黃河下游水庫河段整治對河道演變的影響研究

華艷紅

(太原市水利勘測設計院，山西 太原 030000)

0 引言

水庫建設引起的河道格局變化是河道整治領域的重要問題，河道改道時，可引起地下水和地表水的流動發生變化，增加附近地區的洪水風險，嚴重時可導致土壤侵蝕和坍塌，為探求河道演變的規律，學者們進行了多方面研究。李宗盟等[1]研究了洪汝河大洪河段人工裁彎對河道演變的影響，研究結果表明：裁彎取直導致大洪河段河道長度銳減，河道比降增加；田福昌等[2]對基于分形理論的黃河內蒙古段河勢演變特征及其與凌汛災害關聯進行了研究，研究結果表明：冰壩災害更易發生于主槽偏移擺動大、蜿蜒曲折、河灣發育程度高的寬淺型彎曲河道；徐凌等[3]對考慮河勢演變長江永安堤治理工程優化進行了分析，分析結果表明：河道沖刷導致岸坡變陡，威脅到已護工程的安全，應采取相應工程措施保障河勢；馬繼東[4]對黑沙洲河段河勢演變對河道內崩岸區的影響進行研究，研究結果表明：黑沙洲河段江洲眾多，左右汊分流比波動較大，對河道內崩岸區影響較大；李軍等[5]對松花江哈爾濱河段河床演變過程及特點進行了研究，研究結果表明：哈爾濱河段斷面形態變化較小，僅在橋梁工程附近發生了局部高程變化；王瑩[6]對閩江下游感潮河段水動力時空變化模擬進行了分析，分析結果表明：大潮期比小潮期潮流界上溯距離延長10km，大潮期各斷面水位高值差值在0.5m左右。

以上學者對各河段河勢演變進行了研究，分析了河床演變特征和人工裁彎對河道演變的影響。本文通過對黃河下游河段的河流模式進行判別，分析河段的彎度、主流游蕩范圍和寬深比以及水條件對河道演變的影響。

1 研究區概況

黃河下游河段總體可分為3類：游蕩河段、曲流河段和過渡河段(介于游蕩河段和曲流河段之間)，游蕩河段由鐵謝村至伊洛河口(T-Y河段)、伊洛河口至花園口(Y-H河段)、花園口至黑崗口(H-H河段)5段組成，黑崗口至夾河灘(H-J河段)，夾河灘至高村(J-G河段)。本研究的重點是T-Y河段、H-H河段和J-G河段，分別位于游蕩河段的頭部、中部和后部。

黃河下游有2座大型水庫：1957年建成的三門峽水庫和2001年建成的小浪底水庫，三門峽水庫蓄水后，大部分泥沙淤積在水庫內，下游河段發生沖淤。三門峽水庫建設前，河道不規則，河道主流游蕩，該水庫于1957年建成，最初蓄水后，排出低含沙量的水，然后河道被嚴重沖刷，三門峽水庫開閘后，河道游蕩范圍受到一定限制，隨后游蕩范圍減小。1972年的河道整治力度比1960年要大，由于水庫的淤積，水庫的運行規則發生了變化，更多的泥沙被排入下游河段，從河道整治起，下游逐漸沉積了沉積物。1996—2009年，下游年-沉積量為3.62×108t，其中主河道沉積量占76.4%，其余為漫灘沉積量[7-8]。

小浪底水庫位于峽谷口，位于三門峽水庫下游，為黃河干流提供了1.39×109m3的大庫容。該水庫于2001年12月投入使用，從投入使用起，流入黃河下游的徑流和泥沙發生了相當大的變化，在汛期，上游的大部分徑流被蓄水用于防洪和發電，在非汛期排入下游，相比之下，上游的大部分沉積物都被阻擋在水庫中。自2002年以來，對水和沉積物進行了調節，作為該程序的一部分，部分細沉積物從水庫中排出，在一年中的大部分時間里，清水或低含沙量的水流經下游河道。

直到2013年，黃河下游的河床平均被沖刷了2m，河道的橫截面形狀顯示出狹窄、深的特征。游蕩范圍已開始受到管制。此外，改進后的河道整治工程限制了相對整治工程之間區域的主流，從而限制了游蕩范圍。1987年，河道整治工程未完成，主河道未得到控制，2004和2010年，隨著小浪底水庫的運行和河道整治工程的改進，河道被限制在河道整治工程沿線，從而變得更加穩定。

1.1 研究方法

在湖沼學中，河流模式分為直河、辮狀河和曲流河，辮狀河包括游蕩河。游蕩的河流在國內有著特殊的重要性，河道坡度、中值直徑、彎曲度和寬深比是判別河流形態的一般參數，而河流模式可通過許多參數的各種方程來區分。

主流徘徊區間是指主流在任何一年中的搖擺區間，主流游蕩范圍與河流格局的關系可由以下方程表示：

(1)

式中，B—與滿岸流量對應的河道寬度，m；?—河型指數，游蕩河?<0.01‰，辮狀河?<0.5‰，曲流河?<50‰，平直河?≥50‰；ΔBmax是一年內的主流漂移范圍，m。

根據黃河下游的平均岸邊流量寬度和?值，ΔBmax可作為指標：游蕩河ΔBmax≥300m，辮狀河ΔBmax≤300m，曲流河ΔBmax<100m。

2 研究結果與分析

2.1 基于單個因素的判別結果

3個研究河段的彎度、主流游蕩范圍和寬深比參數如圖1所示。

圖1 1970—2019年典型河段的彎曲度

這表明，自1970年以來，彎度逐年增加，主流漂移范圍和寬深比均有所下降。

在圖1中，研究河段的彎曲度小于1.3，表明這3個河段不是彎曲河道，而且曲折一直在逐漸增加，曲線上有許多極值點。1982年H-H河段的彎曲度為1.22，1986年J-G河段的彎曲率為1.25，1997年T-Y河段的彎曲程度為1.22。1981—1982年，H-H河段有3個彎道，但游蕩范圍分別為524.26和1267.93m，因此，彎曲段的長度增加了，彎曲度也增加了。在J-G河段，1985—1986年間，河流彎曲的數量從7個增加到9個，1986年的彎曲度基本相同。同樣，T-Y河段1996年有8個彎道，1997年有14個彎道，這導致了彎曲度的增加，而且曲線上的其他極值點也與河流彎曲的數量和游蕩范圍有關。

盡管所研究河段的彎曲度在1970—2019年間有所上升和下降，但總體趨勢是上升的。圖1b顯示了彎曲度的5a滾動平均值，顯示出上升趨勢，2010—2019年間，T-Y河段、H-H河段和J-G河段的平均彎度分別增加到1.21、1.17和1.29，這表明河流格局朝著曲流河的方向發展。

1970—2019年典型河段寬度和深度比如圖2所示。

圖2 1970—2019年典型河段寬度和深度比

2.2 水條件及其對河道演變的影響

徑流和泥沙是河道過程中的關鍵決定因素，在黃河中，河道邊界條件是影響河道演變的另一個重要因素。在本研究中，選擇年水量和輸沙量來分析它們與河型參數的關系。

自1970年以來，黃河下游的年流量一直在穩步下降，特別是自1995年以來，這種下降趨勢變得非常明顯。1970—1995年的年均水量為4.86×109m3，1995—2009年降至3.24×109m3，2010—2019年進一步降至2.57×109m3，僅為1970—1995年間的52.88%。因此，河流的流動動力學及其對河道的作用也減少了，同時主流的游走程度也有所下降。圖3(a)和3(b)分別顯示J-G河段的彎曲度和主流游蕩范圍與年水量之間的關系，其他2個河段遵循類似的模式。

圖3 水條件對河道演變影響

由圖3可知，在1970—2019年間，隨著年水量的減少，彎曲度增加，主流游蕩范圍減小，這表明河流變得更加穩定。圖中給出了對數回歸曲線和公式，回歸模型在>95%的置信水平下應用。

2.3 河道整治工程對河道動態影響

河道整治工程在河道整治中也發揮了重要作用，該工程改變了河道的邊界條件，并將主流限制在相對整治工程之間的河道內。1997年河道整治工程未完成時，河道是隨機的，2004和2010年河道整治工作得到改善時，河道受到了管制。圖2還顯示了2個拐點：在20世紀90年代初和2000年，T-Y河段和J-G河段。在這2個拐點之后的時期內，河道變得更加穩定。第二個拐點對應于小浪底水庫的運行，它改變了黃河下游的來水和泥沙條件。然而，第一個拐點對應于2個河段河道整治工程的改善，20世紀90年代初，計劃在T-Y和J-G河段修建河道整治工程，并改善了河道整治系統，同時，H-H河段的河道整治工程沒有得到改善，因此，在相同的水沙條件下，H-H河段的河道比其他2個河段表現出更多的游蕩性。

河道整治工程的控制作用可以體現在工程接觸主流的概率上，該控制作用不是全部的長度，而是與主流接觸并控制主流漂移的一部分。

工程接觸主流的概率是通過將主流接觸長度除以工程的總長度來估計的，而河道整治工程很難沿其全長觸及主流。因此如果主流接觸長度與工程總長度的比率大于2/3，則工程接觸主流的概率可以取為1，如果比率為0，則概率也為0。某一時間內的概率可以從以下公式中獲得：

P=∑Pi/n

(2)

式中，P—河道整治工程接觸主流的概率；Pi—第i年的概率；n—年份。

典型河道整治工程接觸主流的概率，如圖4所示。

圖4 典型河道整治工程接觸主流的概率

1992—2002年期間，T-Y河段工程的概率為67.2%，2003—2009年期間為96.8%。在J-G范圍內，1996—2002年期間工程的概率為59.7%，2003—2009年期間為100%。然而，H-H河段的河道整治工程效果不佳，因此接觸主流的概率較低。因此，在相同的水沙條件下，2003—2009年這2個河段的河道比H-H河段的河道更加穩定。

3 結論

通過對黃河下游河段的河流模式進行判別，本文研究了水庫河段整治對河道動態的影響，得到如下結論。

(2)河流年均水量2010—2019年降至2.57×109m3，僅為1970—1995年間的52.88%，在1970—2019年間，隨著年降水量的減少，彎曲度增加，主流游蕩范圍減小，河流變得更加穩定。在水沙條件相同的情況下，整治工程的改進有利于河道的穩定。

(3)由于研究課題較大，分析時段及數據分析仍不夠全面，因此研究結果尚需進一步研究。