水庫運用后河道下游斷面形態(tài)變化特征分析
——以黃河小浪底為例

◎ 楊江勇 紹興市上虞區(qū)水利技木指導中心

1.前言

黃河為我國第二長河，每年含沙量可達35kg/m3，年均輸沙16億噸，均為世界之最，素以地上懸河、易決、易淤、災頻而聞名，位處中游的黃土高原常年遭受沖刷，水流向下游輸送大量泥沙并產生堆積，導致下游逐漸變?yōu)榈厣蠎液樱瑖乐赝{河道下游附近居民的生命及財產安全。小浪底水庫調水調沙工作的開展，使得下游河槽中的泥沙得以沖刷入海，隨之造成河道形態(tài)的改變，直接影響到河道輸沙能力以及排洪能力，給下游洪澇災害的防治以及灘地利用造成一定的影響，一向是黃河下游河床演變研究的熱點之一。本文在分析小浪底水庫的運用對下游河道沖淤量影響的基礎上，探討下游河道斷面的形態(tài)變化過程，總結小浪底水庫運用對調水調沙工作的效果，旨在為水庫運用、河道泥沙治理以及防洪減災提供一定的依據。

2.水庫運用對河段下游沖淤量變化特征的影響

2.1 對沖淤量的沿程變化特征的影響

根據河段河床演變特征及平面形態(tài)特點，將黃河下游劃分為三個典型河段以探討其沖淤量的沿途變化特征，典型河段分別為游蕩型河段、由游蕩段向彎曲段過渡的過渡型河段和彎曲型河段。小浪底建成前后黃河下游河道各典型河段汛期與非汛期的沖淤量見表1，小浪底水庫建成并投入使用之前，游蕩型河段在非汛期主要表現(xiàn)為沖刷，累積沖刷量29.92億m3，汛期淤積較為嚴重，累積沖淤量達46.85億m3；過渡型河段非汛期與汛期均存在淤積，但淤積量較少，分別為7.09億m3和4.85億m3；彎曲型河段非汛期淤積，汛期沖刷，淤積量分別為17.15億m3和-11.58億m3。

表1 小浪底運用前后黃河下游河道沿程沖淤量（單位：億m3）

小浪底水庫投入使用后，黃河下游河道全年出現(xiàn)沖刷，其中游蕩段沖刷量最大，為13.4億m3，汛期與非汛期沖刷量分別為6.5億m3和6.9億m3，差異不顯著；過渡段的沖刷程度小，且以汛期沖刷為主，沖刷量2.4億m3，占全年沖刷量88.9%，彎曲段沖刷發(fā)生在汛期，沖刷量為3.4億m3。

2.2 對調水調沙期間沖淤特點的影響

小浪底水庫自2002年7月4日初次開展調水調沙工作以來，至2014年共進行了18次的調水調沙工作。調水調沙期間下游河道沖刷效率如圖1所示。可見下游沖刷效率整體在波動中下降，主要是由于影響河道沖刷的因素除來水來沙量及河床形態(tài)外，還有河床的粗化，當入流量小于粗化層所對應的最大流量時，粗化層很難被揭穿，水流難以從河床中補充細泥沙顆粒，從而造成下游河床沖刷效率的減弱。

3.黃河下游河道斷面的形態(tài)變化特征分析

河流斷面的形態(tài)改變主要體現(xiàn)為平灘水位、平灘河寬、平攤面積和寬深比等河槽斷面特征參數的變化。本文選擇花園口、高村、利津三個水文站斷面分別作為游蕩段、過渡段、彎曲段的代表性斷面來進行分析討論。

圖1 調水調沙期間黃河下游河道沖刷效率

3.1 游蕩段形態(tài)變化特征分析

以花園口站為例研究黃河下游游蕩段斷面形態(tài)變化，各代表斷面的形態(tài)特征差異見圖2。花園口的平灘水深在所選擇四個典型年中，1999年水深最小，為0.8m，此后又上升至2.2m，上升幅度175.00%；平灘河寬的變化趨勢與平均水深相似，由1999年1480m增至2015年的2501m，增幅68.99%。平攤面積1999年為1184m2，至2015年增至5502m2，增幅364.70%。寬深比在1999年達48.09 m-0.5，此后又下降至2015年的22.73 m-0.5，減幅52.7%。花園口的斷面特征參數出現(xiàn)此種變化趨勢，主要是由于1999年小浪底建成初期，水庫需要大量存蓄水以補充庫容，下游河道來水量減少，此后河槽受到持續(xù)沖刷，游蕩段斷面既存在顯著的橫向展寬，又存在垂向沖刷下切。

3.2 過渡段形態(tài)變化特征分析

以高村站水文觀測斷面為代表的黃河下游過渡段河槽形態(tài)特征變化見圖1。平灘水深在196 4 年為3.79m，水庫建成后減至1.62m，至2015年平灘水深又有明顯增加，增幅92.6%；平灘河寬于水庫建成初明顯減小，減幅56.5%，到了2015年，又增長至798m，增幅26.5%；平灘面積同樣在水庫建成后有明顯的減小，由1964年的5503m2減小至1999年的1022m2，減幅81.4%，2015年又增加為2490m2，增幅143.6%；寬深比由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，減幅41.7%。可以看出小浪底水庫投入使用后，過渡段不僅存在一定程度的橫向展寬，還伴有沖刷下切作用。

圖2 典型年代表斷面的河槽形態(tài)特征

3.3 彎曲段形態(tài)變化特征分析

以利津站水文觀測斷面為彎曲段典型斷面，分析河槽形態(tài)的變化特征，結果見圖2。與其他斷面相比，利津站的河槽斷面特征參數變化表現(xiàn)不明顯，平灘河寬自1964年至1999年由557m減少到367m，減幅為34.1%，在2015年又增至428m，增幅16.6%；平灘水深自1999年至2015年由3.15m增加至4.1m；平攤面積由1156m2增至2015年的1755m2，增幅為51.8%；寬深比在水庫建成后有微弱減少，由6.08降低至5.05，減幅16.9%，由此可見彎曲型河段斷面存在顯著的垂向沖刷，雖存在橫向展寬，但表現(xiàn)不明顯。

4.結論

（1）小浪底水庫投入使用后表現(xiàn)為較為穩(wěn)定的沖刷，其中游蕩段沖刷程度最大，主要發(fā)生在汛期，過渡段與彎曲段沖刷程度較小且差異不明顯。

（2）在小浪底水庫運用后，游蕩段斷面形態(tài)窄深，橫向展寬與垂向沖深均表現(xiàn)明顯；過渡段既有一定程度的橫向展寬，又伴隨著垂向沖深；彎曲段形態(tài)變化以垂向沖深為主，橫向展寬表現(xiàn)不明顯。