華艷紅

(太原市水利勘測設(shè)計(jì)院，山西 太原 030000)

0 引言

水庫建設(shè)引起的河道格局變化是河道整治領(lǐng)域的重要問題，河道改道時(shí)，可引起地下水和地表水的流動(dòng)發(fā)生變化，增加附近地區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致土壤侵蝕和坍塌，為探求河道演變的規(guī)律，學(xué)者們進(jìn)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(duì)河道演變的影響，研究結(jié)果表明：裁彎取直導(dǎo)致大洪河段河道長度銳減，河道比降增加；田福昌等[2]對(duì)基于分形理論的黃河內(nèi)蒙古段河勢演變特征及其與凌汛災(zāi)害關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：冰壩災(zāi)害更易發(fā)生于主槽偏移擺動(dòng)大、蜿蜒曲折、河灣發(fā)育程度高的寬淺型彎曲河道；徐凌等[3]對(duì)考慮河勢演變長江永安堤治理工程優(yōu)化進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明：河道沖刷導(dǎo)致岸坡變陡，威脅到已護(hù)工程的安全，應(yīng)采取相應(yīng)工程措施保障河勢；馬繼東[4]對(duì)黑沙洲河段河勢演變對(duì)河道內(nèi)崩岸區(qū)的影響進(jìn)行研究，研究結(jié)果表明：黑沙洲河段江洲眾多，左右汊分流比波動(dòng)較大，對(duì)河道內(nèi)崩岸區(qū)影響較大；李軍等[5]對(duì)松花江哈爾濱河段河床演變過程及特點(diǎn)進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：哈爾濱河段斷面形態(tài)變化較小，僅在橋梁工程附近發(fā)生了局部高程變化；王瑩[6]對(duì)閩江下游感潮河段水動(dòng)力時(shí)空變化模擬進(jìn)行了分析，分析結(jié)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(xué)者對(duì)各河段河勢演變進(jìn)行了研究，分析了河床演變特征和人工裁彎對(duì)河道演變的影響。本文通過對(duì)黃河下游河段的河流模式進(jìn)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(duì)河道演變的影響。

1 研究區(qū)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(diǎn)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(nèi)，下游河段發(fā)生沖淤。三門峽水庫建設(shè)前，河道不規(guī)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(yán)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(yùn)行規(guī)則發(fā)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(fā)生了相當(dāng)大的變化，在汛期，上游的大部分徑流被蓄水用于防洪和發(fā)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(duì)水和沉積物進(jìn)行了調(diào)節(jié)，作為該程序的一部分，部分細(xì)沉積物從水庫中排出，在一年中的大部分時(shí)間里，清水或低含沙量的水流經(jīng)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(jìn)后的河道整治工程限制了相對(duì)整治工程之間區(qū)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(yùn)行和河道整治工程的改進(jìn)，河道被限制在河道整治工程沿線，從而變得更加穩(wěn)定。

1.1 研究方法

在湖沼學(xué)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(nèi)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(tài)的一般參數(shù)，而河流模式可通過許多參數(shù)的各種方程來區(qū)分。

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

(1)

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

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

2 研究結(jié)果與分析

2.1 基于單個(gè)因素的判別結(jié)果

3個(gè)研究河段的彎度、主流游蕩范圍和寬深比參數(shù)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(gè)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(diǎn)。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(gè)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(shù)量從7個(gè)增加到9個(gè)，1986年的彎曲度基本相同。同樣，T-Y河段1996年有8個(gè)彎道，1997年有14個(gè)彎道，這導(dǎo)致了彎曲度的增加，而且曲線上的其他極值點(diǎn)也與河流彎曲的數(shù)量和游蕩范圍有關(guān)。

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(dòng)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(fā)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(duì)河道演變的影響

徑流和泥沙是河道過程中的關(guān)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(gè)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(shù)的關(guān)系。

自1970年以來，黃河下游的年流量一直在穩(wěn)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(jìn)一步降至2.57×109m3，僅為1970—1995年間的52.88%。因此，河流的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)及其對(duì)河道的作用也減少了，同時(shí)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(guān)系，其他2個(gè)河段遵循類似的模式。

圖3 水條件對(duì)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(wěn)定。圖中給出了對(duì)數(shù)回歸曲線和公式，回歸模型在>95%的置信水平下應(yīng)用。

2.3 河道整治工程對(duì)河道動(dòng)態(tài)影響

河道整治工程在河道整治中也發(fā)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(duì)整治工程之間的河道內(nèi)。1997年河道整治工程未完成時(shí)，河道是隨機(jī)的，2004和2010年河道整治工作得到改善時(shí)，河道受到了管制。圖2還顯示了2個(gè)拐點(diǎn)：在20世紀(jì)90年代初和2000年，T-Y河段和J-G河段。在這2個(gè)拐點(diǎn)之后的時(shí)期內(nèi)，河道變得更加穩(wěn)定。第二個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于小浪底水庫的運(yùn)行，它改變了黃河下游的來水和泥沙條件。然而，第一個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于2個(gè)河段河道整治工程的改善，20世紀(jì)90年代初，計(jì)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(tǒng)，同時(shí)，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(gè)河段表現(xiàn)出更多的游蕩性。

河道整治工程的控制作用可以體現(xiàn)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(jì)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(shí)間內(nèi)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(nèi)，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(gè)河段的河道比H-H河段的河道更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過對(duì)黃河下游河段的河流模式進(jìn)行判別，本文研究了水庫河段整治對(duì)河道動(dòng)態(tài)的影響，得到如下結(jié)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(wěn)定。在水沙條件相同的情況下，整治工程的改進(jìn)有利于河道的穩(wěn)定。

(3)由于研究課題較大，分析時(shí)段及數(shù)據(jù)分析仍不夠全面，因此研究結(jié)果尚需進(jìn)一步研究。