1960-2017年北洛河下游冲淤变化特征及其成因分析

曹绮欣，关 凯，张冰洁，包岁利

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065；2.陕西省河流工程技术研究中心，陕西 西安 710018；3.陕西省江河水库管理局，陕西 西安 710018)

1 研究背景

黄土高原水土流失严重、生态环境脆弱，是黄河流域主要的产沙区。20世纪50年代实施的水土保持治理及1999年实施的退耕还林(草)等工程措施，通过增加植被覆盖率、改善土壤层的水源涵养能力、拦蓄地表径流等，极大影响了黄土高原多沙河流的下垫面条件，改变了流域的水文循环过程及水沙情势。

北洛河作为黄河的二级支流，为典型的多泥沙冲积河流，其上游属于黄土丘陵沟壑区、黄土高原沟壑区，是流域主要的产沙区。受三门峡水库回水淤积、高含沙水流及三口汇流的影响，北洛河下游水沙运动及河床演变规律复杂，引起了诸多学者的关注和研究。齐璞等[1]根据北洛河实测的水沙及断面测验资料，分析了北洛河的河床演变特征及冲淤特性；井涌等[2]、莫莉等[3]、鲁俊等[4]、董起广等[5]、康玲玲等[6]和古明兴[7]基于北洛河干流水文站实测的径流、输沙量系列，通过Mann-Kendall、Spearman检验等统计分析方法，揭示了流域水沙的趋势性变化，结果均表明21世纪以来北洛河径流量、输沙量均呈趋势性减少；梁国亭等[8]和侯素珍等[9]则通过原型观测、一维水沙数学模型及物理模型等方法，分析北洛河改道入黄的影响，探讨其可行性。

近20年以来，北洛河流域径流量及输沙量出现趋势性减少，学界利用水文分析法、水土保持分析法等，定量分析了气候变化、人类活动等因素对径流及输沙量的影响。一部分学者认为降雨等气象因素是流域减水的主要影响因素[3,6,10]，另一部分学者则认为水土保持措施等人类活动对径流的影响居于首位[4,11-12]；流域减沙的成因则较为复杂，主要与流域水土保持治理、退耕还林、气候条件、径流、国家政策等相关[3-4,6,13-17]，其中水土保持治理、退耕还林等人类活动是流域减沙的核心驱动力。另一方面2002年11月三门峡水库开始原型试验，其运行方式对潼关高程及渭河下游冲淤特性影响显著，渭河华县以下河段连年有冲有淤、总体冲刷，期间潼关高程略有降低[18-19]。

从现有的研究成果来看，前人对北洛河的研究多集中在水沙特性与变化[2-7]、河床形成机理分析[1]、北洛河改道入黄[8-9]及水土保持[15,17,20]等方面，但系统地分析北洛河下游冲淤变化特征的研究尚不多见。在流域水沙条件变化、三门峡水库运行调度方式改变的背景下，理清北洛河的冲淤变化特点，对统筹北洛河流域防洪减灾工作、渭河全线整治工程建设、控制与稳定潼关高程、推进高含沙洪水研究等方面有重要意义。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

状头水文站是北洛河下游的控制水文站，于1933年5月建站，现位于蒲城县永丰镇蔡村西禹公路洛河桥边。本次收集到状头站1960-2010年实测水沙数据，资料来源于《黄河流域水文年鉴》。

三门峡水库建库以来库区汛前及汛后均进行淤积断面测验工作，本次收集到1960-2017年北洛河汛前及汛后实测淤积断面资料，测验河段上起上蔡村(洛淤21)，下至朝邑(洛淤1)，断面编号为洛淤1～洛淤21，测验河段全长约100 km，基本涵盖了北洛河下游河段。北洛河流域水系图见图1。

图1 北洛河流域水系图

2.2 研究方法

本文基于北洛河实测的水沙资料系列及淤积断面资料，通过原型观测，统计分析了北洛河河道冲淤量、横断面变化、纵比降变化。采用Mann-Kendall趋势检验法对状头站的径流量及输沙量变化趋势进行显著性检验，探讨北洛河下游的水沙条件变化。

(1)Mann-Kendall趋势检验。对于时间序列x，Mann-Kendall趋势检验的统计量为：

(1)

式中：xi、xj分别为时间序列的第i、第j个数据值；n为数据样本的长度；S服从正态分布，其均值为0。当n>10时，标准的正态统计变量通过下式计算：

(2)

式中：Var(S)为方差，在给定的置信水平α上，如果|Z|≥Z1-α/2，则在置信水平α上，时间序列存在明显的上升或下降趋势。

(2)Mann-Kendall突变检验。对于时间序列x，构造一个秩序列：

(3)

(4)

在时间序列为随机的假设下，统计量定义为：

(5)

式中：E(sk)和Var(sk)分别为sk的均值和方差；UFk服从标准正态分布。

同理再令时间序列x逆序，重复上述求解过程，且令UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1)。当UFk>0时序列呈上升趋势，UFk<0时序列呈下降趋势；若UFk及UBk两线出现交点，交点对应时刻为突变开始时刻。

3 结果分析与讨论

3.1 冲淤变化特征

3.1.1 冲淤量 表1为1960-2017年三门峡水库各运行时期北洛河下游的淤积量统计成果。由表1可知，1960-2017年汛后洛淤1～洛淤21河段累计淤积泥沙2.870×108m3，其中洛淤1～洛淤10河段累计淤积泥沙2.103×108m3，为北洛河下游主要的淤积河段，洛淤10～洛淤21河段累计淤积泥沙0.767×108m3。

表1 1960-2017年三门峡水库各运行时期北洛河下游淤积量统计成果

北洛河下游的河床淤积主要集中在两个时期：一是三门峡水库蓄水初期的1960年9月-1966年5月，水库处于蓄水拦沙及原规模敞泄滞洪排沙阶段，河道泥沙淤积快速发展，洛淤1～洛淤21河段累计淤积泥沙0.528×108m3，占截止2017年累积淤积总量的18.4%，其淤积重心洛淤1～洛淤10河段累计淤积量达0.450×108m3；二是漫滩高含沙大洪水发生的年份，滩面大幅度淤高，下游河段累计淤积量出现跳跃性的增加，其中1966年汛期洛淤1～洛淤21河段淤积泥沙0.653×108m3，1994年汛期洛淤1～洛淤21河段淤积泥沙0.898×108m3，分别占截止2017年累计淤积量的22.8%及31.3%，主要淤积部位均集中在洛淤1～洛淤10河段。

北洛河下游累计淤积量下降，则主要出现在1988年汛期、2003年汛期及2010年汛后至2015年汛前。1988年及2003年汛期北洛河遭遇小流量高含沙洪水(均不漫滩)，北洛河下游汛后河槽显著展宽，河槽普遍冲刷，1988年汛期、2003年汛期洛淤1～洛淤21河段累计冲刷泥沙分别为0.184×108、0.117×108m3。2010年汛后至2015年汛前，洛淤1～洛淤10河段累计冲涮泥沙0.200×108m3，洛淤10～洛淤21河段累计淤积泥沙0.068×108m3，洛淤1～洛淤21河段累计冲刷泥沙0.132×108m3，表现为下冲上淤，冲刷部位溯源发展。

3.1.2 横断面 1960-1985年和1985-2017年洛淤5#断面的横断面套绘图分别见图2和3。由图2和3可知，三门峡水库蓄水前，洛淤5#断面左岸滩唇高程337.5 m，河槽宽度113 m，深泓高程330.9 m。1960年9月三门峡水库开始蓄水，在经过蓄水拦沙、滞洪拦沙两个阶段的运用方式后，1966年汛后洛淤5#断面左岸滩唇高程抬高至340.5 m，河槽宽度缩窄为72 m，深泓抬高至335.8 m，较蓄水前河槽宽度缩窄41 m，深泓抬高4.9 m，滩面及河槽均大幅度淤高。1973年三门峡水库进入蓄清排浑运用阶段，至1985年北洛河下游泥沙淤积得到较好的控制，洛淤5#断面河槽宽度比1973年展宽38 m。蓄清排浑运用期1985-2002年期间，由于20世纪90年代渭河上游来水大幅度减少，渭河下游累积性淤积[21]进一步加剧了北洛河下游淤积的发展，洛淤5#断面左岸滩面平均抬升0.6 m，右岸滩面平均抬升0.9 m，深泓向左摆动22 m，河槽缩窄58 m。2002年三门峡水库原型试验以来，北洛河下游漫滩洪水出现次数显著减少，洛淤5#河槽逐年刷深、缩窄，至2017年汛前，左岸滩唇高程为342.55 m，较2002年汛后降低0.29 m；河槽逐渐向右移动，至2017年汛前深泓累计摆动56 m。总体而言，北洛河下游自20世纪60、70年代筑堤后，其滩面淤积抬高，逐渐发展为地上悬河，至2017年汛前洛淤5#断面滩面较左岸地面高约1.2 m。

3.1.3 河道纵比降 点绘洛淤1～洛淤21河段1965、2002及2017年的深泓纵断面图见图4。根据图4计算河段平均比降可知，自三门峡水库建成运行以来，北洛河下游河道平均比降逐渐增大，洛淤1～洛淤21全河段平均比降由1965年汛后的1.618增大至2002年汛后的1.920，变幅达18.6%。1965年汛后至2002年汛后，深泓点呈现两端降低、中间抬高的态势。河口段深泓降低幅度大，洛淤1～洛淤3河段深泓高程降低0.75～1.03 m；洛淤4～洛淤18河段深泓抬高0.16～2.97 m，悬河发育。2002年三门峡水库原型试验以来，北洛河下段洛淤1～洛淤12深泓点变化不大，上段洛淤13～洛淤21深泓点仍缓慢抬高，抬升高度为0.05～1.25 m。已有研究表明，北洛河淤积末端在洛淤17～洛淤18断面附近[22]，受水库锥体淤积形态的演变特点影响，淤积向上游发展，洛淤1～洛淤21平均河道比降由2002年汛后的1.920增大至2017年汛后的1.941，河道平均比降增大的趋势并未发生扭转，地上悬河进一步发育。

3.2 冲淤变化成因分析

3.2.1 水沙条件

(1)来水来沙量。受流域降雨减少及水保措施效果逐步显现的影响，近年来北洛河下游减水减沙显著[3-4]。本文整理了北洛河状头站1960-2010年径流量及输沙量资料序列，见图5；采用Mann-Kendall趋势检验法对状头站的径流量及输沙量变化趋势进行显著性检验，结果见图6和7；状头站1960-2010不同年代汛期输沙量见图8；状头站汛期输沙量与北洛河下游河道冲淤量关系见图9。

图5～8表明，北洛河状头站年径流量与输沙量分别从1995年及1980年开始出现趋势性的减少。其中输沙量在2000年后大幅减小，减沙主要集中在汛期(图8)，2000-2010年汛期年平均输沙量为0.216×108t，比1960-2010年汛期多年平均输沙量0.655×108t减少67.5%。

由图9可知，汛期输沙量与下游河道泥沙冲淤量存在正相关关系，随着汛期输沙量减小，北洛河下游淤积量亦相应减少，在适当的水沙搭配下河槽将发生冲刷。已有成果指出枯水期冲刷及汛期淤积是北洛河特有的演变特性[1]，2002年以来洛淤5#断面趋于窄深发展，河槽宽深比减小。在当前枯水枯沙的条件下，汛期输沙量、河槽宽深比减小，均有利于北洛河下游河道减淤，近期洛淤1～洛淤21河段的冲淤变化总体保持稳定。

(2)高含沙洪水。1966年7月27日4:30，状头站洪峰流量3 360 m3/s，最大含沙量977 kg/m3，该次洪水前后洛淤5#横断面套绘图见图10。分析图10可知，高含沙洪水河槽贴边淤积，洛淤5#横断面河槽平均缩窄26 m，左岸滩地平均淤高1.1 m，河槽刷深0.1 m。1994年9月1日8:30，状头站洪峰流量6 280 m3/s，最大含沙量805 kg/m3，高含沙洪水淤滩刷槽，洛淤5#横断面河槽刷深0.7 m，滩地平均淤高0.84 m，深泓向左摆动21 m。这两年汛期是北洛河下游河床淤积量大幅增加的年份，1966及1994年汛期洛淤1～洛淤21河段泥沙淤积分别占截止2017年累计淤积量的22.8%及31.3%。

1988年8月14日6:24状头站洪峰流量1 590 m3/s，最大含沙量400 kg/m3，洪水不漫滩，分析图11可知，高含沙洪水冲刷河槽，汛后河槽过水面积比汛前增大225.6 m2，最深点刷深0.4 m。2003年8月27日10:00状头站洪峰流量537 m3/s，最大含沙量261 kg/m3，洪水不漫滩，高含沙洪水冲刷河槽，汛后河槽过水面积比汛前增大103.4 m2，最深点抬高0.2 m。这两年汛期是北洛河下游河床大幅冲刷的年份，1988及2003年汛期洛淤1～洛淤21河段分别冲刷泥沙0.184×108m3及0.117×108m3。

从上述分析可知，高含沙洪水对北洛河河床的塑造具有大冲大淤的特点，主要表现为高含沙大洪水滩面淤积、高含沙中小洪水河槽冲刷。

图2 1960-1985年洛淤5#横断面套绘图 图3 1985-2017年洛淤5#横断面套绘图 图4北洛河下游河道深泓纵断面图

图5 1960-2010年状头站径流量、输沙量变化图 图6 1960-2010年状头站径流量系列Mann Kendall检验 图7 1960-2010年状头站输沙量系列Mann Kendall检验

图8 1960-2010年状头站不同年代汛期输沙量 图9状头站汛期输沙量与下游河道冲淤量关系

图10 1966年7月27日洪水前后洛淤5#横断面套绘图 图11 1988年8月14日洪水前后洛淤5#横断面套绘图

(3)洪水场次与量级。统计的1965-2017年不同时段北洛河状头站500～1 000、1 000～2 000、2 000～3 000及3 000 m3/s以上的洪水场次见表2。表2数据表明，北洛河下游洪水以中小洪水居多，20世纪70年代和90年代洪水场次多、量级大，70年代、90年代分别发生17场、15场洪水，2 000 m3/s以上的洪水分别出现2次、3次；2000年以来，北洛河下游洪水场次与量级均显著减小，2001-2017年洪峰流量大于500 m3/s的洪水仅出现过4次，期间最大洪水发生于2001年8月19日，状头站洪峰流量1 350 m3/s，其余年份均未出现超1 000 m3/s的洪水。近20年来，北洛河下游漫滩大洪水发生次数大幅减少，高含沙大洪水造成滩面淤高的现象少有出现，同时期河道的泥沙淤积量除受局部侵蚀基准面升降影响外基本维持稳定的态势。

表2 1965-2017年不同时段北洛河状头站不同量级洪水场次统计

3.2.2 潼关高程 根据河床演变的基本理论，局部侵蚀基准面对河道的纵剖面起控制作用。黄河潼关河床狭窄，卡口形态显著，是黄洛渭的局部侵蚀基准面。潼关高程与三门峡水库的运行方式密切相关，根据黄河泥沙公报及已有相关研究成果，点绘的1960-2017年潼关高程与北洛河下游河道淤积体累计淤积量过程线见图12。

图12 1960-2017年潼关高程与北洛河下游河道淤积体累计淤积量过程线

由图12可知，潼关高程主要经历了如下过程：1960-1969年潼关高程为快速上升阶段，从1960年汛后323.40 m抬升至1969年汛后328.65 m；1970-1975年为冲刷阶段，1975年汛后下降至326.04 m；1976-1986年呈波动变化，总体保持稳定；1986-2002年又逐渐升高，2002年汛后抬升至328.78 m；2003-2012年出现缓慢下降，2012年汛后降至327.38 m；2013年以来再次进入缓慢抬升阶段，2017年汛后为327.88 m。北洛河下游的淤积发展，与潼关高程的变化历程有较好的同步关系，但时间响应上存在一定的滞后：1960-1968年北洛河下游河床快速淤积，1969-1991年淤积量总体稳定，1992-2002年淤积量增加，2003-2010年基本稳定，2011-2015年淤积量缓慢减少，2015年后淤积量又小幅增加。

对近期三门峡水库运用控制方式分析可知，水库原型试验后库区减淤态势良好[19]。2010年以来三门峡水库汛期、非汛期运用水位均突破原型试验指标与“潼关高程控制与三门峡水库运用方式研究”确定的非汛期最高运用水位不超过318.0 m的指标，潼关高程自2012年汛后开始抬升，北洛河下游淤积量也相应出现增加。

4 结 论

(1)1960-2017年汛后，北洛河下游洛淤1～洛淤21河段累计淤积泥沙2.870×108m3，三门峡水库蓄水初期及高含沙大洪水是河段淤积的主要时期，其中1960年汛前-1966年汛前、1966年高含沙大洪水、1994年高含沙大洪水洛淤1～洛淤21河段淤积量分别占截止2017年汛后累计淤积量的18.4%、22.8%及31.3%。北洛河下游横断面变化表现为河滩不断抬升，河槽向窄深方向发展，而纵向变化则表现为河道平均比降持续增大，河道纵比降自1965年的1.618持续增大至2017年的1.941。

(2)水沙条件及潼关高程变化是北洛河下游冲淤变化的主要原因。高含沙大洪水对北洛河下游河床的塑造具有突变性，“94·8”高含水洪水淤滩刷槽，洛淤5#横断面汛期河槽刷深0.70 m，滩地平均淤高0.84 m，深泓向左摆动21 m。2000年以来，北洛河下游径流量、输沙量呈显著的下降趋势，洪水场次与量级亦显著减小，在当前枯水枯沙的条件下，北洛河下游河道淤积态势总体保持稳定。潼关高程作为黄洛渭的局部侵蚀基准面，对北洛河下游的淤积发展起控制作用，两者的变化历程有较好的同步关系，但在时间响应上北洛河的淤积变化略滞后于潼关高程的变化。

(3)三门峡水库原型试验以来，北洛河减淤态势良好，建议维持水库原型试验非汛期库水位不超过318 m运行的原则，降低北洛河局部侵蚀基准面，减少北洛河下游河道泥沙淤积，改善河道行洪能力，恢复河道生态环境。