巴彦高勒水文站断面冲淤变化及过流能力分析

谢学东，赵文荣，谢 涛，张 健，杨桂珍

（黄河水利委员会宁蒙水文水资源局，内蒙古包头014030）

黄河河床演变是挟沙水流与可动性河床相互作用、相互制约下产生的不停顿的变形运动，河势变化主要受河道条件和来水来沙条件影响，而人类活动对河道演变的影响日益显著。目前，黄河水沙条件与天然状态下有很大不同，主要表现为水利枢纽巨大的径流、泥沙调蓄能力较大程度上改变了黄河的水沙特性及河道演变规律；下游河道普遍处于淤积状态，河床不断抬高等［1-3］。在龙羊峡水库等一系列干流水利工程投入运行以后，水沙条件发生改变，黄河内蒙古河段河道主槽淤积严重，断面面积日趋减小［4］。由于河床淤积，因此同流量水位升高，河道过流能力降低。据实测资料，2003年汛期巴彦高勒水文站流量1 360 m3/s时的水位超过“81·9”洪水最大流量5 290 m3/s时相应水位0.09 m，断面过流能力仅为“81·9”洪水的23.5%。本文通过分析巴彦高勒水文站断面形态、同水位断面面积、平滩流量等变化，分析河床的冲淤演变及现状断面条件下的过流能力。

1 测验河段概况

黄河巴彦高勒水文站位于内蒙古巴彦淖尔市磴口县巴彦高勒镇北粮台村，至河口距离为2 523 km，集水面积为31.4万km2，是河套灌区重要的水沙控制站。测验河段基本顺直，长约1 000 m，为沙质河床，单式断面。基本水尺断面位于黄河三盛公水利枢纽闸下400 m处，测流断面位于基本水尺断面上游23 m处。受工程调节影响，断面水位、流量变化频繁、变幅大，水位—流量关系呈多条临时曲线。同时，受三盛公水利枢纽开启闸孔位置不同的影响，主流时有变化，多数靠左岸。

巴彦高勒水文站洪水主要来自黄河干流兰州以上，其特点是历时长、涨落缓慢、峰型矮胖，多发生在7—9月。泥沙主要来自断面以上干支流及三盛公水利枢纽排沙。自2014年上游87 km处的海勃湾水利枢纽投入运行以来，断面含沙量明显减小，年内含沙量多在3 kg/m3以下。

巴彦高勒水文站测验河段河床冲淤变幅大，年内变化一般表现为封河期淤积、开河期冲刷，汛期冲刷、汛后至次年封河期淤积；洪水过程冲淤变化不定，一般表现为涨冲落淤或涨淤落冲。

2 冲淤演变规律

2.1 断面形态变化

由巴彦高勒水文站断面1973—2017年汛前大断面套绘图（见图1）可知，断面主流靠左，冲淤变化主要发生在主槽，排除人为因素影响，左右岸变化较小。历年断面冲淤变化规律不明显，这主要与上游来水大小和三盛公水利枢纽闸门开启位置有关。1973—2006年断面呈逐渐淤积趋势，其中1992—2006年深泓点淤高了2 m，河宽相应减小。2006—2012年汛前断面时冲时淤，总体呈淤积趋势，淤积幅度及速度均较小；2012年及2014年汛期断面发生较大冲刷，2015年汛后断面开始逐渐回淤。起点距50～300 m的主槽部分，2015年冲刷最深，2017年淤积最高。

图1 不同年份巴彦高勒水文站汛前断面变化情况

2.2 断面冲淤变化

巴彦高勒水文站测验河段河床由粉沙组成。畅流期三盛公水利枢纽压闸蓄水，上游来沙大量淤积在水库，流凌前闸门提空，库区泥沙开始下泄，整个封冻期断面处于淤积状态，待开河时断面淤积达到最大。开河后主槽开始冲刷，滩地冲刷很少，大洪水到来后，整个断面河床才开始普遍冲刷，洪水过程中冲刷达到最大，洪水过后又开始逐渐淤积。套绘汛前、汛后断面变幅较大的2012年、2014年断面图（见图2）可见洪水期涨冲落淤的规律。其中：2012年汛后（水位1 052.00 m）较汛前河道冲刷面积590 m2增大51.8%；2014年汛后（水位1 052.00 m）较汛前冲刷面积721 m2增大77.3%，可见洪水对断面冲淤变化影响较大。

2.3 同水位断面面积变化

由巴彦高勒水文站水位1 052.00 m以下历年汛前、汛后断面面积变化过程（见图3）可知，在汛前面积系列（1992—2018年）中，1992—2006年断面面积总体呈减小趋势，2007—2012年总体呈增大趋势，以后年份除2015年显著偏大外，其他年份趋于减小。2015年汛前面积较其他年份偏大的原因是2014年汛期发生较大冲刷、封河期流量较往年偏大，且受海勃湾水利枢纽影响，断面含沙量减小，回淤较少。在汛后面积系列（2009—2017年）中，2009—2015年总体趋势较为稳定，但年际间有一定的变幅，2015年后面积显著减小。此外，2011年汛后面积增大最多，2017年汛后增大最少（2015年除外）。汛后断面面积增幅与汛期洪水冲刷及含沙量大小有关。

图2 典型年汛前、汛后大断面变化情况

图3 巴彦高勒断面历年汛前汛后水位1 052.00 m以下断面面积变化情况

2.4 平滩流量变化

平滩流量反映了冲积河流河床形态与来水量、来沙量及其年内、年际变化之间的一种平衡关系，是河流自动调整过程的一种结果［5-6］。河水漫滩后，一是给水文测验工作带来困难，二是给防汛工作造成了隐患。本文采用巴彦高勒水文站1972—2017年逐年汛后断面水位与滩唇高程齐平时的相应流量作为该年的平滩流量，点绘平滩流量的变化过程（见图4）。由图4可见，20世纪90年代以前，巴彦高勒断面平滩流量为4 000～5 500 m3/s；20世纪90年以来平滩流量持续减小，不考虑已建河流整治工程，目前巴彦高勒断面汛期的平滩流量为1 300～1 500 m3/s。

图4 巴彦高勒断面历年平滩流量变化情况

3 过流能力分析

3.1 典型年水位流量关系线分析

由图5可以看出，目前巴彦高勒断面过流能力远不如1981年。尽管经2012年、2014年汛期洪水冲刷，同流量水位略有下降，但2014年以后断面又开始回淤。

图5 巴彦高勒站历年汛期水位—流量关系

经统计：①与1981年相比，2012年同流量（2 500 m3/s）水位抬高约1.06 m；②与2012年相比，2017年同流量（1 000 m3/s）水位抬高约0.30 m；③与1981年涨水段比，2012年汛期同水位（1 052.00 m）过流能力为1981年的46.9%；④2017年、2012年及1981年落水段同水位（1 051.00 m）流量分别为830、1 120、3 110 m3/s，2017年过流能力为2012年的74.1%，为1981年的26.7%。

3.2 2018年高水报汛曲线绘制

分别用水位面积及水位流速关系曲线法、水力学公式法、参照邻近年份曲线趋势延长法绘制巴彦高勒水文站2018年高水报汛曲线。因巴彦高勒断面在洪水过程中冲淤变化较剧烈，故前两种方法均不能完全适应测站特性，效果较差。将1981年、2012年和2017年汛期水位流量关系曲线套绘在一起（见图6）。参考1981年的关系线，对2012年的关系线在水位1 052.21 m以上的部分作高水延长后可看出，这两个年份关系线的变化趋势基本相似。2017年最大流量仅为1 220 m3/s，根据图6来看，若流量再上涨后，则关系曲线基本与2012年的曲线重合，证明2017年水位流量关系与2012年的变化趋势基本相似。

2018年汛前断面与2017年汛前断面基本相似。依据2017年流量1 220 m3/s以下的水位流量关系曲线和2012年流量1 220 m3/s以上的水位流量关系曲线分析，2017年若流量再上涨的话，则关系线基本与2012年重合。根据这些情况，绘制了高水报汛曲线（见图6），以此来估算2018年巴彦高勒断面的过流能力。

图6 巴彦高勒站2018年高水报汛曲线

3.3 2018年巴彦高勒断面过流能力

根据图6估算出2018年巴彦高勒断面不同水位下的过流能力，见表1。

表1 巴彦高勒站2018年断面过流能力

4 结 语

（1）巴彦高勒水文测验河段为沙质河床，冲淤变化较大且主要发生在主槽，冲淤变化规律不明显，主要与上游来水大小和三盛公水利枢纽各闸门开启位置有关。年内变化一般表现为封河期淤积、开河期冲刷，汛期冲刷、汛后至次年封河期淤积。

（2）巴彦高勒断面同水位断面面积、平滩流量、过流能力均随水沙条件的变化呈明显减小趋势。自1981年以来河床淤积严重，目前断面过流能力远不如1981年。与1981年涨水段比，2012年汛期同水位过流能力为1981年的46.9%，2017年汛期同水位过流能力为2012年的74.1%，为1981年落水段的26.7%。

（3）在编制巴彦高勒水文站洪水预报方案和绘制高水报汛曲线时，既要考虑河床当前的淤积状况，也要考虑洪水过程中的冲刷情况，参照邻近年份曲线趋势延长法绘制的高水报汛曲线及过流能力更接近该站的实际情况。