黄河巴彦高勒-头道拐河段泥沙冲淤调整特点

张晓华 ，郑艳爽 ，尚红霞 ，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)

宁蒙河道为黄河上游流经宁夏和内蒙古自治区的黄河干流河段，是黄河冲积性河段之一（图1[1]）。从长时期看，宁蒙河道有缓慢抬升的趋势，同流量（2 000 m3/s）水位年均上升0.5～2.0 cm[2]。而20 世纪80 年代后期和90 年代，黄河水沙关系加剧恶化，河槽萎缩，洪水位普遍抬高[3]，严重威胁地区安全。尤其在内蒙古的巴彦高勒-头道拐河段形成新悬河，悬河段长达268 km，河床高程比磴口县政府所在地高3 m、比临河区高6 m、比五原县高9 m、比乌拉特前旗高3 m[4]，同时在十大孔兑下游形成4 m高的支流悬河。悬河是河流下游严重淤积、河床抬高与人类为预防洪灾、约束水流在河道两侧不断填土筑堤的产物[5]，已有研究提出悬河的形成因素[6]：（1）河水中必须挟带大量直径为0.01～0.25 mm的泥沙；（2）河水中必须有大部分水流的平均流速小于0.7 m/s；（3）河流必须具有足够广阔的可能被泛滥的面积。因此，研究悬河所在河段不同粒径泥沙的冲淤演变特征，是揭示悬河产生和发展机制的基础。

图1 研究区概况Fig.1 Map of study reach

目前对宁蒙河道不同粒径泥沙运动规律的研究还比较薄弱，早期杨根生等[7-8]分析认为长时期内蒙古河段淤积中主要为来自沙漠的粒径大于0.1 mm的粗泥沙；李学春等[9]探讨了内蒙古水文站各粒径级泥沙的输移能力，结果表明历年洪水过程中分组沙与全沙呈较好的正相关关系；同流量过程中泥沙组成的变化将导致各级粒径泥沙的输移分配比例有所不同[10]；李婷等[11-12]分析了输沙量及悬移质组成的沿程变化，认为悬移质主要由细沙组成，粒径大于0.1 mm的粗沙较少。细沙对河床冲淤演变产生的作用是暂态的，推悬交换的泥沙和推移质造成的河床冲淤相对深远。秦毅等[13]研究表明粒径为0.10～0.25 mm的泥沙活跃于冲淤过程，且内蒙古河段上部的粗颗粒泥沙不易被水流长距离挟带。安催花等[14]计算得出1987 年以来宁蒙河段泥沙淤积加重主要集中在汛期和小于0.1 mm的泥沙，大于0.1 mm的粗泥沙淤积量有所减少；张红武等[15]运用泥沙运动理论，计算得到宁蒙河段河床大部分沙质组成在水流强度较大时都有可能以悬移形式运移，并且随着粒径的减小呈悬移运动形式的比例增加，整体随水流运移的泥沙量有所增加的结论。由此可见，目前宁蒙河道不同粒径级泥沙输移方面的研究主要集中在其与水流强度的关系，对河段不同粒径泥沙在年内和时期尺度上的冲淤调整特点还缺乏了解。本文针对这方面开展研究，同时结合水沙变化及水库运用等因素的分析，初步分析各时期不同粒径泥沙冲淤调整的原因，为宁蒙河道悬河治理提供基础支撑。

1 河道基本概况

巴彦高勒-头道拐河段是宁蒙河道的最下游段（图1），河道分为巴彦高勒-三湖河口和三湖河口-头道拐两个河段。巴彦高勒-三湖河口段为黄河出峡谷后进入的冲积平原区，河道宽浅，沙洲散乱，江心洲发育较少，是典型的游荡型河道；黄河绕过乌拉尔山山嘴后为三湖河口-头道拐河段，河道比降减小，河岸物质中黏粒含量增多，河流相对窄深，河曲发育，河道由不同的大小弧形连接而成，为比较典型的弯曲河型[16]。巴彦高勒-头道拐河段上段南部毗邻库布齐沙漠，冬春季形成风沙入黄；下段北部为阴山山脉，南部10条支流（孔兑）汇入干流，孔兑上游为鄂尔多斯台地砒砂岩出露的丘陵沟壑，常发生暴雨洪水经中游库布齐沙漠后形成高含沙洪水挟带大量泥沙入黄，造成黄河河道淤堵。因此，巴彦高勒-头道拐河段风沙与水沙运动重叠、高低含沙量洪水交替发生，河道演变剧烈，是黄河上游防洪防凌的重点河段。

2 资料与研究方法

采用1959—2012 年长系列资料，对河道水沙条件影响较大的时间节点有1968 年刘家峡水库的投入运用、1986 年龙羊峡和刘家峡水库的联合运用，以及沙量明显减少的2000 年，将长系列分为1959—1968、1969—1986、1987—1999 和 2000—2012 年 4 个时期。

2.1 数据来源

研究所用的干、支流水沙资料主要来源于水文站。干流水文站为河段进口控制站巴彦高勒水文站、三湖河口站和出口控制站头道拐站，三站均为黄河水利委员会所属的国家重要水文站。支流水文站为西柳沟的龙头拐站、毛不浪孔兑的图格日格站和罕台川的响沙湾站，三站均为内蒙古自治区水文总局所属的水文站。所用水文站资料都经过统一整编刊印于历年《中华人民共和国水文年鉴-黄河流域水文资料》，具有较好的代表性。十大孔兑中只有3条孔兑设有入黄控制站，其他缺少观测的孔兑年沙量采用文献[17]插补的结果。沿河沙漠风沙入黄量采用参考文献[18]的数据。

按泥沙粒径划分为细泥沙（d≤0.025 mm）、中泥沙（0.025＜d≤0.050 mm）、较粗泥沙（0.050＜d≤0.100 mm）和特粗泥沙（d＞0.100 mm），其中d＞0.050 mm的泥沙一般称为粗泥沙。

2.2 计算方法

沙量平衡法冲淤量计算原理为，计算时段内全部进入河段沙量和全部输出河段沙量之差为河段冲淤量。河段不同粒径组泥沙冲淤量计算公式为：

式中：ΔWsi为第i组泥沙的河段冲淤量（亿t）；Ws巴i为河段进口巴彦高勒站第i组泥沙沙量（亿t）；Ws孔兑i为十大孔兑第i组泥沙汇入量（亿t）；Ws风沙i为河段汇入的第i组风沙沙量（亿t）；Ws头i为河段出口头道拐站第i组泥沙沙量（亿t）；i为泥沙粒径分组，分别为细泥沙、中泥沙、较粗泥沙和特粗泥沙。分组沙冲淤量之和为全沙冲淤量。

除冲淤量外，分析中增加了冲淤比来表示冲淤程度，即同时段内冲淤量与来沙量之比，不同粒径组泥沙冲淤比计算公式为：

式中： γi为不同粒径组泥沙冲淤比（%）；ΔWsi为第i组泥沙的河段冲淤量（亿t）；Wsi为河段全部第i组进入泥沙沙量（亿t），Wsi=Ws巴i+Ws孔兑i+Ws风沙i。全沙冲淤比计算相同。

3 河段来沙量的不同粒径泥沙组成

统计1959—2012 年巴彦高勒-头道拐河段各来源区的年均不同粒径组沙量（表1），可得河段总来沙量及粒径构成，同时可计算出各粒径组泥沙的来源构成（图2）。可见，多年平均河道年均总来沙量1.186 亿t，其中0.948 亿t来自巴彦高勒以上地区，占到总量的79.9%，且主要是细泥沙和中泥沙；0.197 亿t来自十大孔兑，占16.6%，十大孔兑泥沙组成两级分化，细泥沙和特粗泥沙较多；巴彦高勒-三湖河口河段的沿河入黄风沙量为0.041 亿t，仅占总来沙量的3.5%，全是粗泥沙，尤其是特粗泥沙占比达到85.3%。由此河段总来沙量的构成特点为：细泥沙比例最高，为52.7%；其次是中泥沙，占到19.6%；较粗泥沙和特粗泥沙来量较少，仅分别占总量的14.4%和13.3%。

图2 巴彦高勒-头道拐河段不同粒径组泥沙来源Fig.2 Source area of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai

表1 1959—2012 年巴彦高勒-头道拐河段各来源区年均不同粒径组沙量Tab.1 Average annual various-size sands volume of each source area of the reach from Bayangaole to Toudaoguai from 1959 to 2012 单位：亿t

4 河段冲淤特点

4.1 长时期冲淤概况

巴彦高勒-头道拐河段长时期（1959—2012 年）河道淤积10.940 亿t，年均淤积0.201亿t（表2），冲淤比为17.0%。从时期上来看，除1969—1986 年微冲0.300 亿t外，各时期都是淤积的。1987—1999 年淤积量最大，达到8.233 亿t，占到总量的75.2%，年均淤积量也达到了0.633 亿t，冲淤比高达57.7%，即将近60%的来沙淤积在河道内；其次是2000—2012 年，淤积2.307 亿t，占到总量的21.1%，年均淤积0.177 亿t，冲淤比为28.0%。

表2 巴彦高勒-头道拐河段冲淤量在各时期的分布Tab.2 Sediment distribution in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in different periods

4.2 不同粒径组泥沙冲淤调整特点

河段长时期（1959—2012 年）淤积10.940 亿t，其中特粗泥沙淤积量达到6.148 亿t，占到总淤积量56.2%，冲淤比高达72.1%，表明特粗泥沙是淤积泥沙的主体；较粗泥沙淤积2.257 亿t，占到总淤积量20.6%，冲淤比高达24.5%；细泥沙和中泥沙淤积量都比较小，分别为1.378 亿t和1.157 亿t，在总淤积量中占比分别为12.6%和10.6%，冲淤比很小，仅分别为4.1%和9.2%。

从河段全沙和不同粒径组泥沙的累积冲淤量变化过程（图3）可以看到，全沙淤积量随来水来沙的变化各时段演变趋势差别较大，有冲有淤，只是在20 世纪80 年代后期到21 世纪前5 年左右出现持续淤积。而特粗泥沙长时期都是持续淤积的，基本不受水沙条件的影响；同时可以看到，特粗泥沙在某些年份淤积量增加较多，造成累积淤积过程出现突然抬升，分析发现这些年份孔兑都发生高含沙洪水，说明河段特粗泥沙淤积受孔兑影响比较大。相比之下，细泥沙、中泥沙甚至是较粗泥沙的冲淤调整都与全沙的演变趋势一致，随水沙条件而变化，反映出某个时段内细泥沙和中泥沙的冲淤状况决定了河段淤积的发展方向。

图3 巴彦高勒-头道拐河段不同粒径组泥沙累积冲淤量过程Fig.3 Cumulative sedimentation process of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai

5 年内不同粒径组泥沙冲淤调整特点

宁蒙河道年内水沙过程差异鲜明，分为汛期和非汛期，汛期为7—10月，非汛期为11月至次年6月。

5.1 汛期冲淤调整特点

河段汛期全沙淤积量较大的是1987—1999 年，年均淤积量达到0.498 亿t；其次是1959—1968 年和2000—2012 年，年均分别淤积0.143 亿t和0.110 亿t；1969—1986 年河段年均冲刷0.013 亿t。从各时期不同粒径组泥沙的冲淤状况可以看到，较粗泥沙和特粗泥沙基本上都是淤积的，是淤积泥沙的主要构成；细泥沙和中泥沙在1986 年以前两个时期以冲刷为主，1986 年以后转为淤积，淤积量超过较粗泥沙和特粗泥沙，对比各时期的冲淤比（图4）可看到，1986 年以前两个时期的全沙冲淤比都不高，自然状态的1959—1968 年为 7.9%，1969—1986 年微冲；但是 1986 年后两个时期冲淤比显著增高，分别达到63.4%和32.0%。各时期不同粒径组泥沙的冲淤比也有明显的特点，特粗泥沙的冲淤比各时期都较高，为51.1%～92.2%；细泥沙、中泥沙和较粗泥沙的冲淤比变化鲜明，1986 年前的两个时期都不高，最高的1959—1968 年较粗泥沙的冲淤比仅12.4%，而1986年后两个时期都增加较大，1986—1999 年和2000—2012 年细泥沙冲淤比分别达到52.7%和27.7%，中泥沙冲淤比分别为63.0%和30.3%，较粗泥沙的冲淤比也升高至67.7%和35.0%。

图4 巴彦高勒-头道拐河段各时期汛期不同粒径组泥沙冲淤比Fig.4 Sedimentation ratio of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in flood season in different periods

5.2 非汛期冲淤调整特点

非汛期各时期全沙冲淤量的变化是方向性的，由1959—1968 年的年均冲刷0.073 亿t和1969—1986 年微冲，变为1986 年之后的淤积，1986—1999 年和2000—2012 年年均淤积量分别达到0.136 亿t和0.067 亿t。从不同粒径组泥沙的变化可以看到，特粗泥沙保持淤积且淤积量变化不大，全沙冲淤性质变化主要在于细泥沙和中泥沙由冲转淤，以及较粗泥沙的淤积增加。

从非汛期不同粒径组泥沙各时期冲淤比（图5）也可看到，特粗泥沙与汛期特点相同，各时期均维持较高的冲淤比，为55.9%～77.1%。其他三组泥沙的淤积程度在1986 年后都明显增大，细泥沙冲淤比从1959—1968 年的-50%左右转为 1986—1999 年的12.9%和2000—2012 年的-22.3%，中泥沙冲淤比从-10%左右转为56.0%和30.1%，较粗泥沙冲淤比从1959—1968 年的 1.8%和 1969—1986 年的 13.9%增加到1986—1999 年的54.1%和2000—2012年的42.6%。

图5 河段各时期非汛期不同粒径组泥沙冲淤比Fig.5 Sedimentation ratio of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in non-flood season in different periods

6 不同粒径泥沙各时期冲淤调整原因初步分析

水沙过程是河床演变的动力，表3列出了巴彦高勒-头道拐河段各时期来水来沙及年均不同粒径组泥沙的冲淤量，可见，1959—1968 年人类活动对上游的水沙过程有一定影响但还不是很大。首先，黄河上游引水灌溉历史悠久，该时期地表水耗损量约90 亿m3[19]，减少的是河道基础流量，对水流过程改变较小。其次，上游盐锅峡、青铜峡水库和三盛公水利枢纽分别于1961、1967和1961 年建成投入运用，均为径流式电站，对流量基本无调节能力，盐锅峡水库和三盛公枢纽库容较小、青铜峡水库刚开始运用，水库拦沙量较少；该时期水库建设对水沙过程的影响还未显著显现。因此，该时期河道水沙条件与天然时期近似。由表3还可见，该时期干流水、沙量及十大孔兑沙量都很大，但是年均淤积量仅0.070 亿t，这与天然时期的微淤状态基本一致。天然情况下汛期7—10 月上游来水量和洪峰流量都大（图6），此时段正是流域面上的来沙时期（包括十大孔兑高含沙洪水形成的集中来沙），细泥沙和中泥沙、少量的粗泥沙通过2 000 m3/s以上大流量输送或冲刷，少部分由于汛期小流量过程或者漫滩等原因而淤积，而大部分粗泥沙难以输送而淤积下来；非汛期前期淤积的细泥沙和中泥沙可随水流冲刷送走。因此，天然时期河道的淤积以粗泥沙为主，年均淤积0.151 亿t，远高于全沙淤积量0.070 亿t，而细泥沙和中泥沙难以淤积。

表3 巴彦高勒-头道拐河段各时期来水来沙及年均不同粒径组泥沙冲淤量Tab.3 Runoff and sediment and average annual sedimentation of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in different periods

1969—1986 年是刘家峡水库单库运用时期，水库共拦截了10.93 亿m3泥沙，十大孔兑沙量也有所减少，河段来沙量明显减少。因而在水流过程变化不大的条件下，河段除特粗泥沙外各粒径组泥沙均发生持续冲刷，河段整体也表现为冲刷。说明河道来沙量对冲淤的影响是非常显著的。

1986 年10 月龙羊峡和刘家峡水库开始联合运用，汛期削减洪峰、调蓄洪水，同时引水量增加即减少了河道流量，进入巴彦高勒-头道拐河段的流量大大减小，汛期平均流量仅578 m3/s，尤其是洪水缺失造成水流输沙能力降低，导致在粗泥沙淤积的同时，细、中泥沙也发生大量淤积；而非汛期引水的增加导致河道内流量也有所减小，降低了冲刷细、中泥沙的能力，细、中泥沙由天然情况下的冲刷转为淤积。因此，全年除特粗泥沙外三组泥沙大量增淤，且细泥沙成为淤积的主体，占到全沙淤积量的36%。同时该时期十大孔兑来沙量较大，尤其1989 年来沙量超过2 亿t，已有研究[20-21]阐明十大孔兑洪水是宁蒙河段淤积的主要因素之一，加之干流汛期缺少洪水输送孔兑高含沙洪水泥沙或者冲刷前期在汇流区形成的淤积体，因而该时期特粗泥沙淤积也较大，达到0.172 亿t。

进入21 世纪以来，黄河上游地区来沙量显著减少（表3），干流来沙量和十大孔兑沙量分别只有1959—1968 年的 20%左右，但是水库运用和河道引水状况均未改变，河道仍缺少大流量过程（图6），因而该时期河段各组泥沙仍与前一时期相同都保持淤积，只是淤积量明显减少，全沙仅淤积0.177 亿t，特粗泥沙占比最高。

图6 巴彦高勒站历年最大流量Fig.6 Annual maximum peak discharge in Bayangaole Hydrological Station from 1959 to 2012

7 结 语

分析了巴彦高勒-头道拐河段1959—2012 年各时期及年内不同粒径泥沙的冲淤特点，结合对各时期干、支流水沙条件的对比，初步说明泥沙冲淤调整的原因，得到主要结论如下：

（1）黄河上游巴彦高勒-头道拐河段多年平均（1959—2012 年）来沙量1.186 亿t，其中细泥沙比例最高为52.7%，是来沙的主体；特粗泥沙比例最小为13.3%。细泥沙、中泥沙和较粗泥沙80%以上都来自巴彦高勒以上。

（2）1959—2012 年该河段共淤积10.940 亿t，冲淤比为17.1%；特粗泥沙是淤积的主体，占总淤积量的56.2%，冲淤比高达72.1%。特粗泥沙来源分布均匀，各地区为22.1%～36.1%。

（3）河段细泥沙、中泥沙和较粗泥沙随来水来沙发生冲淤调整；而特粗泥沙持续累积淤积，随来水条件变化很小。

（4）河段各时期汛期特粗泥沙都是淤积的，在1986 年以前是淤积的主体，细泥沙和中泥沙是冲刷的。1986 年后河道淤积加重，主要是细泥沙和中泥沙由冲刷转为淤积，占到全沙淤积量的40%～50%，成为淤积的主体；而较粗泥沙和特粗泥沙的冲淤比增高，1986—1999 年最高分别达到67.7%和92.2%。

（5）河段非汛期全沙由1986 年前的冲刷变为之后的淤积，1986—1999 年年均淤积量达到0.136 亿t，其中特粗泥沙保持淤积且淤积量变化不大，主要在于细泥沙和中泥沙由冲转淤及较粗泥沙的增淤，较粗泥沙的冲淤比达到40%～55%。

（6）河段各时期泥沙的冲淤调整取决于来水来沙量及水流过程。1959—1968 年水沙量和洪峰流量都较大，水流输沙能力大，河道微淤，主要是粗泥沙尤其特粗泥沙淤积；1969—1986 年刘家峡水库拦沙造成河道来沙量显著减少，水流过程变化不大，河道发生冲刷，除特粗泥沙外各粒径组泥沙都是冲刷的。1986 年龙羊峡和刘家峡水库联合运用汛期拦蓄洪水，河道流量减小，水流输沙能力降低，细泥沙和中泥沙由冲转淤，较粗泥沙冲淤比增高，特粗泥沙仍保持淤积；在孔兑来沙量较多的1986—1999 年河道淤积严重，细泥沙成为淤积的主体；在干流和十大孔兑来沙量都显著减小的2000—2012 年河道淤积减少。