流量增大，冲淤效率降低；平均含沙量小于7 kg／m3的洪水，当流量达到一定量级时河道可由淤积状态转为冲刷状态。

由图3（b）可见，特粗泥沙冲淤调整对水沙条件的响应与细泥沙差别很大。 宁蒙河道特粗泥沙冲淤效率与水沙条件的关系并不紧密，各场次洪水基本上是淤积的，而且各流量级冲淤效率差别很小；冲淤效率对含沙量的变化也不是很敏感，仅在小流量含沙量较高时出现强度较大的淤积。

图3 宁蒙河道洪水期细泥沙和特粗泥沙冲淤效率与水沙条件的关系

以3～7、20 ～30 kg／m3两组含沙量为例定量评价提高洪水期流量时河道减淤效果。 由表2 可见，不同含沙量条件下平均流量从1 000 m3／s 增加到2 500 m3／s 时淤积效率都明显降低，而且各粒径组泥沙的冲淤效率都随流量的增大而降低，说明增大洪水期流量可起到提高河道输沙能力、减少河道淤积（或增大冲刷）的作用。

表2 宁蒙河道洪水期平均流量由1 000 m3／s提高至2 500 m3／s 时河道冲淤效率降幅

对比各粒径组泥沙冲淤效率降低值可知，降低较多的主要是细泥沙和中泥沙，较粗泥沙和特粗泥沙变化不大，如当洪水期平均含沙量为20 ～30 kg／m3时，全沙冲淤效率降低4.75 kg／m3，细泥沙和中泥沙冲淤效率分别降低3.04、0.98 kg／m3，合计占全沙冲淤效率降低值的85%；而较粗泥沙和特粗泥沙冲淤效率仅分别降低0.36、0.37 kg／m3，合计仅占全沙冲淤效率降低值的15%。 由此可知，通过提高水流流量减少河道淤积的主要是细泥沙和中泥沙。

3.3 减淤方案制定思路

基于对宁蒙河道分组泥沙来源及冲淤效率对水沙条件的响应研究成果，针对性地制定减少河道淤积方案。

细泥沙和中泥沙沙量大，但是来源区主要是下河沿以上的上游地区和宁夏清水河、苦水河流域，属于水力侵蚀，来沙集中于汛期洪水期，且与水流强度的跟随性较好，对流量变化比较敏感。 因此，最高效的治理措施为“排”和“调”，通过水库调节恢复干流洪水过程提高细泥沙和中泥沙的输沙能力。

粗泥沙尤其是特粗泥沙主要来源是入黄风沙和十大孔兑，而十大孔兑来沙也是因流经库布齐沙漠而造成挟带的粗泥沙较多。 分析可知，粗泥沙有以下特点：①水流输送效率偏低且随流量变化很小；②进入干流河道的风沙呈沿程分散，水流难以集中输送，输沙效率偏低；③黄河流域风季为冬春季节，干流入黄沙量最大的时段一般为3—5 月，而此时段正是干流流量较小的时期，水沙过程不协调；④十大孔兑发生高含沙洪水时才能挟带粗泥沙进入黄河干流，不仅造成入汇河段三湖河口—头道拐河段长期淤积，成为宁蒙河道防洪防凌的重点河段，而且洪水汇入历时短，强烈淤积经常淤堵干流河道，形成洪水灾害。 因此，对于较粗泥沙和特粗泥沙应以水土保持和沙漠治理的“拦”为主，降低侵蚀强度，减少其进入河道的机会。

综上所述，宁蒙河道泥沙治理思路应为“拦粗排细”，即采取水库调水调沙和水土保持并行的综合治理措施。

4 减缓淤积方案效果计算分析

根据宁蒙河道“拦粗排细”的治理思路，设置了多种治理方案，并利用数学模型对各方案进行河道冲淤效果计算，评价方案的优劣。

4.1 减淤方案设置及计算条件

计算初始地形为2012 年汛后地形。 计算以1990—2012 年实测水沙系列为基础，设置4 个代表性治理措施，共形成5 个减淤方案，各方案的水沙量情况见表3。

表3 计算方案水沙量

方案1：1990—2012 年实测水沙系列，下河沿年均水量、沙量分别为249.4 亿m3、0.630 亿t，年均引水量、引沙量分别为127.0 亿m3、0.392 亿t，宁夏支流、十大孔兑来沙量和入黄风沙量分别为0.393 亿、0.114亿、0.156亿t。 该系列中包含连续10 a 左右的枯水年以及上游发生较大洪水的年份（1999 年、2005 年、2012年），同时2005 年以前来沙量偏多，2005 年以后来沙量明显减少，因此该系列能够反映宁蒙河道的来水来沙状况。

方案2：水库调控方案，恢复龙刘水库联合运用前宁蒙河道7 月20 日—8 月20 日的洪水过程，该时段黄河上游和宁蒙河道区间支流来沙集中，有利于输送、冲刷细泥沙和中泥沙。 鉴于2012 年洪水后宁蒙河道主槽过流能力最小约2 200 m3／s，设计洪水过程为洪峰流量最大2 000 m3／s 的平头峰型。 方案2 中除下河沿沙量受流量过程差别影响稍有不同外，其他各来源沙量与方案1 相同。

方案3：拦沙方案，即开展水土保持和风沙治理以减少进入河道的全粒径组泥沙。 考虑到减沙目标的现实性，将近期来沙量较少的2008—2012 年各来源区年均沙量作为拦沙治理能够实现的目标，将其定为计算系列各来源区的均值沙量。 其中下河沿以上、宁夏支流和引沙量分别减少至0.370 亿、0.158 亿、0.128 亿t，与方案1 相比分别减少41%、60%、67%；十大孔兑沙量和入黄风沙量分别参考文献［8］和文献［9］的成果，分别减少至0.018 亿、0.043 亿t，与方案1 相比分别减少84%、72%。

方案4：综合治理方案，即水库调控和拦沙措施并行开展。 除下河沿沙量受流量过程差别影响稍有不同外，其他各来源沙量与方案3 相同。

方案5：水库调控加粗泥沙治理方案，即水库调控和十大孔兑、风沙治理措施并行开展。 作为方案4 的对比方案，除十大孔兑沙量和入黄风沙量外，其他各来源沙量与方案2 相同。

4.2 计算结果分析

模型计算宁蒙河道各方案冲淤量见表4，各河段计算结果见图4。

表4 宁蒙河道减淤方案冲淤量计算结果

图4 宁蒙河道减淤方案模型计算分河段冲淤量结果

从宁蒙河道全河段来看，与方案1 相比，各方案河道淤积量均有明显减少。 水库调控恢复部分洪水过程方案（方案2）虽然减少淤积0.126 亿t，但河道仍年均淤积0.343 亿t；而拦沙方案（方案3）减淤量达到0.354 亿t，河道年均仅淤积0.115 亿t，减淤效果更好；如果采取综合治理措施，“拦粗”与“排细”同步实施，由方案4 的计算结果可见，宁蒙河道减淤幅度达到105.3%，河道由淤转冲，年均微冲0.025 亿t；方案5 河道仍淤积0.201 亿t，说明如果只治理粗泥沙，即使配合水库恢复洪水过程，因为细泥沙来量大，所以河道仍持续淤积。 由此可见，单项治理措施减淤效果都是有限的，只有“调”和“拦”并举综合治理，才能实现河道不淤积的目标。

从各方案分河段的河道冲淤情况可见，宁蒙河道淤积最为严重的是内蒙古石嘴山—头道拐河段，减淤效果最好的河段为宁夏下河沿—石嘴山河段，方案3和方案4 该河段甚至发生大量冲刷。 宁夏河段以细、中泥沙为主，由此可见，现状水库运用方式形成的水流条件对细、中泥沙输送十分不利，是河道淤积的重要原因。 表4 列出各方案巴彦高勒—三湖河口和三湖河口—头道拐河段减淤量占宁蒙河道减淤总量的比例，对比各方案对内蒙古河段的减淤效果，方案2 和方案5 内蒙古河段减淤量所占比例最大，因此相对来说，水库调控恢复洪水过程对内蒙古河段的减淤作用较大。

5 结论

（1）宁蒙河道不同粒径组泥沙冲淤效率对水沙条件的响应规律有较大区别，细、中泥沙的冲淤效率随含沙量增大而增大、随流量增大而减小，在含沙量较低条件下流量增大到一定程度时能够转淤为冲；较粗泥沙和特粗泥沙以淤积为主，随流量增大变化很小，尤其是特粗泥沙在各流量级条件下冲淤效率基本相同。

（2）宁蒙河道来沙量中细泥沙比例达到54.1%，是来沙的主体，中泥沙、较粗泥沙和特粗泥沙仅分别占19.0%、12.6%和14.3%。 细泥沙、中泥沙和较粗泥沙主要来自下河沿以上的上游地区和宁夏支流，主要是水力侵蚀随水流进入河道的；而特粗泥沙主要来源于十大孔兑流经的沙漠和干流入黄风沙，具有空间上分散进入河道的特点，且入黄时间与干流水流过程不协调。

（3）根据分组泥沙来源和水流输送特点，提出宁蒙河道“拦粗排细”的减淤方案设置思路：宁蒙河道减淤需要采取多种措施综合治理；粗泥沙尤其是特粗泥沙以“拦”为主，开展水土保持和风沙治理；细泥沙和中泥沙以水流“排和调”为主，利用水库恢复洪水过程调水调沙。

（4）以1990—2012 年实测水沙条件为基础，设置了水库调控恢复7—8 月洪水过程输送细、中泥沙和水土保持、风沙治理拦减粗泥沙的治理方案组合，进行了数学模型方案计算。 计算结果表明，与1990—2012 年河道实际淤积状况相比，各种措施均能起到减淤作用，但是各种单项措施减淤效果都有限，河道仍持续淤积，只有“拦粗排细”综合治理方案河道转为微冲，且包含水库调控恢复洪水过程的方案对内蒙古河段的减淤效果较好。