黄河下游河道11月至次年5月时期输沙和冲淤规律研究

郑 钊 ，郭庆超 ，黄烈敏 ，邓安军

（1.中国水利水电科学研究院 泥沙研究所，北京 100048；2.河南黄河勘测设计研究院，河南 郑州 450003；3.流域水循环模拟与调控国家重点实验室 水利部水沙科学与江河治理重点实验室，北京 100048；4.长江水利委员会荆江水文水资源勘测局，湖北 荆州 434000）

1 研究背景

然而，黄河下游11月至次年5月时期水沙量虽然较小，但该时期历时较长，冲淤变化全部发生在主槽内，且下游河道在该时期主要表现为冲刷，据统计1960—2010年11月至次年5月时期累积冲刷27.5亿t，这对于以淤积为主的下游河道而言显得至关重要。因此，对该时期下游河道水沙输移特性及冲淤规律进行研究很有必要。刘继祥等[13]对1960—1996年36年非汛期下游河道冲淤进行分析，得出全下游共冲刷16.14亿t，高村以上粗泥沙在高村以下大量淤积，出现“泥沙搬家”现象。李文文等[14]通过建立汛期和非汛期水沙条件与平滩流量关系的人工神经网络模型，论证了非汛期水沙条件对平滩流量的影响是不容忽略的。李晓娟等[15]认为河段平滩河槽形态的调整与汛期及非汛期水沙条件都密切相关。李小平等[16]将每年5—10月划为汛期、11月至次年4月划为非汛期，研究得出小浪底水库运用以后非汛期河道冲刷量随着水量增大而增大，并回归建立了非汛期河道冲淤量与来水量之间的关系式。这些研究成果对于认识黄河下游11月至次年5月时期水沙特性和冲淤规律是有益的。但是，现有的研究并没有分河段揭示水沙运动规律，而黄河下游不同河段输沙特性有很大不同；也没有全面反映冲淤量与水沙因子关系，对于水沙运动和冲淤规律揭示不够全面。

因此，本文主要对黄河下游11月至次年5月时期水沙输移以及河道冲淤规律进行研究。通过建立黄河下游花园口、高村、艾山、利津等4站输沙率与各自上站的水沙因子关系，以反映游荡型、过渡型、弯曲型河段的水沙输移特性；通过建立黄河下游冲淤与小浪底站水沙因子关系，给出该时期黄河下游河道冲淤平衡临界阈值；最后，根据建立的关系式，在给定该时期小浪底站水沙条件后，即可合理计算该时期黄河下游不同河段的冲淤量，为快速评估该时期上游不同来水来沙条件对黄河下游河道冲淤影响提供技术支撑。

需要说明的是，本文的研究时期为每年的11月至次年5月时期，这与黄河非汛期通常指11月至次年6月有所不同。这主要是由于黄河下游在6月份也会发生洪水，而洪水期输水输沙特性和冲淤规律在机理上与11月至次年5月时期有很大不同。因此，本文的研究时期并不包含6月份。

2 黄河下游11月至次年5月时期水沙特点

1960—2010年黄河下游11月至次年5月时期小浪底、花园口、高村、艾山以及利津5站水沙过程见图1。总体来看，黄河下游该时期输水量和输沙量呈减小趋势。就5站输水量而言，由于伊洛河、沁河的汇入，花园口站输水量要大于小浪底站；因受河道区间引水影响，花园口站至利津站输水量又沿程减小。就5站输沙量而言，该时期小浪底站输沙量最小，自1970年代后期起，小浪底站该时期输沙量基本为0；小浪底站至花园口站输沙量急剧增大，在高村站达到峰值，表明该时期小浪底至高村河段主要以冲刷为主；高村、艾山以及利津3站输沙量又沿程减小，艾山站较高村站输沙量略小，而利津站输沙量又明显小于艾山站，表明该时期高村至艾山河段冲淤基本平衡或微淤、艾山至利津河段则以淤积为主。

图1 11月至次年5月时期小浪底-利津5站水沙量变化过程

花园口站该时期年均水量、沙量变化过程见图2。分时段来看，花园口站年均水量由1960年代的459.81亿m3减为2000年以后的251.25亿m3、年均沙量由12.52亿t减至1.11亿t；该时期水沙量也明显减少（见表 1），水量由1960年代的181.73亿m3减为2000年以后的111.17亿m3，沙量则由2.61亿t锐减为0.16亿t；不同时期的该时期水量占全年比重基本稳定在40%左右，而该时期沙量占全年比重仅为10%-20%，表现为水多沙少的特征，水流输沙能力有富余，为该时期河道冲刷提供了条件。分年度来看，花园口站年均水沙量呈明显下降趋势（见图2）。但从1978年起，花园口站该时期年均水沙量占全年比重呈明显上升趋势。

3 11月至次年5月时期泥沙输移规律

根据黄河下游5站实测水沙资料，分别分析11月至次年5月时期下站输沙率与上站流量、含沙量、输沙率的关系。需要说明的是，这里所用的流量、含沙量、输沙率均是该时期的平均值，即从1960—2010年，总共有51组数据。

表1 花园口站不同时期水沙量

图2 花园口站11月至次年5月时期平均水量、沙量变化过程

3.1 输沙率与流量的关系根据小浪底、花园口、高村、艾山以及利津等5站逐年11月至次年5月时期输沙率、流量实测资料，分别点绘下站输沙率与上站流量关系（5站输沙率依次以Qs1至Qs5表示、流量依次以Q1至Q5表示），如图3所示。下站输沙率与上站流量相关关系拟合公式及相关系数如表2所示。4个河段中利津站与艾山站相关关系最好，但也不超过0.80。整体而言，该时期下站输沙率与上站流量关系一般。

3.2 输沙率与含沙量的关系根据小浪底、花园口、高村、艾山以及利津等5站逐年11月至次年5月时期输沙率、含沙量实测资料，分别点绘下站输沙率与上站含沙量关系（5站输沙率依次以Qs1至Qs5表示、含沙量依次以S1至S5表示），如图4所示。下站输沙率与上站含沙量相关关系拟合公式及相关系数如表3所示。除花园口站输沙率与小浪底站含沙量关系略好外，其余河段下站输沙率与上站含沙量关系一般。

3.3 下站输沙率与上站输沙率的关系根据小浪底、花园口、高村、艾山以及利津等5站逐年11月至次年5月时期输沙率实测资料，分别点绘下站输沙率与上站输沙率关系（5站输沙率依次以Qs1至Qs5表示），如图5所示。下站输沙率与上站输沙率相关关系拟合公式及相关系数如表4所示。结果表明，下站输沙率与上站输沙率有很好的相关关系，其相关系数均在0.84以上，艾山至高村、利津至艾山两河段的输沙率相关系数更达0.93以上，沿程不同河段输沙率的相关性是不断增强的，这与小浪底来水来沙沿程不断调整，通过与河床冲淤交换，使水沙关系变得更加协调的规律是一致的。

2）泥浆宜选用化学泥浆。化学泥浆是一种水溶性，易混合的粉末颗粒聚合物，在水中充分溶解后成半透明糊状，黏度大，在孔内沉淀杂质速度非常快。钻具在孔内钻进时，泥浆总是保持清澈透明，钻具钻杆表面干净，在孔内由于钻具连续运动，化学泥浆和水的混合越均匀黏度就越强，凝聚也就越快，可快速在孔壁周围形成一层薄透明糊状保护层且无毒无污染。

表2 下站输沙率与上站流量拟合公式及相关系数

图3 下站输沙率与上站流量关系

通过建立11月至次年5月时期下站输沙率与上站流量、含沙量以及输沙率的相关关系，可以发现，下站输沙率与上站输沙率的关系要明显优于与流量、含沙量的关系。因此，选择拟合公式（9）-（12）作为反映黄河下游该时期沿程输沙规律的定量关系式，利用这些关系式，在已知小浪底该时期来水来沙时，可很快捷地沿程逐站递推计算得到花园口、高村、艾山及利津等4站该时期输沙率，再根据沙量平衡法，进而可以计算沿程各河段冲淤量。

4 11月至次年5月时期下游河道冲淤规律

河道冲淤量的计算主要包括断面法和输沙平衡法。输沙平衡法是使用河段上下游两水文站实测的输沙量和区间汇入、引出沙量，利用沙量平衡关系，即可计算出河段冲淤量[17]。本文根据小浪底、花园口、高村、艾山以及利津等5站输沙率实测值为基础，考虑沿程区间引水和伊洛河、沁河入汇，采用输沙平衡法分别计算小花段、花高段、高艾段、艾利段以及黄河下游历年11月至次年5月时期冲淤量，1960—2010年各河段该时期累积冲淤值见表5。黄河下游河道该时期总体上表现为冲刷，51年中42年呈现为冲刷，仅9年表现为淤积，51年该时期累积冲刷量达27.50亿t。由此可见，虽然该时期来沙量较少，但对于黄河下游河道冲淤的影响是不容忽视的。点绘1960—2010年下游河道该时期冲淤量与小浪底站水沙因子的关系，可以发现该时期冲淤量与来水量相关关系较弱，但与小浪底站来沙量、含沙量以及来沙系数具有一定关系（见图6）。由图6（b）～（d）可知，当该时期小浪底站来沙量为1.82亿t、或平均含沙量为12.6 kg/m3、或来沙系数为0.014 kg·s/m6时，黄河下游河道处于冲淤平衡状态，若小于这些临界阈值下游河道以冲刷为主；反之，以淤积为主。当已知该时期小浪底站水沙过程时，可以根据图6所拟合公式估算下游河道冲淤量。

表3 下站输沙率与上站含沙量拟合公式及相关系数

图4 下站输沙率与上站含沙量关系

5 11月至次年5月时期下游河道冲淤对水沙条件的响应

以小浪底站11月至次年5月时期实测水沙资料为基础，根据下站输沙率与上站输沙率关系式（表 4公式（9）—（12）），可沿程逐站递推花园口、高村、艾山、利津4站该时期输沙率，再采用输沙平衡法计算该时期下游河道冲淤量，计算所得冲淤过程与实测资料对比如图7所示。由图7可知，下游河道该时期总体处于冲刷状态，采用拟合公式计算得到的累积冲淤值具有较高的精度，但2000年小浪底水库运用以来（该时期以清水下泄为主），计算值明显大于实测值，即当小浪底水沙过程含沙量较低时，采用表4输沙率关系式计算下游河道冲淤量精度较低，故需要对表4中输沙率关系式进行修正。

表4 下站输沙率与上站输沙率拟合公式及相关系数

图5 下站输沙率与上站输沙率关系

表5 1960—2010年各河段11月至次年5月时期累积冲淤值 （单位：亿t）

来沙系数（S/Q，kg·s/m6）作为一个重要的水沙搭配参数，可以用来判断洪水期河道的冲淤强度，在黄河的泥沙研究中得到了广泛的应用[18]。本文将来沙系数引入该时期河道冲淤研究中，以小浪底该时期来沙系数为依据，对表4中计算输沙率拟合公式进行修正。经试算，以小浪底该时期来沙系数S/Q=0.002 kg·s/m6为界分区间拟合输沙率计算公式，能够得到更精确的河道冲淤计算结果。修正后拟合公式见表6。采用修正后输沙率关系式计算下游河道该时期累积冲淤过程见图7，可见修正后的精度较拟合公式修正前明显提高。

采用修正后输沙率关系式计算下游各河段冲淤量与实测值对比见图8，除高村到艾山河段相关系数（R2=0.68）略低外，其余各河段相关系数均为1.00。由图8可知，1960—2010年黄河下游该时期河道冲淤以高村为界，高村以上河段以冲刷为主，小花河段冲刷量大于花高河段；高村以下河段以淤积为主，其中高艾河段微淤，艾利河段淤积明显，这与文献[13]所述的黄河下游河道在非汛期出现“泥沙搬家”现象的论述是一致的，与图1所示小浪底至利津5站沿程输沙量变化趋势也是相符的。

图6 11月至次年5月时期冲淤量与水沙因子的关系

图7 拟合公式（修正前后）计算冲淤量与实测值比较

表6 修正后的输沙率拟合公式及相关系数

图8 修正后拟合公式计算11月至次年5月各河段冲淤量与实测值比较

黄河下游小浪底、花园口、高村、艾山和利津等5个水文站的输沙率有很好的相关关系，据此拟合下站输沙率与上站输沙率关系式，继而计算所得该时期累积冲淤量无论在时间维度上，还是在沿程空间分布上，与实测值对比均有较高的精度。当未来在黄河上中游兴建水利工程，只要根据设计时给定的进入黄河下游11月至次年5月时期水沙条件，即可采用本文建立的该时期输沙率关系式沿程逐站递推花园口、高村、艾山、利津等4站的输沙率，继而采用输沙平衡法预测未来黄河下游河道该时期不同河段冲淤量，不仅精度高，而且简单明了便于应用，还可避免数学模型预测时参数选择的不确定性，对快速判断黄河上中游水利工程建设对下游河道冲淤影响具有重要意义。

6 结论

（1）1960—2010年期间，不同时期的11月至次年5月时期水量占全年比重基本在40%左右，而沙量占全年比重介于10%～20%，呈现为水多沙少现象，这正是黄河下游大多数该时期表现为冲刷的原因所在。

（2）虽然11月至次年5月时期来沙量较少，但该时期水沙过程均在主槽运行且持续时间长，黄河下游河道发生明显冲刷，沿程表现为高村以上河段明显冲刷、高村至艾山微淤、艾山以下河段明显淤积的特点，即存在所谓的“泥沙搬家”现象，该时期对于河道冲淤的影响不容忽视。

（3）建立了11月至次年5月时期黄河下游冲淤量与小浪底站水沙因子关系，给出了该时期进入黄河下游河道的冲淤平衡临界阈值：来沙量1.82亿t、含沙量12.6 kg/m3、来沙系数0.014 kg·s/m6。当小于这些临界阈值，下游河道在该时期以冲刷为主；反之，则以淤积为主。

（4）建立了11月至次年5月时期黄河下游各站输沙率与上站水沙因子关系，结果表明下站输沙率与上站输沙率有很好相关关系，能较好地反映沿程输沙规律。当未来在黄河上中游兴建水利工程，只要根据设计时给定的进入黄河下游该时期水沙条件，即可采用本文建立的该时期输沙率关系式沿程逐站递推花园口、高村、艾山、利津等4站的输沙率，继而采用输沙平衡法预测未来黄河下游河道该时期不同河段冲淤量，对快速判断黄河上中游水利工程建设对下游河道冲淤影响具有重要意义。