黄河下游山东段泥沙输移沿程演变规律分析

吴国威，曹 兵

（1.昌邑市水利局，山东 昌邑 261300；2.东营市水利灌溉管理处，山东 东营 257091）

近年来，受气候变化、水库调蓄、人类活动等多方面的影响，黄河下游山东段年均流量与含沙量逐步减少，水沙组合条件更趋多样，河段冲淤演变规律更趋复杂。黄河下游山东段西起山东省东明县，东至垦利县注入渤海，河道全长628km，流域面积1.83万km2，沿程分布有高村、孙口、艾山、泺口、利津等水文站。近年来，受气候变化、上游水库调蓄、人类引水等多方面的影响，黄河下游山东段来水来沙形势出现了明显的变化，总体表现为来水量、含沙量不断减少，水沙组合条件更趋多样，河段冲淤演变规律更趋复杂。

众所周知，冲积河流河床冲淤演变主要取决于来沙量与水流挟沙能力的对比以及泥沙纵向沿程的变化情况。根据Lane、Bagnold等人的研究，河流处于平衡状态下的输沙能力主要与总的水流功率有关。当河道比降变化不大时，河道输沙能力主要与流量有关。20世纪60年代，窦国仁提出了矩形均匀断面形态条件下的不平衡输沙微分方程。韩其为等于70年代末进一步将其扩展应用于天然河道，建立了一维恒定渐变流不平衡输沙微分方程，并成为黄河下游一维泥沙数学模型中水动力学模型类型的基础。

本文以黄河下游山东段中的艾山-利津河段为研究对象，基于一维不平衡输沙理论，对来水来沙变化情况下河道泥沙输移的沿程变化情况进行概化分析计算。

1 黄河下游山东段来水来沙变化情况

黄河下游艾山-利津河段全长约为281.9km，悬沙平均粒径约为0.018mm。由黄河下游山东段艾山与利津站年均流量与含沙量的变化情况分析可知，两站年均流量与含沙量总体上均呈现出逐步减少的趋势。特别是20世纪80年代中期以后，两站年均流量多小于1000m3/s。2002年后受调水调沙等因素影响年均流量略有升高，不过依然小于1000m3/s。不同量级流量下黄河下游艾山-利津河段的断面水力几何形态关系如表1所示。可以看出随着流量的减小单宽流量也会相应减小。

表1 黄河下游艾山-利津河段断面水力要素表

2 泥沙输移沿程演变规律分析

2.1 一维不平衡输沙模型的建立

一维恒定渐变流不平衡输沙简化微分方程为：

对于均匀流，可以得到式（2）的解析解，表述为输沙率的形式为：

式中，QS为输沙率；S为含沙量；x为纵向沿程距进口断面距离；QS*、S*为平衡状态下河道输沙能力对应的输沙率、含沙量指标；ω为泥沙沉速；q为单宽流量；α为泥沙恢复饱和系数。

根据黄河下游艾山～利津河段1950—2010年实测流量-输沙率资料，认为当进出口含沙量差值百分比在10%以内时，河段近似处于冲淤平衡状态，则经过拟合率定，可以得到艾山～利津河段水流输沙能力的经验表达式如下：

图1 黄河下游艾山～利津河段水流输沙能力与流量关系

2.2 黄河山东段泥沙输移沿程演变规律

基于表1，采用上述一维不平衡输沙模型可以计算得到黄河下游艾山～利津河段在不同量级流量（1000m3/s与2000m3/s）下利津站年均输沙率随艾山站年均来沙率的变化情况，如图2所示。图中实测点据是根据艾山站多年实测流量值分为＜1000m3/s与 1000～3000m3/s两组，其中，＜1000m3/s组流量多为20世纪80年代中期以后。可以看出：

1）20世纪80年代中期以后，在艾山站相同年均来沙率的情况下，利津站年均输沙率相比50年代有明显减小。这主要是由于流量减小后，河道输沙能力随之明显减小。

2）20世纪80年代中期至2002年期间，艾山站年均来沙率一般大于河道输沙能力，河槽出现淤积；2002年以后，受水库拦沙及调水调沙影响，河道来沙率多小于河道输沙能力，河道出现冲刷。

3）根据式（1）、（2），20 世纪 80 年代中期以后由于艾山～利津河段单宽流量较小，河道泥沙沿程速率变化较大，进而导致泥沙冲刷量或淤积量占来沙量的比例较大。

图2 黄河下游艾山～利津河段水流输沙能力与流量关系

3 结论

1）20世纪50年代以来，黄河下游艾山～利津河段年均流量不断减小。80年代中期以后，年均流量多小于1000m3/s，河道输沙能力随之明显减小，导致在艾山站相同年均来沙率的情况下，利津站年均输沙率明显减小。

2）相比20世纪50年代，80年代中期以后由于艾山～利津河段流量减小后，河道输沙能力随之明显减小，导致在艾山站相同年均来沙率的情况下，利津站年均输沙率有明显减小。

3）20世纪80年代中期至2002年期间，艾山站年均来沙率一般大于河道输沙能力，河槽出现淤积；2002年以后，受水库拦沙及调水调沙影响，河道来沙率多小于河道输沙能力，河道会出现冲刷。

4）20世纪80年代中期以后，由于艾山～利津河段单宽流量较小，河道泥沙沿程速率变化较快，进而导致泥沙冲刷或淤积量占来沙量的比例均会较大。