張啟照　申紅彬　李新杰

摘要：根據(jù)內(nèi)蒙古河段近年來水來沙資料，采用沙量平衡法對(duì)河道淤積情況進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：受不利水沙變化影響，內(nèi)蒙古河段1960-2010年泥沙淤積總體呈增長趨勢(shì)，1986年前增長緩慢，1986年后急劇增長。利用以河床累計(jì)淤積量為特征變量的河床滯后響應(yīng)模型，分別采用單步解析與多步遞推模式對(duì)內(nèi)蒙古河段淤積情況進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明兩種模式的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值均基本吻合，確定性系數(shù)分別為0.993、0.957。

關(guān)鍵詞：滯后響應(yīng)模型：淤積模擬;泥沙;內(nèi)蒙古河段;黃河

中圖分類號(hào)：TV147;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.06.003

黃河內(nèi)蒙古段位于黃河上游，自內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市巴音陶亥入境至準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)出境，全長約830 km，穿越烏蘭布和、庫布齊沙漠，并有毛不拉、西柳溝、罕臺(tái)川等十大孔兌人匯，沿程分布有巴彥高勒、三湖河口、昭君墳、頭道拐水文站，是沙漠、河流交互影響的典型區(qū)域，也是黃河上游水沙變化及河床演變最為復(fù)雜的河段之一（見圖1）。內(nèi)蒙古河段沖淤變化既受上游來水來沙的影響，又與沿程孔兌水沙人匯情況有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自然情況下內(nèi)蒙古河段河床呈緩慢抬升趨勢(shì)，年均淤厚0.01 -0.02 m[l]。近幾十年來，受氣候變化、沙漠?dāng)U張以及河道引水等影響，特別是上游劉家峽、龍羊峽等大型水庫相繼建成并投入運(yùn)用，內(nèi)蒙古河段水沙條件逐步惡化，輸沙能力不斷下降，泥沙淤積加重，河槽持續(xù)萎縮，甚至出現(xiàn)了長達(dá)268 km的“新懸河”。由于暴露出來的問題日漸增多，因此內(nèi)蒙古河段的河道演變以及發(fā)展趨勢(shì)越來越引起人們的關(guān)注。

以往，河道沖淤計(jì)算主要根據(jù)泥沙守恒方程（Exner方程），構(gòu)建并數(shù)值求解基于物理過程的河流動(dòng)力學(xué)模型[2]。近些年來，吳保生[3-4]基于沖積河流自動(dòng)調(diào)整原理，認(rèn)為河床調(diào)整變化速率與其當(dāng)前狀態(tài)和平衡狀態(tài)之間的差值成正比，從而建立了河床演變的滯后響應(yīng)模型。目前，該模型已成功應(yīng)用于黃河一系列地貌演變過程的模擬，如：潼關(guān)高程變化、三門峽水庫淤積、平灘流量變化、小北干流及下游河道淤積等[5-9]。安晨歌等[10]通過對(duì)Exner方程進(jìn)行簡化封閉與解析求解，發(fā)現(xiàn)滯后響應(yīng)模型與Exner方程一階近似解具有相似的公式形式，從而為滯后響應(yīng)模型求解提供了一定的理論支撐。本文基于河床滯后響應(yīng)模型，以內(nèi)蒙古河段為例，分析計(jì)算該河段泥沙淤積過程。

1 基本模型

2 內(nèi)蒙古河段沖淤分析

2.1 來水來沙條件變化

內(nèi)蒙古河段進(jìn)口水文站巴彥高勒站1960年（運(yùn)用年）后水沙（徑流量、輸沙量、汛期水沙比例、來沙系數(shù)）變化情況見圖3，由圖3可知：①全年、汛期的徑流量、輸沙量總體均呈減少趨勢(shì)，且徑流量較輸沙量減幅大，水動(dòng)力條件明顯減弱;②受龍羊峽、劉家峽水庫調(diào)蓄影響，年內(nèi)汛期水沙分配比例不斷減小，特別是1986年龍羊峽水庫投入運(yùn)行以后，汛期水沙比例大幅減小;③受水沙變幅影響，全年、汛期的來沙系數(shù)總體均呈先增大后減小的趨勢(shì)，1998年來沙系數(shù)最大、水沙組合條件最為不利，1998年后來沙系數(shù)有所減小。

2.2 河道泥沙淤積情況

基于內(nèi)蒙古河段沿程水文站（巴彥高勒一頭道拐）實(shí)測(cè)輸沙資料，采用沙量平衡法計(jì)算出河道歷年淤積變化情況，見圖4。分析不同水文站（巴彥高勒、三湖河口）同流量（1000 m/s）水位逐年變化情況，見圖5。不同水文站斷面形態(tài)見圖6。

綜合圖4-圖6可以看出：受水沙總量減少及水沙組合惡化影響，內(nèi)蒙古河段泥沙淤積量總體呈增長趨勢(shì)。其中：1960-1986年增長緩慢，1986-2010年急劇增長;巴彥高勒與三湖河口站同流量（1 000 m/s）水位在1960-1986年有升有降，1986-2010年呈持續(xù)上升趨勢(shì)，這表明河道處于持續(xù)淤積狀態(tài)：巴彥高勒斷面河床總體呈淤積抬升趨勢(shì)，頭道拐斷面雖然形態(tài)變化劇烈，但是相對(duì)穩(wěn)定，主要原因是內(nèi)蒙古河段水沙經(jīng)沿程自動(dòng)調(diào)整，至頭道拐斷面時(shí)已接近均衡，而且頭道拐斷面所處河段屬峽谷型河道，對(duì)整個(gè)河段起到了侵蝕基準(zhǔn)面的作用。

3 內(nèi)蒙古河段淤積模擬

圖7為采用單步解析與多步遞推模式計(jì)算得到的巴彥高勒一頭道拐河段累計(jì)沖淤量變化情況，兩者模擬值與實(shí)測(cè)值的比較見圖8。由圖7、圖8可知：兩種計(jì)算模式得到的累計(jì)沖淤量與實(shí)測(cè)值均基本吻合，單步解析模式計(jì)算的累計(jì)沖淤量與實(shí)測(cè)值的確定性系數(shù)R2為0.993，多步遞推模式的R2為0.957。另外，巴彥高勒一頭道拐河段累計(jì)沖淤量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值均呈現(xiàn)出1986年前增長緩慢、1986年后急劇增長的趨勢(shì)。從河床滯后響應(yīng)模型角度分析，主要原因是：1986年前來水來沙條件變化相對(duì)不大，河道比降已與來水來沙條件基本適應(yīng)，河床平衡比降Je與初始河床比降Jo相差不大：1986年后受來水來沙條件惡化影響，對(duì)應(yīng)河床平衡比降J。急劇增大，與JO差值急劇增大，導(dǎo)致河道急劇淤積。

4 結(jié)論

（1）受不利水沙變化影響，內(nèi)蒙古河段1960-2010年泥沙淤積總體呈增長趨勢(shì)，1986年前增長緩慢，1986年后急劇增長。

（2）基于以河床累計(jì)淤積量為特征變量的河床滯后響應(yīng)模型，分別采用單步解析與多步遞推模式對(duì)內(nèi)蒙古河段淤積情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化過程基本吻合，其中單步解析模式計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的確定性系數(shù)為0.993、多步遞推模式的確定性系數(shù)為0.957。

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