黄河宁夏段外滩区域水下根石探摸研究

乔 桥，李春光，景何仿，黄凌霄，王维红

(1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021)

0 引 言

黄河宁夏段二期防洪工程是国务院确定的172项重大水利项目之一[1]，通过堤防工程和河道整治工程建设，对进一步完善黄河防洪工程体系，保障沿黄地区防洪(凌)安全和两区经济社会的稳定发展具有十分重要的意义。近年来，部分学者对黄河宁夏段水沙及河道边界变化进行了大量的研究，马云等[2]通过对黄河宁夏段洪水特征及河道演变进行分析，认为实施河道整治工程有助于进一步河势归顺；景何仿、李春光等[3-4]建立二维、三维紊流水沙模型对黄河上游沙坡头的天然河道水流运动、河床变形进行了数值模拟；魏婧[5]对黄河内蒙河段形态变迁进行了分析，揭示了该河段大流量冲刷、小流量淤积等特点，该河段整体呈淤积态势；岳志春等[6]对黄河宁夏石嘴山河段进行冲淤演变分析，得出了河床断面大洪水时期变化涨冲落淤，冲淤变化主要在主槽内进行，断面两侧河岸线冲淤变化较小。

黄河外滩区域位于宁夏回族自治区银川市滨河新区，其右岸为黄河外滩国家湿地公园，为了保护该景区，有关部门应用土工格栅材料作为进占体，铅丝石笼用于护坡护脚。然而，铅丝石笼长时间在水中浸泡，铁丝容易锈蚀断裂，久而久之，石笼散架，失去固脚护坡的作用，给工程带来安全隐患。因此，需要对该河段水下根石情况进行测量，根据测量结果对该区域的河床变形情况进行计算，探索防洪工程对河岸及河床的影响。

该河段比较顺直，左岸滩地为沙土，主河床由砂质、砂砾石组成，右岸则设置铅丝石笼用于保护外滩景区。图1所示为研究河段的位置。

图1 黄河外滩区域所处位置示意

图3 2018年11月实测部分断面河床高程及垂线平均流速

1 断面设置及测量仪器

经多次现场调研，选定合适的研究区域，设立典型横断面，利用声学多普勒测速仪(M9)和高精度RTK对断面处流速、水位、水深和流量等进行测量，计算相邻断面处冲淤量和冲淤高程以及总冲淤量和冲淤高程。

根据研究需要，在长约500 m的黄河外滩河段，设置了24个实测横断面，断面SH1与SH2相距40 m，其余断面相邻两断面之间的距离均为20 m左右，图2为研究区域河道断面，其中x轴以正东方向为正，y轴以正北方向为正。

图2 研究区域处河道断面示意

主要的测量设备有声学多普勒流速剖面仪(M9)、南方测绘灵锐S86 RTK、激光粒度分布仪Bettersize-2000，深水取样器、烘干箱、电子天平、滤纸等。

2 实测结果及分析

经多次现场实测，本文选取2018年6月、11月的实测数据进行分析。

2.1 断面实测数据及分析

由所测水位减去水深得到该位置处河底高程。将河床高程与断面垂线平均流速套绘在一起，如图3所示。

由图3可知，断面SH4和SH7河道地形基本相同，呈两边高中间低的开口向上抛物线分布，最大流速主流线位于河道中心处，流速基本呈开口向下的抛物线分布。这些断面处，除两岸附近及河道中心个别位置处，河床高程沿横断面较为水平，而水流垂向平均流速也较为均匀，且水深较大的位置处平均流速也大。断面SH15最大水深向左岸靠拢，河床高程呈左低右高的形态，而且越往下游，河床高程横比降越大；断面SH24处，主槽已经完全靠近左岸，而右岸为浅滩。也就是说，深泓线从上游到下游，逐渐偏离右岸，向左岸靠拢。

图4 典型断面实测地形对比

从以上分析可以看出，在右岸沿线布置铅丝石笼后，水下根石在铅丝石笼的保护下，右岸较为稳定，河床呈现淤积状态，主流偏离河道中心，向左岸偏离，对左岸附近河床造成较大冲刷，从而左岸附近河床高程降低，水流流速变大。

2.2 两次实测水下地形比较及分析

为了得到黄河外滩河段河床冲刷情况，现将2018年6月和11月在部分典型断面处2次实测结果套绘在一起，如图4所示。由图4可知，研究区域横断面整体呈淤积形态，相比较而言，右岸呈淤积状态，而左岸呈冲刷状态。这是因为右岸采用铅丝石笼护坡护脚，而左岸没有任何保护措施。在上游流量较大时，左岸冲刷，河宽变大，但是右岸附近出现了淤积现象，其水下根石被泥沙淤积，河床受到了保护。

断面SH4靠近河道中心处淤积较为严重，最大淤积厚度可达1 m左右，但左右两岸附近出现了一定的冲刷。断面SH7左岸有微小的冲刷，其余位置均出现程度不同的淤积，尤其是靠近河道中心处，淤积最为严重，淤积厚度为1 m左右。从断面SH15和SH24看出，左岸附近均出现程度不同的冲刷，河道向左展宽20 m左右，其余位置处均出现了一定的淤积，在右岸附近泥沙淤积也较为严重，覆盖了水下的铅丝笼保护的水下根石。

2.3 等高线及三维地形图

为直观反映该研究区域的整体形状，根据所测24个断面的水上水下高程、水位及桩号坐标，利用插值方法，绘制了2018年11月11日测量的水下地形图。图5为研究区域河床高程等值线，图6为研究区域三维立体图。由图5、6可知，研究区域河床高程左右分布不均匀。靠近右岸区域的河床高程一般较大，水深较小；而靠近左岸的区域河床高程一般较小，水深较大。

图5 研究区域河床高程等值线

图6 研究区域三维立体图示意

2.4 悬移质泥沙粒度分布及含沙量

2018年11月，利用深水取样器在6个典型断面的左岸、右岸和河道中心附近处分别取样1次，并利用激光粒度分析仪进行泥沙粒度分析，结果如表1所示。通过分析各断面悬移质泥沙粒径分布可以发现，靠近左岸处，泥沙中值粒径偏大，均值为15 μm，而河道中心处和右岸附近泥沙中值粒径偏小，约为12 μm，所研究河段泥沙平均中值粒径为13 μm。

表1 典型断面悬移质泥沙中值粒径 μm

图7 断面SH12悬移质泥沙级配曲线

为了对黄河外滩研究区域泥沙分布规律有进一步的了解，本文仅选断面SH12进行分析。根据断面SH12左岸、右岸和河道中心附近处分别取样的悬移质泥沙粒径实测数据，绘制了泥沙级配曲线，如图7所示。由图7可知，断面SH12的粒径分布近似呈正态分布，粒径范围为0.9～88.8 μm，在河道中心处，泥沙的中值粒径d50=12.01 μm，表示在沙样中，大于和小于这一粒径的泥沙质量刚刚相等。通过计算可知，该断面80%的悬移质泥沙粒径为2.00～45.88 μm。

综合各断面实测结果，该研究区域悬移质泥沙粒径为0.5～100 μm，80%的悬移质泥沙粒径为0.9～50 μm。

在6个典型断面靠近左岸、右岸和河道中心处分别取样1次，测量了典型断面不同位置处的含沙量，结果如表2所示。可以看出，由于所研究河段较短，各断面的含沙量比较接近，平均值为0.61 kg/m3，这是因为11月份属于枯水期，河道含沙量较小。

表2 典型断面悬移质含沙量 kg/m3

2.5 泥沙淤积量计算

采用断面法[11]计算河床冲淤量和冲淤厚度，即将相邻两个断面间泥沙淤积量用棱台体积公式计算出来，再累加，就可以得到整个研究区域的泥沙淤积量。平均淤积厚度则为淤积量与区域面积的比值。将研究区域划分为23个单元，其中断面SH1到断面SH2为第1单元，记为SH1-SH2，其他类似。由于所要研究的焦点主要集中于右岸附近出河床冲淤情况，为了计算方便，设定每个断面长度均为100 m，从右岸开始计算。研究区域从2018年6月至11月，经过了5个月的发展，总淤积量约为5.09万m3，平均淤积厚度为1.06 m。最大的淤积量为单元SH1-SH2，淤积量为0.45万m3，此位置正好在河道上游区域，靠近进水口，而且断面之间的距离为40 m，计算的单元面积也大于其他的单元，故其单元的淤积量最大；单元总淤积量和平均淤积厚度最小的是SH23-SH24，该单元处于河段最下游，淤积量仅为0.08万m3。

图8为研究区域不同位置处淤积量和平均淤积厚度。由图8可知，除单元SH1-SH2外，淤积量和淤积厚度在上游区域先增加，到断面SH4到达最大，然后再逐渐减小，在断面SH24处达到最小。

图8 研究区域不同位置处平均淤积量及淤积厚度

为了更直观地反映相邻两个断面之间的淤积量和淤积厚度，将相邻断面之间的淤积量和淤积高程用柱状图表示，如图9表示。由于断面间距设置均匀，相邻单元面积接近，平均淤积厚度分布与淤积量的分布基本一致，淤积量大的单元位置附近，其平均淤积厚度也相应的较大。

图9 研究区域不同单元处平均淤积量及淤积厚度

3 结 语

在长约500 m的黄河外滩河段，设置了24个实测横断面，利用声学多普勒测速仪(M9)和高精度RTK等测量仪器，对各个断面的水深、河床高程、含沙量和悬移质泥沙粒径分布进行了实测，得到了以下几个结论：

(1)根据2018年6月和11月的实测数据可知，河道经过5个月的发展，左岸附近均出现程度不同的冲刷，河道向左展宽，其余位置处均出现了一定的淤积，在右岸附近泥沙淤积也较为严重，覆盖了水下的铅丝笼保护的水下根石。

(2)黄河外滩河段区域悬移质泥沙粒径分布范围为0.5～100 μm，80%的悬移质泥沙粒径一般为0.9～50 μm，反映了该河段悬移质泥沙粒径分布比较集中，各断面的含沙量比较接近，平均值为0.61 kg/m3。

(3)采用断面法计算河床冲淤量和冲淤厚度，得出河道整体呈淤积状态。靠近右岸设置了铅丝笼保护的水下根石淤积严重，平均淤积厚度为1.06 m，总淤积量为5.09万m3，从上游到下游，淤积量和平均淤积厚度呈先上升，然后下降的趋势。

对黄河外滩河段区域的实测数据进行分析，有助于正确认识该河段的水流运动和河床演变，为后续深入研究该河段的数值模拟研究奠定了基础，也为相关部门保护该景区的水下根石提供一定的参考。