黄河宁夏段水沙演变规律及冲淤空间分布特征研究

2022-08-09朱婉依李昆鹏李丽珂郑佳芸张世安

人民黄河 2022年8期

朱婉依，李昆鹏，李丽珂，郑佳芸，张世安

（1.成都兴城资本管理有限责任公司，四川成都 500643； 2.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；3.河南省湖库功能恢复与维持工程技术研究中心，河南郑州 450003）

黄河宁夏段总长约397.00 km，其中峡谷段总长86.12 km、库区段总长44.14 km、平原段总长266.74 km，约占黄河总长1／14，位于黄河上游下段，流域面积5.0 万km2［1］。黄河宁夏段水沙异源，水量主要来自兰州以上河段，而泥沙主要来自干流兰州以上、兰州至下河沿区间的支流以及宁夏境内的清水河、苦水河等支流［2］。龙刘（龙羊峡与刘家峡）水库联合运用以来，改变了进入宁夏段的水沙过程，河段来水来沙特点、河道冲淤变化规律等发生了较大变化［3－8］。近期，通过黄河宁夏段二期防洪工程建设，进一步完善了河段防洪工程体系，提高了河道防洪标准，归顺了河道流路，基本控制了河势摆动，减轻了洪凌灾害。但目前部分河段河势仍未得到有效控制，河势摆动致使局部已建工程出现脱溜失效现象，洪凌安全隐患依然存在，直接威胁两岸已建防洪工程安全，给当地经济社会发展造成了不利影响。本文以黄河宁夏段下河沿—石嘴山河段为研究对象，系统梳理了干支流水沙年内与年际变化特征、河势演变过程以及河道与水库泥沙冲淤分布特征，以期为《黄河宁夏段清淤疏浚（采砂）规划》编制提供科学支撑。

1 水沙量年内分配特征

1.1 干流

1950 年11 月—2019 年10 月黄河宁夏段下河沿站来水来沙特征见表1。由表1 可知，下河沿站多年平均水量为298.6 亿m3，汛期水量占全年水量的51.7%；多年平均沙量为1.13 亿t，汛期沙量占全年沙量的84.1%。水沙年内分配不均匀，水量多集中于汛期，沙量分配比水量分配更集中。

表1 黄河宁夏段下河沿站多年平均来水来沙特征

天然状态下（1950 年11 月—1961 年10 月），下河沿站年均水量和沙量分别为313.1 亿m3、2.32 亿t，汛期水量、沙量分别占全年的62.2%、88.4%；1961 年11月—1968 年10 月，上游来水量较丰，下河沿站年均水量和沙量分别为380.4 亿m3、1.90 亿t，汛期水量、沙量分别占全年的61.5%、84.7%；1986 年11 月—2019年10 月，龙刘水库联合运用后下河沿站年均水量和沙量分别为265.5 亿m3、0.61 亿t，汛期水量、沙量分别占全年的43.8%、77.1%；2012 年11 月—2019 年10月，下河沿站年均水量和沙量分别为310.6 亿m3、0.44亿t，汛期水量、沙量分别占全年的47.3%、81.8%，沙量仅为天然状态下的19.0%。

1.2 支流

1958—2019 年黄河宁夏段支流清水河与苦水河来水来沙特征见表2。由表2 可知，清水河泉眼山站1958—2019 年年均水沙量分别为1.14 亿m3、0.246 亿t，汛期水沙量分别占年水沙量的64.9%、89.0%。从不同时期年内水沙量分配来看，1958—1968 年年均水沙量分别为1.49 亿m3、0.281 亿t，汛期水沙量分别占年水沙量的73.8%、92.9%；1969—1986 年年均水沙量相比1958—1968 年分别减少47.0%、37.0%，汛期水沙量分别减少51.8%、41.8%；1987—1999 年年均水沙量相比1958—1968 年，水量减少15.4%、沙量增加42.3%，汛期水量减少17.3%、沙量增加39.5%；2000—2011 年年均水沙量相比1958—1968 年分别减少28.2%、23.1%，汛期水沙量分别减少48.2%、28.7%；2012—2019 年年均水沙量相比1958—1968 年，水量减少4.0%、沙量减少54.4%。 1958—2019 年水沙量变化主要集中在汛期。

表2 黄河宁夏段支流清水河与苦水河多年平均来水来沙特征

苦水河郭家桥站1958—2019 年年均水沙量分别为0.97 亿m3、0.045 亿t。从不同时期年内水沙量分配来看，1958—1968 年年均水沙量分别为0.22 亿m3、0.022 亿t；1969—1986 年、1987—1999 年、2000—2011年年均水沙量与1958—1968 年相比均有不同程度的增加，其中1987—1999 年水沙量增幅分别为595%、368%；2012—2019 年年均水沙量分别为1.28 亿m3、0.013 亿t，较1958—2019 年年均水量有所增加、沙量有所减少。

2 水沙量年际变化特征

2.1 干流

1950—2019 年黄河宁夏段下河沿站、青铜峡站、石嘴山站历年水沙量变化过程见图1 ～图3。由图1 ～图3 可知，下河沿站、青铜峡站、石嘴山站水沙量年际变化均较大；下河沿站最大年径流量515.95 亿m3（1967 年）为最小年径流量188.91 亿m3（1997 年）的2.7 倍，最大年输沙量4.41 亿t（1959 年）为最小年输沙量0.17 亿t（2015 年）的26.0 倍；青铜峡站最大年径流量450.67 亿m3（1967 年）为最小年径流量114.43亿m3（1997 年）的3.9 倍，最大年输沙量4.69 亿t（1958 年）为最小年输沙量0.04 亿t（1969 年）的117.3倍；石嘴山站最大年径流量491.18 亿m3（1967 年）为最小年径流量166.94 亿m3（2003 年）的2.9 倍，最大年输沙量3.77 亿t（1964 年）为最小年输沙量0.23 亿t（2016 年）的16.4 倍。

图1 下河沿站历年水沙量变化过程

图2 青铜峡站历年水沙量变化过程

图3 石嘴山站历年水沙量变化过程

2.2 支流

1958—2019 年支流清水河泉眼山站、苦水河郭家桥站历年水沙量变化过程见图4 ～图5。由图4 ～图5可知，泉眼山站、郭家桥站水沙量年际变化较大，丰枯悬殊；泉眼山站最大年径流量2.14 亿m3（1996 年）为最小年径流量0.07 亿m3（1963 年）的31 倍，最大年输沙量为0.37 亿t（1996 年）、最小年输沙量为0（1960年）；郭家桥站最大年径流量3.71 亿m3（1964 年）为最小年径流量0.13 亿m3（1960 年）的29 倍，最大年输沙量1.22 亿t（1958 年）为最小年输沙量8.00 万t（1960年）的1 525 倍。

图4 清水河泉眼山站历年水沙量变化过程

图5 苦水河郭家桥站历年水沙量变化过程

3 近期河势演变过程分析

洪峰流量是影响洪水过程中断面形态塑造的关键因素。黄河宁夏段2012 年洪水期，下河沿站流量大于2 000 m3／s 的天数为45 d、大于2 500 m3／s 的天数为28 d；2020 年洪水期，下河沿站流量大于2 000 m3／s 的天数为98 d、大于2 500 m3／s 的天数为59 d。 2012年、2020 年黄河宁夏段均具有洪峰流量大、含沙量小、持续时间长、水位变幅大等特点，洪水演进对河床断面调整影响较大，不同河段呈现出不同的河势演变过程。

3.1 沙坡头坝下—仁存渡河段

沙坡头坝下—跃进渠口河段，由于新墩险工长度不够，因此2012 年洪水期工程尾部坐弯塌滩严重；2020 年洪水期枣林湾工程靠溜较好，凸岸边滩出露水面，新墩弯道下首右岸边滩淤积量较大，迫使水流顶冲对岸。双桥—跃进渠口河段，2012 年跃进渠潜坝的导流作用将河心滩冲开约200 m 宽，水流分为两股，跃进渠口河势变化较大；2020 年龙王庙沟口护岸工程末端冲刷严重。跃进渠口—田滩河段，2012 年洪水期泉眼山弯道河势下挫严重；2020 年黄羊湾处受心滩影响，靠溜较差，主流未按治导线行进，主要沿右汊行进至泉眼山。田滩—青铜峡库尾河段，已建的中宁枸杞博物馆严重侵占河道，受地形影响河势左移至倪丁工程。青铜峡坝下—梅家湾河段，河势基本上沿着规划治导线行进，河势变化整体表现为上提下挫。尽管犁铧尖控导工程对冲刷起到了一定控制作用，但由于弯道工程长度仍然较短，因此2020 年洪水期工程下首河湾仍在规划治导线外侧。梅家湾—仁存渡河段，2012 年叶盛桥以上河势基本居中下行，桥下游分为两汊；2020年分汊较2012 年未发生变化，流路稳定，工程靠溜较好。

3.2 仁存渡—头道墩河段

仁存渡—北滩河段，2012 年洪水期间仁存渡为天然节点，未布置工程，水流淘刷岸边严重，黄河干流出仁存渡后，河势依地形居中下行，多年来河势基本稳定。兵沟—头道墩河段，2012 年洪水基本上沿着1986年河势行进；2020 年洪水期关渠弯道处流路向右岸偏离治导线，河势下挫，京星农场心滩被覆盖，心滩—头道墩流路较为平顺，基本控制在治导线内。

3.3 头道墩—石嘴山河段

该河段为游荡型河道，河床宽浅，沙洲密布，汊道交织，主流摆动不定，河势变化剧烈。河道右岸为无堤防河段，受鄂尔多斯台地控制右岸形成若干处节点。平面上出现多处河湾，心滩较少，边滩发育，主要表现为单向侧蚀，常造成滩岸坍塌，出现险情。

4 泥沙冲淤时空分布特征

4.1 河道泥沙冲淤量及淤积分布

（1）冲淤量。沙量平衡法计算的黄河宁夏段河道（含青铜峡库区）冲淤量见表3。 1952 年11 月—2018年10 月，下河沿—石嘴山共淤积泥沙3.49 亿t，其中下河沿—青铜峡淤积2.57 亿t、青铜峡—石嘴山淤积0.92 亿t；1986 年11 月—2018 年10 月，下河沿—石嘴山共淤积泥沙2.11 亿t，其中下河沿—青铜峡淤积0.86亿t、青铜峡—石嘴山淤积1.25 亿t；2012 年11 月—2018 年10 月，下河沿—石嘴山呈冲刷状态，共冲刷0.78亿t。

表3 黄河宁夏段年均冲淤量（沙量平衡法）亿t

龙刘水库联合运用以来（1986 年11 月—2018 年10 月），宁夏段水量主要集中在非汛期、沙量主要集中在汛期，下河沿—石嘴山河段年均淤积量为0.066 亿t，其中汛期淤积0.127 亿t，非汛期冲刷0.061 亿t。下河沿—青铜峡河段年均淤积0.027 亿t，汛期冲刷0.016亿t，非汛期淤积0.043 亿t；青铜峡—石嘴山河段年均淤积0.039 亿t，汛期淤积0.143 亿t，非汛期冲刷0.104 亿t，与上一河段相比，该河段汛期与非汛期冲淤变化较为剧烈，这与青铜峡—石嘴山河段为冲积型河道有关。

（2）泥沙淤积分布。 1993 年5 月—2018 年11 月，沙坡头坝下—石嘴山（不包含青铜峡库区）河段共淤积泥沙2.150 亿t，其中主槽淤积0.375 亿t、滩地淤积1.775 亿t。卫宁河段（下河沿—青铜峡）共淤积0.675亿t，其中主槽淤积0.350 亿t、滩地淤积0.325 亿t。青石河段（青铜峡—石嘴山）共淤积1.475 亿t，其中主槽淤积0.025 亿t、滩地淤积1.450 亿t。沙坡头坝下—石嘴山（不包含青铜峡水库）河段年均淤积量为0.086亿t，其中主槽年均淤积量为0.015 亿t、滩地年均淤积量为0.071 亿t。卫宁河段年均淤积量为0.027 亿t，其中主槽年均淤积量为0.014 亿t、滩地年均淤积量为0.013亿t。青石河段年均淤积量为0.059 亿t，其中主槽基本冲淤平衡，年均淤积量仅为0.001 亿t，滩地年均淤积量为0.058 亿t。全河段滩、槽均有一定程度淤积，河道淤积主要集中在青石河段。

4.2 青铜峡水库库容淤损过程及淤积分布

（1）库容淤损过程。青铜峡水库自运用以来，经历了快速淤积、缓慢淤积和基本稳定3 个阶段。1963—1971 年为快速淤积阶段，库区淤积了5.41 亿m3，89.3%的库容被淤损，正常运用水位1 156 m 以下库容仅剩0.65 亿m3（占原始库容10.7%），年均淤积量为0.60亿m3。 1972—1987 年为缓慢淤积阶段，水库又淤积了0.35 亿m3，库容减少到0.30 亿m3，年均淤积量为0.02 亿m3；1988—2018 年为基本稳定阶段，水库库容一般维持在0.30 亿～0.59 亿m3，年际间库容变化不大。

（2）泥沙淤积分布。青铜峡水库淤积纵剖面见图6，冲淤量统计见表4。由图6、表4 可知，青铜峡水库淤积范围大致可分成4 段：第一段为坝前段，处于水库坝址以上8.2 km 的峡谷段，淤积形态近似为原河床的平行抬升，淤积量占总淤积量的6.5%。第二段为三角洲前坡段，范围较小，处于QTX8—QTX11 断面，前坡段比降约为0.245%，淤积量占总淤积量的10.6%。第三段为三角洲顶坡段，处于QTX11—QTX24 断面，河道断面宽浅，淤积坡度较小，顶坡段比降仅约为0.015%，有利于泥沙沉积，使得大量泥沙淤积在本库段内，淤积量占总淤积量的82.2%。第四段为三角洲尾部段，处于QTX24—QTX26 断面，水库蓄水以后，回水的粗沙部分首先在回水末端附近沉积，构成三角洲淤积的尾部段主体，本库段淤积比降约为0.053%，淤积量占总淤积量的0.7%。