黄河下游水库河段整治对河道演变的影响研究

华艳红

(太原市水利勘测设计院，山西 太原 030000)

0 引言

水库建设引起的河道格局变化是河道整治领域的重要问题，河道改道时，可引起地下水和地表水的流动发生变化，增加附近地区的洪水风险，严重时可导致土壤侵蚀和坍塌，为探求河道演变的规律，学者们进行了多方面研究。李宗盟等[1]研究了洪汝河大洪河段人工裁弯对河道演变的影响，研究结果表明：裁弯取直导致大洪河段河道长度锐减，河道比降增加；田福昌等[2]对基于分形理论的黄河内蒙古段河势演变特征及其与凌汛灾害关联进行了研究，研究结果表明：冰坝灾害更易发生于主槽偏移摆动大、蜿蜒曲折、河湾发育程度高的宽浅型弯曲河道；徐凌等[3]对考虑河势演变长江永安堤治理工程优化进行了分析，分析结果表明：河道冲刷导致岸坡变陡，威胁到已护工程的安全，应采取相应工程措施保障河势；马继东[4]对黑沙洲河段河势演变对河道内崩岸区的影响进行研究，研究结果表明：黑沙洲河段江洲众多，左右汊分流比波动较大，对河道内崩岸区影响较大；李军等[5]对松花江哈尔滨河段河床演变过程及特点进行了研究，研究结果表明：哈尔滨河段断面形态变化较小，仅在桥梁工程附近发生了局部高程变化；王莹[6]对闽江下游感潮河段水动力时空变化模拟进行了分析，分析结果表明：大潮期比小潮期潮流界上溯距离延长10km，大潮期各断面水位高值差值在0.5m左右。

以上学者对各河段河势演变进行了研究，分析了河床演变特征和人工裁弯对河道演变的影响。本文通过对黄河下游河段的河流模式进行判别，分析河段的弯度、主流游荡范围和宽深比以及水条件对河道演变的影响。

1 研究区概况

黄河下游河段总体可分为3类：游荡河段、曲流河段和过渡河段(介于游荡河段和曲流河段之间)，游荡河段由铁谢村至伊洛河口(T-Y河段)、伊洛河口至花园口(Y-H河段)、花园口至黑岗口(H-H河段)5段组成，黑岗口至夹河滩(H-J河段)，夹河滩至高村(J-G河段)。本研究的重点是T-Y河段、H-H河段和J-G河段，分别位于游荡河段的头部、中部和后部。

黄河下游有2座大型水库：1957年建成的三门峡水库和2001年建成的小浪底水库，三门峡水库蓄水后，大部分泥沙淤积在水库内，下游河段发生冲淤。三门峡水库建设前，河道不规则，河道主流游荡，该水库于1957年建成，最初蓄水后，排出低含沙量的水，然后河道被严重冲刷，三门峡水库开闸后，河道游荡范围受到一定限制，随后游荡范围减小。1972年的河道整治力度比1960年要大，由于水库的淤积，水库的运行规则发生了变化，更多的泥沙被排入下游河段，从河道整治起，下游逐渐沉积了沉积物。1996—2009年，下游年-沉积量为3.62×108t，其中主河道沉积量占76.4%，其余为漫滩沉积量[7-8]。

小浪底水库位于峡谷口，位于三门峡水库下游，为黄河干流提供了1.39×109m3的大库容。该水库于2001年12月投入使用，从投入使用起，流入黄河下游的径流和泥沙发生了相当大的变化，在汛期，上游的大部分径流被蓄水用于防洪和发电，在非汛期排入下游，相比之下，上游的大部分沉积物都被阻挡在水库中。自2002年以来，对水和沉积物进行了调节，作为该程序的一部分，部分细沉积物从水库中排出，在一年中的大部分时间里，清水或低含沙量的水流经下游河道。

直到2013年，黄河下游的河床平均被冲刷了2m，河道的横截面形状显示出狭窄、深的特征。游荡范围已开始受到管制。此外，改进后的河道整治工程限制了相对整治工程之间区域的主流，从而限制了游荡范围。1987年，河道整治工程未完成，主河道未得到控制，2004和2010年，随着小浪底水库的运行和河道整治工程的改进，河道被限制在河道整治工程沿线，从而变得更加稳定。

1.1 研究方法

在湖沼学中，河流模式分为直河、辫状河和曲流河，辫状河包括游荡河。游荡的河流在国内有着特殊的重要性，河道坡度、中值直径、弯曲度和宽深比是判别河流形态的一般参数，而河流模式可通过许多参数的各种方程来区分。

主流徘徊区间是指主流在任何一年中的摇摆区间，主流游荡范围与河流格局的关系可由以下方程表示：

(1)

式中，B—与满岸流量对应的河道宽度，m；Ø—河型指数，游荡河Ø<0.01‰，辫状河Ø<0.5‰，曲流河Ø<50‰，平直河Ø≥50‰；ΔBmax是一年内的主流漂移范围，m。

根据黄河下游的平均岸边流量宽度和Ø值，ΔBmax可作为指标：游荡河ΔBmax≥300m，辫状河ΔBmax≤300m，曲流河ΔBmax<100m。

2 研究结果与分析

2.1 基于单个因素的判别结果

3个研究河段的弯度、主流游荡范围和宽深比参数如图1所示。

图1 1970—2019年典型河段的弯曲度

这表明，自1970年以来，弯度逐年增加，主流漂移范围和宽深比均有所下降。

在图1中，研究河段的弯曲度小于1.3，表明这3个河段不是弯曲河道，而且曲折一直在逐渐增加，曲线上有许多极值点。1982年H-H河段的弯曲度为1.22，1986年J-G河段的弯曲率为1.25，1997年T-Y河段的弯曲程度为1.22。1981—1982年，H-H河段有3个弯道，但游荡范围分别为524.26和1267.93m，因此，弯曲段的长度增加了，弯曲度也增加了。在J-G河段，1985—1986年间，河流弯曲的数量从7个增加到9个，1986年的弯曲度基本相同。同样，T-Y河段1996年有8个弯道，1997年有14个弯道，这导致了弯曲度的增加，而且曲线上的其他极值点也与河流弯曲的数量和游荡范围有关。

尽管所研究河段的弯曲度在1970—2019年间有所上升和下降，但总体趋势是上升的。图1b显示了弯曲度的5a滚动平均值，显示出上升趋势，2010—2019年间，T-Y河段、H-H河段和J-G河段的平均弯度分别增加到1.21、1.17和1.29，这表明河流格局朝着曲流河的方向发展。

1970—2019年典型河段宽度和深度比如图2所示。

图2 1970—2019年典型河段宽度和深度比

2.2 水条件及其对河道演变的影响

径流和泥沙是河道过程中的关键决定因素，在黄河中，河道边界条件是影响河道演变的另一个重要因素。在本研究中，选择年水量和输沙量来分析它们与河型参数的关系。

自1970年以来，黄河下游的年流量一直在稳步下降，特别是自1995年以来，这种下降趋势变得非常明显。1970—1995年的年均水量为4.86×109m3，1995—2009年降至3.24×109m3，2010—2019年进一步降至2.57×109m3，仅为1970—1995年间的52.88%。因此，河流的流动动力学及其对河道的作用也减少了，同时主流的游走程度也有所下降。图3(a)和3(b)分别显示J-G河段的弯曲度和主流游荡范围与年水量之间的关系，其他2个河段遵循类似的模式。

图3 水条件对河道演变影响

由图3可知，在1970—2019年间，随着年水量的减少，弯曲度增加，主流游荡范围减小，这表明河流变得更加稳定。图中给出了对数回归曲线和公式，回归模型在>95%的置信水平下应用。

2.3 河道整治工程对河道动态影响

河道整治工程在河道整治中也发挥了重要作用，该工程改变了河道的边界条件，并将主流限制在相对整治工程之间的河道内。1997年河道整治工程未完成时，河道是随机的，2004和2010年河道整治工作得到改善时，河道受到了管制。图2还显示了2个拐点：在20世纪90年代初和2000年，T-Y河段和J-G河段。在这2个拐点之后的时期内，河道变得更加稳定。第二个拐点对应于小浪底水库的运行，它改变了黄河下游的来水和泥沙条件。然而，第一个拐点对应于2个河段河道整治工程的改善，20世纪90年代初，计划在T-Y和J-G河段修建河道整治工程，并改善了河道整治系统，同时，H-H河段的河道整治工程没有得到改善，因此，在相同的水沙条件下，H-H河段的河道比其他2个河段表现出更多的游荡性。

河道整治工程的控制作用可以体现在工程接触主流的概率上，该控制作用不是全部的长度，而是与主流接触并控制主流漂移的一部分。

工程接触主流的概率是通过将主流接触长度除以工程的总长度来估计的，而河道整治工程很难沿其全长触及主流。因此如果主流接触长度与工程总长度的比率大于2/3，则工程接触主流的概率可以取为1，如果比率为0，则概率也为0。某一时间内的概率可以从以下公式中获得：

P=∑Pi/n

(2)

式中，P—河道整治工程接触主流的概率；Pi—第i年的概率；n—年份。

典型河道整治工程接触主流的概率，如图4所示。

图4 典型河道整治工程接触主流的概率

1992—2002年期间，T-Y河段工程的概率为67.2%，2003—2009年期间为96.8%。在J-G范围内，1996—2002年期间工程的概率为59.7%，2003—2009年期间为100%。然而，H-H河段的河道整治工程效果不佳，因此接触主流的概率较低。因此，在相同的水沙条件下，2003—2009年这2个河段的河道比H-H河段的河道更加稳定。

3 结论

通过对黄河下游河段的河流模式进行判别，本文研究了水库河段整治对河道动态的影响，得到如下结论。

(2)河流年均水量2010—2019年降至2.57×109m3，仅为1970—1995年间的52.88%，在1970—2019年间，随着年降水量的减少，弯曲度增加，主流游荡范围减小，河流变得更加稳定。在水沙条件相同的情况下，整治工程的改进有利于河道的稳定。

(3)由于研究课题较大，分析时段及数据分析仍不够全面，因此研究结果尚需进一步研究。