黃河寧夏段特大洪水中河相變化特征研究

2021-12-17 00:46:36李穎曼王樂宋天華王彥君馬良

人民黃河 2021年12期

李穎曼王樂宋天華王彥君馬良

摘要：黃河寧夏段受上游來水來沙變化等因素的影響，河道斷面會發生變化，最終會影響河道的過流能力。基于水文站實測數據分析黃河寧夏段主要斷面近幾十年來的過流面積變化特征，借助河相關系參數闡釋河槽過流能力的變化趨勢。在此基礎上，進一步研究黃河寧夏段典型斷面的水流弗勞德數變化規律。結果表明，石嘴山斷面形態及河相關系的變化相比于下河沿及青銅峽斷面更為顯著;代表斷面形態的河相關系參數與水流弗勞德數緊密相關，具體表現為下河沿、青銅峽斷面的流量與弗勞德數對應關系良好，整體優于寬淺型的石嘴山斷面。

關鍵詞：河相關系參數;弗勞德數;黃河寧夏段

中圖分類號：TV62;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.012

引用格式：李穎曼，王樂，宋天華，等.黃河寧夏段特大洪水中河相變化特征研究[J].人民黃河，2021，43（12）：57-62.

Abstract： It could be anticipated that the cross sections within Ningxia reach of the Yellow River followed a natural law by self-adjusting channel geometry to accommodate the associated changes of flow and sediment from upstream， which in turn could alter the channel capacity to delivering flow and sediment. The present study therefore aimed to analyze the spatial-temporal variability of main cross-sectional geometry within Ningxia reach of the Yellow River through using river gage records. Also， the channel capacity for discharging bank-full flow was analyzed with the aid of channel geometric parameter. Further， the variations associated with Froude number for flow passing through main cross sections was investigated in detail. The findings from the present study show that the changes of section morphology and river facies relationship in Shizuishan are more significant than that of Xiaheyan and Qingtongxia. The parameters of river facies relationship representing the section shape are closely related to the Froude number of flow， specifically， there is a good corresponding relationship between the discharge of Qingtongxia section and Froude number and it is better than the wide and shallow Shizuishan section as a whole.

Key words： channel geometric parameter; Froude number; Ningxia reach of the Yellow River

河相關系是河道經過一段時間調整后，河道斷面形態與其所在河段的流量、泥沙、河床變化等形成的某種定量關系。Kennedy[1]最先開始河相關系的研究并確定了穩定河床水力因子與流量之間的指數函數關系。隨后，Leopold等[2]基于美國平原河流數據，將穩定河床的河相關系擴展到了粒徑范圍較廣的天然沖積河流，并建立了河流形態參數及水力變量的平均值與流量之間的冪函數關系。Richards[3]認為當漫灘流量出現時可能會存在河相關系的非連續性，而且漫灘流量以下的河相關系參數與流量之間存在非線性的響應關系，基于此提出了二次對數關系式。這些早期的研究基本以水文經驗統計為主。近幾十年來，關于河相關系的研究出現了理論方法，如Parker[4]提出的河流穩定理論，即邊界上各處的泥沙在河槽平灘流量條件下都恰好處于臨界起動狀態。然而，由于理論方法對聯合求解的其他方程結構形式存在依賴性，因此現階段依靠理論方法得到的結果并不理想[5]。Singh[6]綜合相關研究發現，雖然目前有很多理論方法，但缺少有效率定數據造成這些方法難以比較與選擇，而且無論是理論方法還是經驗方法，在實際應用時都以Leopold、Richards等公式為基準。

另外，有研究表明，受氣候變化與人類活動等多種脅迫影響，黃河寧蒙河段水沙關系變化大，淤積嚴重[7]。在此背景下，不僅斷面的河相關系在變化，而且與其密切相關的河道過流能力也在重新調整。楊卓媛等[8]研究發現黃河尾閭段的斷面形態朝窄深方向發展，河相系數持續減小，沖刷時平灘流量增大。白濤等[7]分析得出了“黃河三湖河口斷面流量不斷減少、過流能力不斷下降”的結論。裴云等[9]通過對比分析發現，黃河內蒙古河段斷面流量和過流能力下降，河段呈緩慢淤積態勢。面對寧蒙河段小流量持續淤積的問題，有學者提出可考慮使用人造洪水來實現該河段不淤或沖刷。研究洪水過程中的斷面河相關系和過流能力具有重要意義[7]。

已有研究多側重于黃河下游河道，對黃河上游過渡河段的斷面變化研究相對較少[10]。

鑒于此，筆者以黃河寧夏段為研究對象，依據主要控制站（從上游到下游依次為下河沿、青銅峽、石嘴山水文站）的測量數據，采用特征參數法開展河道斷面變化特性研究，分析河道斷面與水流流態、斷面可蝕性的潛在關聯性，重點解析黃河歷史大洪水對寧夏河段斷面形態的塑造作用。另外，洪水特別是漫灘洪水對兩岸邊灘的水文連通、地形變化及動植物生長也會產生較大影響。因此，研究黃河寧夏段在歷史大洪水中的斷面形態響應對黃河中上游的河道整治、河道過流能力修復等具有重要的參考價值。

1 研究范圍

黃河上游寧夏段自中衛南長灘入境，至石嘴山麻黃溝出境，全長397 km，約占黃河總長的1/14，位于黃河“幾”字形河道發展區的前端，是承接黃河上游和中下游的過渡性河段[11]。該河段位于龍羊峽、劉家峽水庫下游，對兩座水庫的水沙調節影響最為敏感。相關研究表明，隨著大中型水庫的建設和運行，其下游河道斷面將受到一定影響[12]。受龍羊峽及劉家峽水庫水沙調控等因素的影響，黃河寧夏段及中下游河道響應水沙條件的變化，斷面會適應性調整。黃河上游于1981年發生了1949年以來最大的洪水事件，對當年在建的龍羊峽水電站施工圍堰以及蘭州、寧蒙、蘭包鐵路等均構成了嚴重威脅。另外，黃河寧夏段有3個控制水文站，即下河沿、青銅峽、石嘴山。3個站的數據（流量、過流面積、流速、水面寬度、水深、糙率等）較為完整，因此作為本次研究的代表性斷面。圖1給出了黃河寧夏段3個水文站在大洪水年份實測的斷面形態變化情況，上游的下河沿斷面在歷年的洪水作用下變化幅度較小，下游的石嘴山斷面形態變化較為劇烈，中段的青銅峽斷面形態變化介于兩者之間。

2 河道斷面變化的定量表達

河道斷面研究涉及內容較廣。一般而言，河道斷面變化多以平灘流量下的斷面尺寸等基本參數（如河槽斷面過流面積）來描述，在此基礎上，很多學者借助河相關系參數來描述斷面變化，該參數突出了水力要素與河道斷面要素之間的關系[13-17]。現簡要介紹本研究所采用的基本參數及分析方法。

2.1 河道斷面的河相關系參數

3 結果與分析

3.1 河相關系變化

圖2分別給出了代表性斷面河寬、水深及河相關系參數歷年變化情況。由圖2可以看出，1970—1980年下河沿河寬從236.8 m緩慢增大至246.0 m，1981年洪水作用后，該處河寬由原來的246.0 m突然增大至263.0 m，1981—1986年（龍羊峽水庫建成）維持在262.0 m左右，自1990年以來，該處斷面寬度顯著縮窄，2012年河寬為231.0 m，接近有資料記錄以來的最小值;青銅峽斷面河寬呈現明顯的臺階式變化特點，即1971年以前為450.00 m左右，1971年后突然降至350.0 m左右，1981年洪水未引起該處河寬發生明顯變化;石嘴山斷面河寬在1981年洪水作用下未發生變化，而近年來也呈現斷面縮窄的趨勢，即由2007年的397.0 m下降至2012年的320.0 m。

相比之下，3個斷面的水深變化幅度較小，下河沿的水深始終保持在6.1 m左右，青銅峽的水深由1965年的6.0 m左右緩慢增大到1981年的7.6 m，并延續至2012年。綜合分析這些斷面寬度及水深多年的變化趨勢可以看出，寧夏河段的3個斷面呈橫向縮窄的發展趨勢。

基于河寬與水深數據，這里給出了斷面河相關系參數隨時間的變化。如圖2（c）所示，自1968年劉家峽水庫投入運行以來，青銅峽與下河沿的河相關系參數變化較小，說明上游水庫調度使寧夏中上段河相關系的發展趨向穩定。自1981年來，青銅峽斷面處的河相關系參數最穩定（ 2.36 ～ 2.86）。相比而言，石嘴山處的河相關系參數年際間變化顯著，特別是在1990—2009年（盡管數據在2000年前后有間斷），其斷面河相關系參數由3.96增大到5.62后又回落至3.90，這間接說明石嘴山的河相關系有突變發生，盡管如此，從多年變化趨勢來看，石嘴山處的河相關系參數在緩慢減小，目前略低于多年平均水平。

3.2 弗勞德數變化

結合1981年黃河洪水實測資料，運用式（2）可得到下河沿、青銅峽、石嘴山的河寬、水深及流速均值與流量之間的關系。從圖3給出的擬合曲線可以看到，下河沿處水深、流速隨流量的增大而顯著增大，河寬也略有增加;青銅峽處河寬、水深及流速均隨流量增大呈明顯的增大趨勢;石嘴山處河寬、水深隨流量的增大快速增大，流速緩慢增大且與流量的關系相對較差。

圖4提供了1981年洪水過程下河沿、青銅峽、石嘴山斷面的流量（Q）與弗勞德數（Fr）之間的關系。顯然，不同斷面水流弗勞德數隨流量變化呈現不同的規律，下河沿與青銅峽處的弗勞德數隨流量的增大而增大，而石嘴山處的流量與弗勞德數之間的關系點據較為散亂。觀察這些斷面的形態變化可以發現，對于緊靠水庫下游的窄深型河道斷面（如1981年下河沿：B=263 m，H=6.45 m，ξ=2.51;1981年青銅峽：B=347 m，H=7.60 m，ξ=2.45），其流量與弗勞德數之間的關系規律性較強，對應關系較好;對于寬淺型河道斷面（如1981年石嘴山：B=366 m，H=5.40 m，ξ=3.54），流量與弗勞德數間的對應關系點據較為散亂。從河道演變的基本規律來說，水庫下游的窄深型斷面長期受到持續的強沖刷作用，河床的抗沖刷能力會隨時間的推移逐漸增強，

河道斷面的形態發展逐漸穩定，因此Q—Fr的變化呈現相似的規律;而以石嘴山為代表的寬淺型河道，其斷面形態年際變化較大（見圖2（c）），在不同尺度的洪水作用下，其Q—Fr變化特征截然不同。

通過以上分析可以發現，斷面的幾何形態與斷面水流的流態具有良好的關聯性。斷面的河相關系參數越小，說明斷面越趨向窄深的幾何形態，斷面處流量與弗勞德數之間的關系規律性越強;斷面的河相關系參數越大，意味著斷面形態偏向寬淺型發展，其隨時間的變化也將更為顯著，受此影響，當大尺度洪水作用于這類（寬淺）斷面時，流量與弗勞德數之間的關聯性偏差。

如圖4所示，1981年石嘴山處的水流弗勞德數與流量的對應關系異常散亂，這或許與兩方面的原因有關：一方面與斷面形態在洪水作用下的變化速率和泥沙顆粒組成及其抗沖刷性有關，例如岳志春等在分析石嘴山斷面形態變化時發現，在1981年洪水作用下，該處的深泓局部最大沖刷為4.84 m[19]，這一觀點也在當年的水文年鑒記錄中得到證實（青銅峽以上河床多為卵石或砂石，抗沖刷能力較強，而石嘴山斷面處以細沙為主，沖淤變化相對劇烈[20]），由圖1（c）也可以看出，石嘴山斷面的主河槽位置隨著沖淤變化在發生明顯的橫向移動;另一方面，根據Richards方法的要求，本文使用的是流速和水深的平均值，由圖3可知，石嘴山處的水深與流量的對應關系相對較好，而流速與流量的關系較為散亂，而且流速隨流量的變化幅度較小。繪制3個斷面在1981年洪水作用下的過流面積與流量的關系（見圖5），可以看出，石嘴山的過流面積隨著流量增大而迅速增大，增長最快，這說明由于物質組成偏細，因此河床與河岸在洪水過程中容易被侵蝕，沖刷侵蝕會產生額外的過流面積，正是該斷面易膨脹與收縮（易在漲水過程沖刷也易在落水過程淤積）的特性，造成流速隨流量的變化幅度較小。相反，若河床泥沙組成以粗顆粒為主（如青銅峽及下河沿斷面），其抗侵蝕的能力較強，則過流面積會隨著流量增大而緩慢增大，不會因沖刷侵蝕而增加額外的過流面積，在這種情況下，流速會迅速增大，由其得到的弗勞德數與流量的關系也更具規律性。

4 結論

（1）黃河寧夏段代表性斷面的河相關系參數與時間之間的關系表明，自1968年劉家峽水庫投入運行以來，青銅峽與下河沿的河相關系參數變化較小，石嘴山的河相關系參數年際變化較為明顯。觀測斷面的河寬在逐漸縮小，而水深卻在河寬明顯縮窄的情況下有增大趨勢，河道過流斷面朝著窄而深的方向發展。

（2）受Richards分析方法的啟發，分析流量與弗勞德數的關系發現，斷面的河相關系參數越小（即窄深型河道斷面）其流量與弗勞德數之間的關系規律性越強，斷面的河相關系參數越大（即寬淺型河道斷面）其流量與弗勞德數之間的關系規律性越弱。

（3）河道斷面的過流流量與弗勞德數的變化關系也依賴于斷面物質的構成，若斷面物質組成以抗沖刷性較強的卵石或砂石為主，則過流面積隨著流量增大而緩慢增大，流速會隨流量增大而迅速增大，弗勞德數與流量具有良好的對應關系;若斷面物質組成以易沖刷的細沙為主，則過流面積隨流量增大而快速增大，流速則會緩慢增大，弗勞德數與流量的關系則較為散亂。

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