張曉華 ，鄭艷爽 ，尚紅霞 ，豐 青

(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003； 2.黃河水利委員會黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003)

寧蒙河道為黃河上游流經(jīng)寧夏和內(nèi)蒙古自治區(qū)的黃河干流河段，是黃河沖積性河段之一（圖1[1]）。從長時期看，寧蒙河道有緩慢抬升的趨勢，同流量（2 000 m3/s）水位年均上升0.5～2.0 cm[2]。而20 世紀(jì)80 年代后期和90 年代，黃河水沙關(guān)系加劇惡化，河槽萎縮，洪水位普遍抬高[3]，嚴(yán)重威脅地區(qū)安全。尤其在內(nèi)蒙古的巴彥高勒-頭道拐河段形成新懸河，懸河段長達(dá)268 km，河床高程比磴口縣政府所在地高3 m、比臨河區(qū)高6 m、比五原縣高9 m、比烏拉特前旗高3 m[4]，同時在十大孔兌下游形成4 m高的支流懸河。懸河是河流下游嚴(yán)重淤積、河床抬高與人類為預(yù)防洪災(zāi)、約束水流在河道兩側(cè)不斷填土筑堤的產(chǎn)物[5]，已有研究提出懸河的形成因素[6]：（1）河水中必須挾帶大量直徑為0.01～0.25 mm的泥沙；（2）河水中必須有大部分水流的平均流速小于0.7 m/s；（3）河流必須具有足夠廣闊的可能被泛濫的面積。因此，研究懸河所在河段不同粒徑泥沙的沖淤演變特征，是揭示懸河產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)制的基礎(chǔ)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Map of study reach

目前對寧蒙河道不同粒徑泥沙運動規(guī)律的研究還比較薄弱，早期楊根生等[7-8]分析認(rèn)為長時期內(nèi)蒙古河段淤積中主要為來自沙漠的粒徑大于0.1 mm的粗泥沙；李學(xué)春等[9]探討了內(nèi)蒙古水文站各粒徑級泥沙的輸移能力，結(jié)果表明歷年洪水過程中分組沙與全沙呈較好的正相關(guān)關(guān)系；同流量過程中泥沙組成的變化將導(dǎo)致各級粒徑泥沙的輸移分配比例有所不同[10]；李婷等[11-12]分析了輸沙量及懸移質(zhì)組成的沿程變化，認(rèn)為懸移質(zhì)主要由細(xì)沙組成，粒徑大于0.1 mm的粗沙較少。細(xì)沙對河床沖淤演變產(chǎn)生的作用是暫態(tài)的，推懸交換的泥沙和推移質(zhì)造成的河床沖淤相對深遠(yuǎn)。秦毅等[13]研究表明粒徑為0.10～0.25 mm的泥沙活躍于沖淤過程，且內(nèi)蒙古河段上部的粗顆粒泥沙不易被水流長距離挾帶。安催花等[14]計算得出1987 年以來寧蒙河段泥沙淤積加重主要集中在汛期和小于0.1 mm的泥沙，大于0.1 mm的粗泥沙淤積量有所減少；張紅武等[15]運用泥沙運動理論，計算得到寧蒙河段河床大部分沙質(zhì)組成在水流強(qiáng)度較大時都有可能以懸移形式運移，并且隨著粒徑的減小呈懸移運動形式的比例增加，整體隨水流運移的泥沙量有所增加的結(jié)論。由此可見，目前寧蒙河道不同粒徑級泥沙輸移方面的研究主要集中在其與水流強(qiáng)度的關(guān)系，對河段不同粒徑泥沙在年內(nèi)和時期尺度上的沖淤調(diào)整特點還缺乏了解。本文針對這方面開展研究，同時結(jié)合水沙變化及水庫運用等因素的分析，初步分析各時期不同粒徑泥沙沖淤調(diào)整的原因，為寧蒙河道懸河治理提供基礎(chǔ)支撐。

1 河道基本概況

巴彥高勒-頭道拐河段是寧蒙河道的最下游段（圖1），河道分為巴彥高勒-三湖河口和三湖河口-頭道拐兩個河段。巴彥高勒-三湖河口段為黃河出峽谷后進(jìn)入的沖積平原區(qū)，河道寬淺，沙洲散亂，江心洲發(fā)育較少，是典型的游蕩型河道；黃河繞過烏拉爾山山嘴后為三湖河口-頭道拐河段，河道比降減小，河岸物質(zhì)中黏粒含量增多，河流相對窄深，河曲發(fā)育，河道由不同的大小弧形連接而成，為比較典型的彎曲河型[16]。巴彥高勒-頭道拐河段上段南部毗鄰庫布齊沙漠，冬春季形成風(fēng)沙入黃；下段北部為陰山山脈，南部10條支流（孔兌）匯入干流，孔兌上游為鄂爾多斯臺地砒砂巖出露的丘陵溝壑，常發(fā)生暴雨洪水經(jīng)中游庫布齊沙漠后形成高含沙洪水挾帶大量泥沙入黃，造成黃河河道淤堵。因此，巴彥高勒-頭道拐河段風(fēng)沙與水沙運動重疊、高低含沙量洪水交替發(fā)生，河道演變劇烈，是黃河上游防洪防凌的重點河段。

2 資料與研究方法

采用1959—2012 年長系列資料，對河道水沙條件影響較大的時間節(jié)點有1968 年劉家峽水庫的投入運用、1986 年龍羊峽和劉家峽水庫的聯(lián)合運用，以及沙量明顯減少的2000 年，將長系列分為1959—1968、1969—1986、1987—1999 和 2000—2012 年 4 個時期。

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究所用的干、支流水沙資料主要來源于水文站。干流水文站為河段進(jìn)口控制站巴彥高勒水文站、三湖河口站和出口控制站頭道拐站，三站均為黃河水利委員會所屬的國家重要水文站。支流水文站為西柳溝的龍頭拐站、毛不浪孔兌的圖格日格站和罕臺川的響沙灣站，三站均為內(nèi)蒙古自治區(qū)水文總局所屬的水文站。所用水文站資料都經(jīng)過統(tǒng)一整編刊印于歷年《中華人民共和國水文年鑒-黃河流域水文資料》，具有較好的代表性。十大孔兌中只有3條孔兌設(shè)有入黃控制站，其他缺少觀測的孔兌年沙量采用文獻(xiàn)[17]插補(bǔ)的結(jié)果。沿河沙漠風(fēng)沙入黃量采用參考文獻(xiàn)[18]的數(shù)據(jù)。

按泥沙粒徑劃分為細(xì)泥沙（d≤0.025 mm）、中泥沙（0.025＜d≤0.050 mm）、較粗泥沙（0.050＜d≤0.100 mm）和特粗泥沙（d＞0.100 mm），其中d＞0.050 mm的泥沙一般稱為粗泥沙。

2.2 計算方法

沙量平衡法沖淤量計算原理為，計算時段內(nèi)全部進(jìn)入河段沙量和全部輸出河段沙量之差為河段沖淤量。河段不同粒徑組泥沙沖淤量計算公式為：

式中：ΔWsi為第i組泥沙的河段沖淤量（億t）；Ws巴i為河段進(jìn)口巴彥高勒站第i組泥沙沙量（億t）；Ws孔兌i為十大孔兌第i組泥沙匯入量（億t）；Ws風(fēng)沙i為河段匯入的第i組風(fēng)沙沙量（億t）；Ws頭i為河段出口頭道拐站第i組泥沙沙量（億t）；i為泥沙粒徑分組，分別為細(xì)泥沙、中泥沙、較粗泥沙和特粗泥沙。分組沙沖淤量之和為全沙沖淤量。

除沖淤量外，分析中增加了沖淤比來表示沖淤程度，即同時段內(nèi)沖淤量與來沙量之比，不同粒徑組泥沙沖淤比計算公式為：

式中： γi為不同粒徑組泥沙沖淤比（%）；ΔWsi為第i組泥沙的河段沖淤量（億t）；Wsi為河段全部第i組進(jìn)入泥沙沙量（億t），Wsi=Ws巴i+Ws孔兌i+Ws風(fēng)沙i。全沙沖淤比計算相同。

3 河段來沙量的不同粒徑泥沙組成

統(tǒng)計1959—2012 年巴彥高勒-頭道拐河段各來源區(qū)的年均不同粒徑組沙量（表1），可得河段總來沙量及粒徑構(gòu)成，同時可計算出各粒徑組泥沙的來源構(gòu)成（圖2）?？梢?，多年平均河道年均總來沙量1.186 億t，其中0.948 億t來自巴彥高勒以上地區(qū)，占到總量的79.9%，且主要是細(xì)泥沙和中泥沙；0.197 億t來自十大孔兌，占16.6%，十大孔兌泥沙組成兩級分化，細(xì)泥沙和特粗泥沙較多；巴彥高勒-三湖河口河段的沿河入黃風(fēng)沙量為0.041 億t，僅占總來沙量的3.5%，全是粗泥沙，尤其是特粗泥沙占比達(dá)到85.3%。由此河段總來沙量的構(gòu)成特點為：細(xì)泥沙比例最高，為52.7%；其次是中泥沙，占到19.6%；較粗泥沙和特粗泥沙來量較少，僅分別占總量的14.4%和13.3%。

圖2 巴彥高勒-頭道拐河段不同粒徑組泥沙來源Fig.2 Source area of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai

表1 1959—2012 年巴彥高勒-頭道拐河段各來源區(qū)年均不同粒徑組沙量Tab.1 Average annual various-size sands volume of each source area of the reach from Bayangaole to Toudaoguai from 1959 to 2012 單位：億t

4 河段沖淤特點

4.1 長時期沖淤概況

巴彥高勒-頭道拐河段長時期（1959—2012 年）河道淤積10.940 億t，年均淤積0.201億t（表2），沖淤比為17.0%。從時期上來看，除1969—1986 年微沖0.300 億t外，各時期都是淤積的。1987—1999 年淤積量最大，達(dá)到8.233 億t，占到總量的75.2%，年均淤積量也達(dá)到了0.633 億t，沖淤比高達(dá)57.7%，即將近60%的來沙淤積在河道內(nèi)；其次是2000—2012 年，淤積2.307 億t，占到總量的21.1%，年均淤積0.177 億t，沖淤比為28.0%。

表2 巴彥高勒-頭道拐河段沖淤量在各時期的分布Tab.2 Sediment distribution in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in different periods

4.2 不同粒徑組泥沙沖淤調(diào)整特點

河段長時期（1959—2012 年）淤積10.940 億t，其中特粗泥沙淤積量達(dá)到6.148 億t，占到總淤積量56.2%，沖淤比高達(dá)72.1%，表明特粗泥沙是淤積泥沙的主體；較粗泥沙淤積2.257 億t，占到總淤積量20.6%，沖淤比高達(dá)24.5%；細(xì)泥沙和中泥沙淤積量都比較小，分別為1.378 億t和1.157 億t，在總淤積量中占比分別為12.6%和10.6%，沖淤比很小，僅分別為4.1%和9.2%。

從河段全沙和不同粒徑組泥沙的累積沖淤量變化過程（圖3）可以看到，全沙淤積量隨來水來沙的變化各時段演變趨勢差別較大，有沖有淤，只是在20 世紀(jì)80 年代后期到21 世紀(jì)前5 年左右出現(xiàn)持續(xù)淤積。而特粗泥沙長時期都是持續(xù)淤積的，基本不受水沙條件的影響；同時可以看到，特粗泥沙在某些年份淤積量增加較多，造成累積淤積過程出現(xiàn)突然抬升，分析發(fā)現(xiàn)這些年份孔兌都發(fā)生高含沙洪水，說明河段特粗泥沙淤積受孔兌影響比較大。相比之下，細(xì)泥沙、中泥沙甚至是較粗泥沙的沖淤調(diào)整都與全沙的演變趨勢一致，隨水沙條件而變化，反映出某個時段內(nèi)細(xì)泥沙和中泥沙的沖淤狀況決定了河段淤積的發(fā)展方向。

圖3 巴彥高勒-頭道拐河段不同粒徑組泥沙累積沖淤量過程Fig.3 Cumulative sedimentation process of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai

5 年內(nèi)不同粒徑組泥沙沖淤調(diào)整特點

寧蒙河道年內(nèi)水沙過程差異鮮明，分為汛期和非汛期，汛期為7—10月，非汛期為11月至次年6月。

5.1 汛期沖淤調(diào)整特點

河段汛期全沙淤積量較大的是1987—1999 年，年均淤積量達(dá)到0.498 億t；其次是1959—1968 年和2000—2012 年，年均分別淤積0.143 億t和0.110 億t；1969—1986 年河段年均沖刷0.013 億t。從各時期不同粒徑組泥沙的沖淤狀況可以看到，較粗泥沙和特粗泥沙基本上都是淤積的，是淤積泥沙的主要構(gòu)成；細(xì)泥沙和中泥沙在1986 年以前兩個時期以沖刷為主，1986 年以后轉(zhuǎn)為淤積，淤積量超過較粗泥沙和特粗泥沙，對比各時期的沖淤比（圖4）可看到，1986 年以前兩個時期的全沙沖淤比都不高，自然狀態(tài)的1959—1968 年為 7.9%，1969—1986 年微沖；但是 1986 年后兩個時期沖淤比顯著增高，分別達(dá)到63.4%和32.0%。各時期不同粒徑組泥沙的沖淤比也有明顯的特點，特粗泥沙的沖淤比各時期都較高，為51.1%～92.2%；細(xì)泥沙、中泥沙和較粗泥沙的沖淤比變化鮮明，1986 年前的兩個時期都不高，最高的1959—1968 年較粗泥沙的沖淤比僅12.4%，而1986年后兩個時期都增加較大，1986—1999 年和2000—2012 年細(xì)泥沙沖淤比分別達(dá)到52.7%和27.7%，中泥沙沖淤比分別為63.0%和30.3%，較粗泥沙的沖淤比也升高至67.7%和35.0%。

圖4 巴彥高勒-頭道拐河段各時期汛期不同粒徑組泥沙沖淤比Fig.4 Sedimentation ratio of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in flood season in different periods

5.2 非汛期沖淤調(diào)整特點

非汛期各時期全沙沖淤量的變化是方向性的，由1959—1968 年的年均沖刷0.073 億t和1969—1986 年微沖，變?yōu)?986 年之后的淤積，1986—1999 年和2000—2012 年年均淤積量分別達(dá)到0.136 億t和0.067 億t。從不同粒徑組泥沙的變化可以看到，特粗泥沙保持淤積且淤積量變化不大，全沙沖淤性質(zhì)變化主要在于細(xì)泥沙和中泥沙由沖轉(zhuǎn)淤，以及較粗泥沙的淤積增加。

從非汛期不同粒徑組泥沙各時期沖淤比（圖5）也可看到，特粗泥沙與汛期特點相同，各時期均維持較高的沖淤比，為55.9%～77.1%。其他三組泥沙的淤積程度在1986 年后都明顯增大，細(xì)泥沙沖淤比從1959—1968 年的-50%左右轉(zhuǎn)為 1986—1999 年的12.9%和2000—2012 年的-22.3%，中泥沙沖淤比從-10%左右轉(zhuǎn)為56.0%和30.1%，較粗泥沙沖淤比從1959—1968 年的 1.8%和 1969—1986 年的 13.9%增加到1986—1999 年的54.1%和2000—2012年的42.6%。

圖5 河段各時期非汛期不同粒徑組泥沙沖淤比Fig.5 Sedimentation ratio of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in non-flood season in different periods

6 不同粒徑泥沙各時期沖淤調(diào)整原因初步分析

水沙過程是河床演變的動力，表3列出了巴彥高勒-頭道拐河段各時期來水來沙及年均不同粒徑組泥沙的沖淤量，可見，1959—1968 年人類活動對上游的水沙過程有一定影響但還不是很大。首先，黃河上游引水灌溉歷史悠久，該時期地表水耗損量約90 億m3[19]，減少的是河道基礎(chǔ)流量，對水流過程改變較小。其次，上游鹽鍋峽、青銅峽水庫和三盛公水利樞紐分別于1961、1967和1961 年建成投入運用，均為徑流式電站，對流量基本無調(diào)節(jié)能力，鹽鍋峽水庫和三盛公樞紐庫容較小、青銅峽水庫剛開始運用，水庫攔沙量較少；該時期水庫建設(shè)對水沙過程的影響還未顯著顯現(xiàn)。因此，該時期河道水沙條件與天然時期近似。由表3還可見，該時期干流水、沙量及十大孔兌沙量都很大，但是年均淤積量僅0.070 億t，這與天然時期的微淤狀態(tài)基本一致。天然情況下汛期7—10 月上游來水量和洪峰流量都大（圖6），此時段正是流域面上的來沙時期（包括十大孔兌高含沙洪水形成的集中來沙），細(xì)泥沙和中泥沙、少量的粗泥沙通過2 000 m3/s以上大流量輸送或沖刷，少部分由于汛期小流量過程或者漫灘等原因而淤積，而大部分粗泥沙難以輸送而淤積下來；非汛期前期淤積的細(xì)泥沙和中泥沙可隨水流沖刷送走。因此，天然時期河道的淤積以粗泥沙為主，年均淤積0.151 億t，遠(yuǎn)高于全沙淤積量0.070 億t，而細(xì)泥沙和中泥沙難以淤積。

表3 巴彥高勒-頭道拐河段各時期來水來沙及年均不同粒徑組泥沙沖淤量Tab.3 Runoff and sediment and average annual sedimentation of various-size sands in the reach from Bayangaole to Toudaoguai in different periods

1969—1986 年是劉家峽水庫單庫運用時期，水庫共攔截了10.93 億m3泥沙，十大孔兌沙量也有所減少，河段來沙量明顯減少。因而在水流過程變化不大的條件下，河段除特粗泥沙外各粒徑組泥沙均發(fā)生持續(xù)沖刷，河段整體也表現(xiàn)為沖刷。說明河道來沙量對沖淤的影響是非常顯著的。

1986 年10 月龍羊峽和劉家峽水庫開始聯(lián)合運用，汛期削減洪峰、調(diào)蓄洪水，同時引水量增加即減少了河道流量，進(jìn)入巴彥高勒-頭道拐河段的流量大大減小，汛期平均流量僅578 m3/s，尤其是洪水缺失造成水流輸沙能力降低，導(dǎo)致在粗泥沙淤積的同時，細(xì)、中泥沙也發(fā)生大量淤積；而非汛期引水的增加導(dǎo)致河道內(nèi)流量也有所減小，降低了沖刷細(xì)、中泥沙的能力，細(xì)、中泥沙由天然情況下的沖刷轉(zhuǎn)為淤積。因此，全年除特粗泥沙外三組泥沙大量增淤，且細(xì)泥沙成為淤積的主體，占到全沙淤積量的36%。同時該時期十大孔兌來沙量較大，尤其1989 年來沙量超過2 億t，已有研究[20-21]闡明十大孔兌洪水是寧蒙河段淤積的主要因素之一，加之干流汛期缺少洪水輸送孔兌高含沙洪水泥沙或者沖刷前期在匯流區(qū)形成的淤積體，因而該時期特粗泥沙淤積也較大，達(dá)到0.172 億t。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，黃河上游地區(qū)來沙量顯著減少（表3），干流來沙量和十大孔兌沙量分別只有1959—1968 年的 20%左右，但是水庫運用和河道引水狀況均未改變，河道仍缺少大流量過程（圖6），因而該時期河段各組泥沙仍與前一時期相同都保持淤積，只是淤積量明顯減少，全沙僅淤積0.177 億t，特粗泥沙占比最高。

圖6 巴彥高勒站歷年最大流量Fig.6 Annual maximum peak discharge in Bayangaole Hydrological Station from 1959 to 2012

7 結(jié) 語

分析了巴彥高勒-頭道拐河段1959—2012 年各時期及年內(nèi)不同粒徑泥沙的沖淤特點，結(jié)合對各時期干、支流水沙條件的對比，初步說明泥沙沖淤調(diào)整的原因，得到主要結(jié)論如下：

（1）黃河上游巴彥高勒-頭道拐河段多年平均（1959—2012 年）來沙量1.186 億t，其中細(xì)泥沙比例最高為52.7%，是來沙的主體；特粗泥沙比例最小為13.3%。細(xì)泥沙、中泥沙和較粗泥沙80%以上都來自巴彥高勒以上。

（2）1959—2012 年該河段共淤積10.940 億t，沖淤比為17.1%；特粗泥沙是淤積的主體，占總淤積量的56.2%，沖淤比高達(dá)72.1%。特粗泥沙來源分布均勻，各地區(qū)為22.1%～36.1%。

（3）河段細(xì)泥沙、中泥沙和較粗泥沙隨來水來沙發(fā)生沖淤調(diào)整；而特粗泥沙持續(xù)累積淤積，隨來水條件變化很小。

（4）河段各時期汛期特粗泥沙都是淤積的，在1986 年以前是淤積的主體，細(xì)泥沙和中泥沙是沖刷的。1986 年后河道淤積加重，主要是細(xì)泥沙和中泥沙由沖刷轉(zhuǎn)為淤積，占到全沙淤積量的40%～50%，成為淤積的主體；而較粗泥沙和特粗泥沙的沖淤比增高，1986—1999 年最高分別達(dá)到67.7%和92.2%。

（5）河段非汛期全沙由1986 年前的沖刷變?yōu)橹蟮挠俜e，1986—1999 年年均淤積量達(dá)到0.136 億t，其中特粗泥沙保持淤積且淤積量變化不大，主要在于細(xì)泥沙和中泥沙由沖轉(zhuǎn)淤及較粗泥沙的增淤，較粗泥沙的沖淤比達(dá)到40%～55%。

（6）河段各時期泥沙的沖淤調(diào)整取決于來水來沙量及水流過程。1959—1968 年水沙量和洪峰流量都較大，水流輸沙能力大，河道微淤，主要是粗泥沙尤其特粗泥沙淤積；1969—1986 年劉家峽水庫攔沙造成河道來沙量顯著減少，水流過程變化不大，河道發(fā)生沖刷，除特粗泥沙外各粒徑組泥沙都是沖刷的。1986 年龍羊峽和劉家峽水庫聯(lián)合運用汛期攔蓄洪水，河道流量減小，水流輸沙能力降低，細(xì)泥沙和中泥沙由沖轉(zhuǎn)淤，較粗泥沙沖淤比增高，特粗泥沙仍保持淤積；在孔兌來沙量較多的1986—1999 年河道淤積嚴(yán)重，細(xì)泥沙成為淤積的主體；在干流和十大孔兌來沙量都顯著減小的2000—2012 年河道淤積減少。