岳志春，苑希民，田福昌，張紅武

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黃河寧蒙河段近期水沙特性及沖淤過程研究

岳志春1, 2，苑希民1，田福昌1，張紅武3

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 寧夏防汛抗旱指揮部辦公室，銀川 750001；3. 清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

針對(duì)寧蒙河段近期水沙問題，以水力學(xué)及河流泥沙動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究河道水沙變化后河道沖淤臨界指標(biāo)．利用1952—2012年黃河寧蒙河段各水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料，系統(tǒng)分析了河段水沙變化特性，點(diǎn)繪出河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)關(guān)系，計(jì)算了不同河段河道臨界沖淤條件．結(jié)果表明：寧夏下河沿-青銅峽河段河道基本能維持沖淤平衡，青銅峽-石嘴山河段河道呈微淤趨勢(shì)，石嘴山-巴彥高勒河段沖淤調(diào)整量不大，內(nèi)蒙三湖河口-頭道拐河段隨著進(jìn)口流量的增加沖淤效率呈現(xiàn)淤積少—淤積多—淤積少—沖刷的變化特點(diǎn)；當(dāng)平均流量小于1000m3/s時(shí)，寧蒙河道發(fā)生淤積，隨著流量的增大，寧蒙河道處于沖刷的狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)口站含沙量小于7kg/m3時(shí)，寧蒙河段基本表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，當(dāng)含沙量大于7kg/m3時(shí)，寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0034kg·s/m6，內(nèi)蒙古巴彥高勒至頭道拐河段汛期臨界來沙系數(shù)為0.0045kg·s/m6，內(nèi)蒙河道河道汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)大于寧夏河道．

水庫聯(lián)調(diào)；水沙特性；沖淤；臨界來沙系數(shù)

1986年，龍劉兩庫聯(lián)調(diào)以來，一定程度上改變了黃河寧蒙河段河道天然水流過程，水庫下游水沙量年內(nèi)分配發(fā)生了變化，汛期洪峰繼續(xù)削減，枯水流量歷時(shí)延長(zhǎng)，非汛期水量增加主要發(fā)生在12月到次年3月，致使寧蒙河道淤積萎縮、防洪防凌問題凸顯[1-3]．

近些年來，很多學(xué)者對(duì)寧蒙河段水沙進(jìn)行了大量的研究．姚文藝等[4]利用龍羊峽、劉家峽水庫出庫水沙定位資料，基于河流動(dòng)力學(xué)原理，分析了水庫運(yùn)用對(duì)徑流泥沙過程的調(diào)節(jié)作用極其影響，表明水庫運(yùn)用對(duì)水沙關(guān)系動(dòng)力學(xué)機(jī)制的影響主要?dú)w因于重新調(diào)整了挾沙水流的平衡條件，實(shí)現(xiàn)挾沙水流的平穩(wěn)狀態(tài)，使水沙關(guān)系發(fā)生相應(yīng)變化．李子文等[5]分析了2012年洪水水沙特征，通過計(jì)算推移質(zhì)輸沙量和比較斷面河底變化，探討了粗泥沙對(duì)河底調(diào)整的影響，表明2012年內(nèi)蒙古河道洪水造成粗泥沙在上游段沖刷、下游段淤積，固定低水位下過流斷面存在漲沖落淤的規(guī)律．李二輝等[6]應(yīng)用Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)，流量歷時(shí)曲線法、雙累積曲線法等方法對(duì)黃河干流陜縣站和河口鎮(zhèn)站1919—2010年徑流量演變過程進(jìn)行了分析，區(qū)域面平均降水量趨勢(shì)性變化不顯著，而上游(河口鎮(zhèn)站以上)及中游(河口鎮(zhèn)-陜縣)年徑流量自1985年以來呈顯著減少趨勢(shì)，中游徑流量的降幅高于上游．黃河徑流量變化具有明顯階段性，上游和中游徑流量變化都經(jīng)歷了枯水期—豐水期—枯水期3個(gè)時(shí)期．董占地等[7]采用了黃河上游寧蒙河段各水文站1965—2004年實(shí)測(cè)資料，詳細(xì)分析了寧蒙河段河道橫斷面形態(tài)變化過程及其與來水來沙的響應(yīng)關(guān)系，表明寧蒙河段各典型斷面具有平灘面積逐年減小和平灘寬深比逐年增加的趨勢(shì)，且平灘面積均隨年水量的增加呈增加趨勢(shì)．林秀芝等[8]分析了黃河內(nèi)蒙古巴彥高勒-三湖河口(巴-三)和三湖河口-頭道拐(三-頭)河段洪水期沖淤變化與水沙組合因子的響應(yīng)關(guān)系，結(jié)果表明兩河段洪水期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系最密切．張厚軍等[9]分析了1973—2005年寧蒙河段汛期場(chǎng)次洪水的沖淤特性、沖淤效率與下河沿?cái)嗝嫠沉恐g的關(guān)系．冉大川等[10]根據(jù)1950—2010年水沙實(shí)測(cè)資料，通過構(gòu)建非線性響應(yīng)模型，辨識(shí)了水沙變化主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子，定量評(píng)估了多因子對(duì)黃河上游頭道拐水沙變化的貢獻(xiàn)率，結(jié)果表明今后蘭州以上徑流變化和蘭州至頭道拐區(qū)間主要支流來沙變化兩大自然因素將是頭道拐水沙變化的主導(dǎo)因子；灌區(qū)引水和支流水土保持綜合治理減沙對(duì)頭道拐水沙變化的貢獻(xiàn)率將居主導(dǎo)地位．吳保生等[11]不同角度對(duì)來沙系數(shù)的物理意義進(jìn)行了探討．史紅玲等[12]利用黃河干流主要水文站近60年來的實(shí)測(cè)年徑流量及年輸沙量資料，采用M-K秩相關(guān)檢驗(yàn)法及秩和檢驗(yàn)法研究了黃河主要水文站來水量和來沙量的變化趨勢(shì)及其發(fā)生跳躍的年份．凌虹霞等[13]通過對(duì)黃河寧夏河段下河沿等3個(gè)水文站近60年來實(shí)測(cè)水文泥沙資料的分析，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析方法，研究了黃河寧夏河段水沙變化特性以及河道沖淤情況．

綜上所述，各學(xué)者對(duì)寧蒙河段河床沖淤演變進(jìn)行了大量的研究，但有關(guān)寧蒙河道水沙變化后河道沖淤過程及臨界指標(biāo)研究較少．本文利用1952—2012年黃河各水文站點(diǎn)實(shí)測(cè)資料，以水力學(xué)及河流泥沙動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了河段水沙變化特性，計(jì)算不同河段河道臨界沖淤條件，以期為大型水庫調(diào)節(jié)水沙過程提供技術(shù)支撐．

1?研究區(qū)概況

黃河寧蒙河段自寧夏中衛(wèi)市南長(zhǎng)灘入境，至內(nèi)蒙古托克托下游出境(如圖1所示)，全長(zhǎng)為1149.6km，約占黃河總長(zhǎng)的1/5，屬于黃河上游的下段. 受兩岸地形控制，形成峽谷河段與寬河段．根據(jù)河道形態(tài)和沖淤變化特征，寧夏段分下河沿-青銅峽(下-青)和青銅峽-石嘴山(青-石)兩個(gè)河段[14-15]．內(nèi)蒙段分石嘴山-巴彥高勒(石-巴)、巴彥高勒-三湖河口、三湖河口-昭君墳、昭君墳-頭道拐河段，天然情況下，寧蒙河道有緩慢抬升的趨勢(shì)．

圖1 ?黃河寧蒙河段示意

2?河段沖淤特點(diǎn)

從河段地理位置和條件看，下河沿-青銅峽河段比降大，長(zhǎng)時(shí)期河道基本能維持沖淤平衡，如表1所示，青銅峽-石嘴山河段河道基本呈微淤趨勢(shì)；石嘴山-巴彥高勒段峽谷居多，雖然有風(fēng)沙加入，沖淤調(diào)整量也不大．水庫下游的青銅峽-石嘴山和巴彥高勒-三湖河口河段有水庫下泄清水之利，以及河段靠上水流挾沙能力富余等因素，也在年內(nèi)一定時(shí)期保持沖刷狀態(tài)，而處于河道最下段的三湖河口-頭道拐河段來水泥沙多趨于飽和、河道比降小，更易于淤積[16].

表1? 寧蒙河道1952—2012年年均沖淤量年內(nèi)分布 108t

Tab.1 ?Annual distribution of annual amount of scouring and siltation in the Ningxia-Inner Mongolia reach from 1952 to 2012

注：正方向表示淤積；負(fù)方向表示沖刷．

從河段的輸沙特點(diǎn)來看，河段存在一定的輸沙能力，經(jīng)過上游河段的調(diào)整，進(jìn)入該河段的水沙搭配相對(duì)穩(wěn)定(如圖2所示)．由統(tǒng)計(jì)的河段非漫灘洪水的沖淤情況可見，該河段沖刷的臨界水沙條件大致在洪水期平均流量2000m3/s以上、含沙量在10kg/m3以下．從寧蒙河道各河段在低含沙量條件下各流量級(jí)的沖淤調(diào)整規(guī)律可見，三湖河口-頭道拐河段隨著進(jìn)口(下河沿＋清水河)流量的增加沖淤效率呈現(xiàn)淤積少—淤積多—淤積少—沖刷的變化特點(diǎn)，500～1000m3/s正是淤積效率最高的流量級(jí)，這是低含沙量小流量水流從下河沿-頭道拐近1000km河段內(nèi)的正常演變，即存在“上沖下淤”的調(diào)整形式，在三湖河口以上沖刷的泥沙小流量無法挾帶出頭道拐，在河段尾部段三湖河口-頭道拐淤積(如圖3所示)．

從河段分時(shí)段來看，1986年，龍羊峽、劉家峽聯(lián)調(diào)下，下河沿站作為黃河干流進(jìn)入寧蒙河段水沙量控制站，1952—1968年(運(yùn)用年)，汛期水量占全年比例為61.8%，汛期沙量占全年比例為87.1%，汛期平均含沙量為8.9kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0057kg·s/m6；1969—1986年，汛期水量占全年比例為53.1%，汛期沙量占全年比例為83.6%，汛期平均含沙量為5.3kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0042kg·s/m6；1987—2012年，汛期水量占全年比例為42.7%，汛期沙量占全年比例為77.9%，汛期平均含沙量為4.7kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0057kg·s/m6．巴彥高勒站為黃河干流進(jìn)入內(nèi)蒙河段水沙量控制站，1952—1968年(運(yùn)用年)，汛期水量占全年比例為62.9%，汛期沙量占全年比例為84.6%，汛期平均含沙量為9.1kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0068kg·s/m6；1969—1986年，汛期水量占全年比例為53.0%，汛期沙量占全年比例為75.6%，汛期平均含沙量為5.1kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0054kg·s/m6；1987—2012年，汛期水量占全年比例為38.1%，汛期沙量占全年比例為57.2%，汛期平均含沙量為5.6kg/m3，汛期來沙系數(shù)為0.0121kg·s/m6．

圖2 ?寧蒙河道代表站水沙搭配

圖3? 低含沙量條件下分河段各流量級(jí)沖淤效率

由此可見，1987年以來，寧蒙河段汛期水、沙量占全年比例均大幅度減小，雖然汛期平均含沙量變化不大，但是由于來水少，平均流量小，導(dǎo)致來沙系數(shù)增大明顯，特別是巴彥高勒站來沙系數(shù)增大1倍，水沙關(guān)系惡化，這也是巴彥高勒至頭道拐河段主槽大量淤積的主要原因之一．

3 ?不同水沙條件下河道沖淤特性

3.1?不同量級(jí)流量沖淤特性

通過對(duì)寧蒙河道非漫灘洪水不同流量、不同含沙量的洪水沖淤資料分析，河道沖淤與水流條件關(guān)系非常密切，在來沙條件相同的條件下，河道沖刷量隨著平均流量的增大而增大，如表2所示．

在平均流量小于1000m3/s時(shí)，寧蒙河道基本上呈淤積狀態(tài)，如圖4所示，隨著平均流量增大到1000～1500m3/s時(shí)，在含沙量小于7kg/m3時(shí)，寧蒙河道長(zhǎng)河段發(fā)生沖刷，河道場(chǎng)次洪水平均沖刷0.035×108t，主要集中在寧夏下河沿-石嘴山河段，場(chǎng)次洪水平均沖刷量為0.03×108t，內(nèi)蒙古石嘴山-頭道拐河段呈微沖狀態(tài)，場(chǎng)次洪水平均沖刷量為0.005×108t，如圖5所示．

圖4 洪水期平均流量小于1000m3/s時(shí)河段沖淤量對(duì)比

圖5 洪水期平均流量1000～1500m3/s時(shí)河段沖淤量對(duì)比

當(dāng)平均流量在1500～2000m3/s時(shí)，該流量級(jí)下寧蒙河段場(chǎng)次洪水沖刷量有所增大，場(chǎng)次洪水平均增大到0.139×108t，沖刷仍主要集中在寧夏河段，平均沖刷量為0.089×108t，其中下河沿-青銅峽、青銅峽-石嘴山場(chǎng)次洪水平均沖刷量分別為0.036×108t和0.052×108t．內(nèi)蒙古河段該流量級(jí)也是沖刷的，場(chǎng)次洪水沖刷量值為0.05×108t，沖刷主要集中在巴彥高勒-三湖河口河段，平均沖刷量為0.049×108t，三湖河口-頭道拐河段場(chǎng)次洪水平均沖刷量為0.016×108t，如圖6所示．

表2? 寧蒙河道不同流量級(jí)條件下不同含沙量級(jí)的洪水沖淤情況

Tab.2 ?Flood scouring and siltation situation of different sediment concentration levels under different flow levels in the Ningxia-Inner Mongolia reach

注：正方向表示淤積；負(fù)方向表示沖刷．

圖6 洪水期平均流量1500～2000m3/s時(shí)河段沖淤量?對(duì)比

當(dāng)平均流量在2000～2500m3/s時(shí)，寧蒙河道長(zhǎng)河段場(chǎng)次洪水沖刷量增大到0.245×108t，且沖刷主要集中在石嘴山-頭道拐河段，平均沖刷量為0.139×108t，寧夏河段場(chǎng)次洪水平均沖刷量為0.105×108t．該流量級(jí)洪水條件下，寧蒙河道下河沿-青銅峽、青銅峽-石嘴山、石嘴山-巴彥高勒、巴彥高勒-三湖河口和三湖河口-頭道拐等河段均發(fā)生沖刷，如圖7所示．

圖7 洪水期平均流量2000～2500m3/s時(shí)河段沖淤量對(duì)比

當(dāng)平均流量大于2500m3/s時(shí)，寧蒙河道場(chǎng)次洪水沖刷量略有增大，達(dá)0.253×108t，其中寧夏河段、內(nèi)蒙古河段均為沖刷，平均沖刷量分別為0.113×108t和0.140×108t，如圖8所示．

分析可看出，對(duì)于來沙含沙量級(jí)在7～10kg/m3時(shí)，在流量小于2500m3/s時(shí)，寧夏河道都是處于淤積狀態(tài)；而當(dāng)流量大于2500m3/s時(shí)，內(nèi)蒙古河段呈沖刷狀態(tài)，場(chǎng)次洪水平均沖刷量為0.205×108t；含沙量大于10kg/m3時(shí)，寧蒙河道各流量級(jí)都是淤積的[17]，由于河道發(fā)生淤灘刷槽，雖然場(chǎng)次洪水呈淤積狀態(tài)，但淤積發(fā)生在灘地，沖刷主槽對(duì)行洪極為有利．

圖8 洪水期平均流量大于2500m3/s時(shí)河段沖淤量對(duì)比

3.2 ?不同量級(jí)含沙量沖淤特性

寧蒙河段洪水沖淤不僅與來水條件有關(guān)，而且與來沙條件關(guān)系密切[17]．以含沙量表征來沙條件的指標(biāo)，以洪水期平均流量大小代表水流條件，統(tǒng)計(jì)寧蒙河道非漫灘洪水河道沖淤量．結(jié)果表明：寧蒙河段當(dāng)進(jìn)口站(下河沿＋清水河＋苦水河＋十大孔兌)含沙量小于7kg/m3時(shí)，寧蒙河段發(fā)生沖刷，并且隨著洪水期平均流量的增加，沖刷量明顯增大；當(dāng)含沙量大于7kg/m3時(shí)，寧蒙河段發(fā)生淤積，并且隨著含沙量的增大，河道淤積量明顯增大；在相同含沙量條件下，隨著平均流量的增加，淤積量有所減小，如含沙量為7～10kg/m3的洪水，當(dāng)流量為1000～1500m3/s時(shí)，寧蒙河段場(chǎng)次洪水淤積量為0.057×108t；隨著流量增大到2000～2500m3/s時(shí)，河道淤積量有所減少，平均沖刷0.026×108t；當(dāng)流量大于2500m3/s時(shí)，場(chǎng)次洪水平均淤積量?jī)H為0.067×108t．

從寧蒙河段場(chǎng)次洪水沖淤量與進(jìn)口含沙量的關(guān)系圖可以看出，隨著洪水期平均含沙量的增加，寧蒙河道由沖刷逐漸轉(zhuǎn)為淤積，如圖9所示．當(dāng)洪水平均含沙量小于7kg/m3時(shí)，寧蒙河段表現(xiàn)為沖刷，當(dāng)洪水平均含沙量大于7kg/m3時(shí)，寧蒙河段表現(xiàn)為淤積．場(chǎng)次洪水臨界來沙系數(shù)在0.0035～0.0046kg·s/m6之間．

圖9 ?寧蒙河段洪水期河道沖淤量與含沙量關(guān)系

4?汛期河道沖淤量與來沙系數(shù)關(guān)系

寧蒙河道經(jīng)受了不同水沙條件下的沖淤演變，據(jù)長(zhǎng)時(shí)段1952—2012年實(shí)測(cè)資料，考慮區(qū)間主要支流和引水引沙及風(fēng)沙等因子[18]，其中寧夏河段下河沿-石嘴山河段支流包括清水河(泉眼山)、苦水河(郭家橋)、紅柳溝(鳴沙洲)；引水渠主要包括秦渠(青銅峽)、漢渠(青銅峽)、唐徠渠(青銅峽)站，內(nèi)蒙古河道主要支流為毛不拉溝(圖格日格)、西柳溝(龍頭拐)、罕臺(tái)川(紅塔溝)，引水渠主要有巴彥高勒總干渠、沈?yàn)醺汕?、南干渠[19]．

4.1?寧夏河道汛期沖淤量與水沙系數(shù)關(guān)系

根據(jù)以上站點(diǎn)資料，點(diǎn)繪出下河沿-青銅峽段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)關(guān)系，如圖10所示，圖10(a)為不考慮區(qū)間水沙量得到的結(jié)果，圖10(b)為考慮區(qū)間水沙量得到的結(jié)果．

圖10? 下河沿-青銅峽河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

可以看出，兩種情況下汛期沖淤量與來沙系數(shù)數(shù)據(jù)點(diǎn)較為散亂，兩者之間沒有明顯的規(guī)律性，主要原因?yàn)榍嚆~峽水庫位于該河段內(nèi)，對(duì)該河段的沖淤有明顯的調(diào)節(jié)作用．

同理，點(diǎn)繪出青銅峽-石嘴山河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系，如圖11所示．

圖11 青銅峽-石嘴山河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)關(guān)系

可知，汛期單位水量淤積量與來沙系數(shù)之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，單位水量沖淤量隨來沙系數(shù)的增大而增大，而當(dāng)來沙系數(shù)較小時(shí)還可能發(fā)生沖刷，單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系式如下．

同理，下河沿-石嘴山河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系如圖12所示，關(guān)系式如下．

不考慮區(qū)間入?yún)R水沙、不沖不淤時(shí)的臨界來沙系數(shù)為0.0026kg·s/m6，即當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于2.6kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間入?yún)R水沙、不沖不淤時(shí)的臨界來沙系數(shù)為0.0034kg·s/m6，即當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于3.4kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間入?yún)R水沙條件所得參數(shù)的回歸式(4)，較采用不考慮區(qū)間入?yún)R水沙條件所得參數(shù)的回歸式(3)的精度略高．

圖12 下河沿-石嘴山河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)關(guān)系

4.2?內(nèi)蒙古河道汛期沖淤量與水沙系數(shù)關(guān)系

巴彥高勒-三湖河口河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系式如下，如圖13所示．

可得不考慮區(qū)間入?yún)R水沙臨界來沙系數(shù)為0.0049kg·s/m6，當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于4.9kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間入?yún)R水沙臨界來沙系數(shù)為0.0048kg·s/m6，當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于4.8kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間入?yún)R水沙條件所得參數(shù)的回歸式(6)，較采用不考慮區(qū)間入?yún)R水沙條件所得參數(shù)的回歸式(5)的精度略高．

圖13 巴彥高勒-三湖河口河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

三湖河口-頭道拐河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系式如下，如圖14所示．

可得不考慮區(qū)間入?yún)R水沙臨界來沙系數(shù)為0.0029kg·s/m6，當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于2.9kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間水沙臨界來沙系數(shù)為0.0040kg·s/m6，當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于4.0kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間入?yún)R水沙條件所得參數(shù)的回歸式(8)，較采用不考慮區(qū)間水沙條件所得參數(shù)的回歸式(7)的精度明顯提高．這一結(jié)論與有關(guān)專家研究成果黃河寧蒙河段區(qū)間支流來沙量與干流淤積量的相關(guān)性較強(qiáng)，是影響寧蒙河段淤積的主要因素之一[20-23]等保持一致.

圖14 三湖河口-頭道拐河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

巴彥高勒-頭道拐河段汛期單位水量沖淤量與來沙系數(shù)的相關(guān)關(guān)系式如下，如圖15所示．

可得不考慮區(qū)間水沙臨界來沙系數(shù)為0.0033kg·s/m6，當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于3.3kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷；考慮區(qū)間水沙臨界來沙系數(shù)為0.0045kg·s/m6，當(dāng)來流量為1000m3/s時(shí)，來流含沙量大于4.5kg/m3則河道淤積，反之則河道沖刷．比較兩式可以看出，采用考慮區(qū)間水沙條件所得參數(shù)的回歸式(10)，與采用不考慮區(qū)間水沙條件所得參數(shù)的回歸式(9)的精度差別不大，主要原因?yàn)橐持皇怯绊憣幟珊拥烙俜e的一個(gè)因素，但不是控制性因素[24]．

圖15 巴彥高勒-頭道拐河段汛期沖淤量與來沙系數(shù)的關(guān)系

4.3?分粒徑臨界來沙系數(shù)

4.4?寧蒙河道汛期臨界來沙系數(shù)

將以上得到的各沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別列表，如表3所示．從青銅峽至石嘴山段分界粒徑上看，粗、中、細(xì)沙分別為0.0006kg·s/m6、0.0006 kg·s/m6、0.0012kg·s/m6，細(xì)沙沖淤臨界來沙系數(shù)大于粗沙的．

從表3中可以看出，不考慮區(qū)間來沙時(shí)，寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0026kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時(shí)，寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0034kg·s/m6．不考慮區(qū)間來沙時(shí)，寧夏下河沿至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0026kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時(shí)，寧夏下河沿至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0034kg·s/m6．

表3? 寧蒙河道汛期沖淤臨界來沙系數(shù)結(jié)果 kg·s/m6

Tab.4 ?Results of the coefficient of sedimentation and sedimentation during the flood and deposition of the Ningxia-Inner Mongolia reaches

注：下河沿-青銅峽暫時(shí)沒有明顯規(guī)律性．

內(nèi)蒙河道巴彥高勒至三湖河口段不考慮區(qū)間來沙時(shí)，汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0049kg·s/ m6；考慮區(qū)間來沙時(shí)，巴彥高勒至三湖河口河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)為0.0048kg·s/m6．不考慮區(qū)間來沙時(shí)，內(nèi)蒙三湖河口至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0029kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時(shí)，三湖河口至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0040kg·s/m6．不考慮區(qū)間來沙時(shí)，內(nèi)蒙巴彥高勒至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0033kg·s/m6；考慮區(qū)間來沙時(shí)，巴彥高勒至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0045kg·s/m6．內(nèi)蒙古河道的汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)大于寧夏河道，說明內(nèi)蒙古河道的汛期輸沙能力大于寧夏河道[25-26]．

5? 結(jié)?論

(1) 寧夏下河沿-青銅峽河段比降大，長(zhǎng)時(shí)期河道基本能維持沖淤平衡；青銅峽-石嘴山河段河道呈微淤趨勢(shì)，石嘴山-巴彥高勒河段峽谷段居多，沖淤調(diào)整量不大；水庫下游的青銅峽-石嘴山和巴彥高勒-三湖河口河段在年內(nèi)一定時(shí)期能夠沖刷；內(nèi)蒙三湖河口-頭道拐河段隨著進(jìn)口(下河沿＋清水河)流量的增加沖淤效率呈現(xiàn)淤積少—淤積多—淤積少—沖刷的變化特點(diǎn)，500～1000m3/s正是淤積效率最高的流量級(jí)，在三湖河口以上沖刷的泥沙小流量無法挾帶出頭道拐，在河段尾部段三湖河口-頭道拐淤積．

(2) 洪水期平均流量小于1000m3/s時(shí)，寧蒙河道發(fā)生淤積，隨著流量增大到1000～1500m3/s時(shí)，在來沙含沙量小于7kg/m3時(shí)，寧蒙河道長(zhǎng)河段處于沖刷的狀態(tài)，當(dāng)流量在1500～2000m3/s時(shí)，寧蒙河段場(chǎng)次洪水沖刷量值有所增大，隨著流量進(jìn)一步增大到2000～2500m3/s時(shí)，寧蒙河道長(zhǎng)河段場(chǎng)次洪水沖刷增大0.245×108t；且沖刷主要集中在石嘴山-頭道拐河段，場(chǎng)次洪水平均沖刷量為0.139×108t，當(dāng)平均流量進(jìn)一步增大到大于2500m3/s時(shí)，寧蒙河道場(chǎng)次洪水沖刷量增大到0.253×108t．

(3) 寧蒙河段當(dāng)進(jìn)口站含沙量小于7kg/m3時(shí)，寧蒙河段基本表現(xiàn)為沖刷狀態(tài)，并且隨著洪水期平均流量的增加，沖刷量明顯增大．當(dāng)含沙量大于7kg/m3時(shí)，寧蒙河段基本表現(xiàn)為淤積，并且隨著含沙量的增大，河道淤積量明顯增大．場(chǎng)次洪水臨界來沙系數(shù)在0.0035～0.0046kg·s/m6之間．

(4) 內(nèi)蒙河道河道汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)大于寧夏河道．寧夏青銅峽至石嘴山河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0034kg·s/m6．內(nèi)蒙古巴彥高勒至頭道拐河段汛期沖淤平衡臨界來沙系數(shù)分別為0.0045kg·s/m6．青銅峽至石嘴山段汛期細(xì)沙、中沙、粗沙臨界來沙系數(shù)為0.0012kg·s/m6、0.0006kg·s/m6、0.0006kg·s/m6．

由于寧蒙河道邊界條件復(fù)雜，河床組成較粗，本次僅僅依據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)初步分析了黃河寧蒙河段近期水沙特性及沖淤臨界，下一步應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)觀測(cè)，系統(tǒng)研究，提高認(rèn)識(shí)水平，為寧蒙河段的開發(fā)提供科學(xué)的技術(shù)支撐．

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Study of the Characteristics of Water and Sediment and the Scouring and Siltation Processes in the Ningxia-Inner Mongolia Reach of the Yellow River

Yue Zhichun1,2，Yuan Ximin1，Tian Fuchang1，Zhang Hongwu3

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Flood Control and Drought Relief Headquarters Office in Ningxia，Yinchuan 750001，China；3. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China)

In view of the recent water and sediment problems in the Ningxia and the Inner Mongolia Reach，the critical indicators of river erosion and siltation after river water and sediment variation are studied，which is based on hydraulics and river sediment dynamics. Measured data of hydrological stations in the Ningxia-Inner Mongolia reach of Yellow River from 1952 to 2012 was used in the paper，the characteristics of water and sediment variation in the reach were systematically analyzed，and the relationship graph between incoming sediment coefficient and scouring and siltation amount per unit water during flood period was drawn in the paper. The results show the following：① the scouring and siltation amount of the Xiaheyan-Qingtongxia reach in Ningxia is basically balanced and ② the amount of the Qingtongxia-Shizuishan reach is slightly increased. As a result, the change of the Shizuishan-Bayangaole river sediment amount is not substantial. Furthermore，the siltation and siltation efficiency of Sanhuhekou-Tangdaoguai reach in Inner Mongolia has a new changing characteristics with the increase of the inlet flowrate，which is less sedimentation，less siltation，less sedimentation and erosion. When the average flow rate is less than 1000m3/s in the Ningxia-Inner Mongolia reach，the Ningxia-Inner Mongolia reach will be silted and this reach will be scoured with the increase of discharge. When the sediment concentration is less than 7 kg/m3，the Ningxia-Inner Mongolia reach will be scoured. When the sediment concentration is greater than 7 kg/m3，critical sediment coefficient of the Qingtongxia-Shizuishan reach in the Ningxia during flood period is 0.0034 kg·s/m6and critical sediment coefficient of the Bayangaole-Toudaoguaihekou reach in the Inner Mongolia during flood period is 0.0045 kg·s/m6. The critical sediment coefficient in the Inner Mongolia during flood period is bigger than this coefficient in the Ningxia during flood period.

reservoir intermodulation；characteristics of water and sediment；scouring and siltation；critical sediment coefficient

TV14

A

0493-2137(2019)08-0810-12

10.11784/tdxbz201803062

2018-03-20；

2018-10-09．

岳志春（1983—），男，博士研究生，高級(jí)工程師，zhichuncom@163.com.

苑希民，yxm@tju.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2018YFC1508403)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B14012)；科技部重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2014RA4031)；國(guó)家自然基金委創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(51621092).

the National Key Research and Development Program of China(No.2018YFC1508403)，the Program of Introducing Talents of Discipline to Universities(No.B14012)，the Fund for Key Research Area Innovation Groups of China Ministry of Science and Technology(No.2014RA4031)，the Science Fund for Creative Research Groups of the National Natural Science Foundation of China(No.51621092).

(責(zé)任編輯：王曉燕)