黄河内蒙古河段河道冲淤演变与凌情响应机制

张金良,鲁 俊

(黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

一些寒冷地区的河流,从低纬度流向高纬度,在冬季会出现明显的凌汛,如中国黄河的下游河段[1]、宁蒙河段[2- 3]、罗马尼亚Bistrita River[4]、加拿大Red River[5]等。冲积性河道凌汛变化尤其复杂,河流两岸地区常常遭受凌汛灾害影响。研究河道冲淤演变对凌汛发展变化的影响对江河冰凌灾害防治具有重要意义。

影响冲积性河道凌汛发展的因素包括气温条件、水动力条件和河道边界条件等[1- 2]。其中,国内外河道边界条件特别是河道冲淤演变对凌汛发展变化的影响研究较少。已有参考文献的河道冰凌研究可概括为两大类。一类是研究河冰形态、河冰阻力、河冰输移、冰塞冰坝等,如Wazney等[6]研究河流流冰封河过程,利用RLAM法研究冰塞水位变化；Chu等[7]利用遥感技术研究了加拿大西北部地区的河冰生消以及水流输冰影响；王军[8]、茅泽育等[9]研究了封冻河道冰盖下的水流流速分布和阻力计算。这些研究多集中在微观层面,以理论方法为主,可解释封冻河道冰水动力条件变化、计算河道、渠道的流冰输移等。另一类是研究冰凌模拟与预测,如Wazney等[10]研究完善了二维河冰模型,模拟了气温条件改变对封冻过程的影响；Morales- Marin等[11]集成水文模型和气温模型得到了可用于预测冰凌洪水的一维数学模型；张防修等[12]建立内蒙古河段一维河冰动力学模型,模拟了河冰生消及槽蓄水增量过程,杨开林等[13]、茅泽育等[14]等研究河道冰塞的数字模拟,这些研究很少涉及河道冲淤演变对凌情的影响。总体来看,对强冲积性河道,由于河床冲淤变化剧烈、断面不规则,以及河冰生消、冰水流态复杂等因素,已有研究成果中缺少大尺度普适性规律的研究总结。

本文以黄河上游内蒙古冲积性河段为例,利用大量实测资料进行计算分析,研究强冲积性河道冲淤演变与凌情的响应规律,研究结果对江河冰凌灾害防治、水库防凌调度等实践具有重要指导意义。

1 研究区域与数据

1.1 区域概况

黄河内蒙古河段地处黄河流域最北端,起自宁夏的石嘴山,止于内蒙古伊克昭盟准格尔旗的马栅乡,全长约820 km,其中巴彦高勒至头道拐约520 km河道为强冲积性河道(见图1),具有明显的滩槽。内蒙古河段冬季干燥寒冷,气温在0℃以下的时间可持续4～5个月,几乎每年都会出现不同程度的凌汛,河道一般从11月中下旬开始流凌,12月上旬封冻,由于气温上暖下寒,封河自下而上；翌年3月中下旬解冻开河,由于气温南高北低,开河自上而下。1986年以来,内蒙古河段主要是巴彦高勒至头道拐河段堤防先后发生7次决口,其中6次凌汛决口[15],给沿河两岸地区造成巨大经济损失。

图1 黄河内蒙古河段河道示意

1.2 研究数据

黄河内蒙古河段,自上而下布设石嘴山、巴彦高勒、三湖河口、头道拐等多个水文站(见图1),建站时间早(见表1),对水文站断面水位、流量、含沙量、冰情、水温、气温以及断面等进行了观测,观测资料系

表1 内蒙古河段干流水文站基本情况表

列除个别站点外均连续且较长,经黄河水利委员会水文局整编刊印,作为本次研究的数据。除此之外,黄河内蒙古河段间歇性的观测有河道测验断面(其中1962年、1982年、1991年、2000年、2012年、2018年等测次的断面一致性较好,且测量河段长),每年凌汛期由黄河防汛部门对冰凌情的发展变化进行跟踪,记录总结相关冰凌情,如内蒙古河段流凌时间、封河时间、开河时间、封冻长度、封冰厚度以及上游刘家峡水库防凌调度运用、区域气温等资料,也作为本次研究的数据。考虑总体资料序列与质量,主要采用1960—2018年数据资料开展研究。

2 研究方法

分析河道冲淤演变,研究河道冲淤演变过程中与凌情变化关系密切的特征指标。依据河冰生消发展变化过程进行凌汛期不同阶段划分,考虑实际应用需求,研究确定凌汛期凌情变化的重要表征指标。在此基础上,利用公式计算、相关分析等方法研究河道冲淤演变特征指标与凌情变化表征指标的响应关系,明确两者之间的响应规律。

2.1 河道冲淤演变计算

根据内蒙古河段不同时期河道大断面资料,划分滩地、河槽(中水河槽),按照锥体法计算相邻断面滩地、河槽冲淤量,之后累加得到不同时期不同河段的冲淤量。锥体法计算公式形式如下:

(1)

式中:V为相邻断面间河道冲淤体积,m3；Su、Sd分别为上、下游相邻断面的冲淤面积,m2；L为相邻断面间距,m。

内蒙古河段河道冲淤与来水来沙条件、侵蚀基准面、河床边界条件等影响因素有关[16- 18]。这些影响因素的变化使得河床在纵向、横向发生变形。河床变形导致河槽形态发生变化,使得河槽沿程的水面宽度、水深及过水面积等水力因子发生变化。根据式(2)可知,这些水力因子变化影响集中反应到河槽过流能力变化。

(2)

式中:Q为某条件下的过流量,m3/s；n为河床糙率；J为水面比降；A为过水面积,m2；R为水力半径,m。天然河道水面较宽,水面宽度是水深的数十倍甚至上百倍,水力半径一般可以直接用断面平均水深H代替,即R=A/B。

河槽过流能力用平滩流量表示,可利用式(2)根据河槽断面资料进行计算。水文站断面观测资料丰富,平滩流量可以利用水文站断面水位、流量观测资料,根据水文站断面判断确定平滩水位后,从水位—流量关系曲线上读取得到。

2.2 凌情发展变化的表征指标计算

凌汛期一般划分为3个时期,即流凌期、封河期、开河期。流凌期,冰水混合物在河槽内流淌,流冰在行进中遇到弯道、分汊、浅滩、束窄断面发生卡堵、滞留,所受的阻力大于水流的输移力后,开始出现封河,而后继来的流冰连续堆积或平铺,最后冻结成冰盖。冰盖发展过程中,因为冰凌阻塞作用,一部分水(冰)增蓄在河道内,形成槽蓄水量增量。封河完成后,因为冰盖的存在,冰下输水变成了有压流,直至气温转暖,槽蓄水增量释放、冰盖融化,进入开河期。在冰凌生消发展变化以及防凌实践过程中,将冰下过流能力(本文指封冻河道平滩水位下的过流量)和槽蓄水增量作为凌情变化的重要表征指标。

(1) 冰下过流能力计算。利用公式(2)进行计算,将式(2)中的n变为冰盖与河床综合糙率nb,采用式(3)计算:

(3)

式中:nj为河床糙率；ni为冰盖糙率。同时,因为凌汛期封冻后,冰厚(bi)占去了一部分过水面积,需修正式(2)中的过水面积,修正后的过水面积A′为

A′=B(H-0.9bi)

(4)

凌汛期封冻后,考虑复式河道河槽多呈“U”型,且水深相比水面宽小很多,湿周计算时不考虑河槽两岸边壁,湿周≈2B,水力半径计算则为

R=A′/(2B)

(5)

(2) 槽蓄水增量计算。根据水量平衡原理,考虑水流传播,计算封冻河段上下端断面的水量差,并累计求和。

(6)

式中:Wi为某个河段凌汛期第i天的槽蓄水增量；Wu,i为某河段上端第i天水量;Wd,i+m为某河段下端第i+m天水量,m为某河段从上端到下端的水流传播时间。

3 河道冲淤与凌情的特征指标变化

计算内蒙古河段的冲淤量见表2。从全河段整体冲淤情况看,1962—1982年和2012—2018年2个时段表现为冲刷,年均冲刷量分别为0.009亿t、0.070亿t；1982—1991年、1991—2000年、2000—2012年3个时段表现为淤积,年均淤积量分别为0.379亿t、0.540亿t、0.385亿t。

从横向冲淤变化看,滩地不同时期均表现为淤积,河槽有冲有淤。1962—1982年和2012—2018年2个时段河槽为冲刷；1982—1991年、1991—2000年、2000—2012年3个时段河槽为淤积,且是淤积的主体,河槽淤积量占全断面淤积的62.9%、87.5%、80.4%。

从纵向冲淤变化看,昭君坟以上河道1962—1982年和2012—2018年2个时段表现为冲刷,年均冲刷量分别为0.124亿t、0.133亿t,而昭君坟以下河段虽然河槽冲刷,但河槽冲刷量小于滩地淤积量,总体仍为淤积；1982—1991年、1991—2000年、2000—2012年3个时段昭君坟以上和昭君坟以下均表现为淤积,昭君坟以上淤积量大,年均淤积量分别为0.280亿t、0.353亿t、0.292亿t,分别占全河段淤积量的73.9%、65.4%、75.7%。

表2 内蒙古河段不同时期冲淤量计算成果 亿t

利用不同时期河道断面计算内蒙古河段平滩流量变化见表3。可以看到,内蒙古河段冲淤纵向、横向变化使得河段沿程的平滩流量发生变化,1962年平均平滩流量在2 600 m3/s左右,至1982年由于河槽冲刷,平滩流量扩大至4 000 m3/s左右,之后由于河槽持续淤积,平滩流量大幅减小,至2004年平滩流量减小到最小不足1 000 m3/s,之后由于来水来沙条件改善,河槽过流能力逐渐恢复,2012年洪水后,平滩流量扩大至2 000 m3/s左右,至2018年扩大到约2 500 m3/s。但是还有一些卡口段,主要集中在毛不浪、西柳沟、东柳沟等支流汇入口附近。三湖河口水文站断面具有明显的滩槽,能够较好地反映内蒙古河段冲淤变化,作为代表断面,利用连续观测的水位、流量资料分析得到连续的平滩流量变化见图2。

表3 内蒙古河段不同年份平滩流量计算成果 m3/s

槽蓄水增量和冰下过流能力是凌情变化的重要表征指标,受河槽形态变化影响十分明显。图3是三湖河口水文站断面1970年和2005年的测量地形,河槽形态有明显差别,平滩水位1 020 m下的水面宽度和过水面积不同。图4是两个河槽形态条件下凌汛期水位—流量关系,可以看出,封河后,断面水位随着冰下过流量增大而增高。由于1970年中水河槽断面过水面积大、过流能力大,2005年中水河槽断面面积小、过流能力小,导致两者整个凌汛期水位包括封河期水位有较大的差别(同样的冰下过流量600 m3/s时,后者水位高了1 m多),1970年度凌汛期水面低于1 020 m的滩面高程,基本不出中水河槽,而2005年度凌汛期水面抬升超过1 020 m的滩面达0.5米多,导致凌水漫滩,堤防偎水浸泡,不利于防凌安全。1960年以来内蒙古河段年最大槽蓄水增量变化见图5。可以看到,20世纪90年代以前,内蒙古河段凌汛期年最大槽蓄水增量一般不超过14亿m3,平均为9.84亿m3；90年代以后,年最大槽蓄水增量呈增大趋势,最大接近20亿m3,平均为14.22亿m3。

综上分析,平滩流量变化反应了河道冲淤调整,是凌情变化的重要影响因子,确定河道冲淤演变中与凌情有密切关系的特征指标为平滩流量。

图2 三湖河口断面平滩流量年变化过程

图3 三湖河口断面1970年与2005年断面地形

图4 三湖河口断面1970年度与2005年度凌汛期水位—流量关系

图5 内蒙古河段年最大槽蓄水增量历年变化

4 河道冲淤演变与凌情响应关系

4.1 平滩流量与冰下过流能力的响应关系

利用式(2)计算三湖河口断面平滩水位相应平滩流量Qp与冰下过流量Qb的比值:

(7)

式中:np为畅流期糙率；Jp、Jb分别为畅流期、封河期水面比降,两者基本相同；Ap、Ab分别为畅流期、封河期过水面积,m2；Rp、Rb分别为畅流期、封河期水力半径,m。

根据内蒙古河段水文站实测水文资料统计分析,封河期冰盖下的过水面积约占冰面以下面积的80%～90%,取85%,即Ab/Ap=0.85,按照式(5)推算得到平滩水位水位下Rb/Rp=0.43。内蒙古河段畅流期河槽河床糙率在0.012左右；封河期冰盖糙率与封河时长、冰厚、冰盖特征等因素有关,内蒙古河段资料研究表明,在有冰花堆积的情况下,冰盖糙率随着封河时间增长逐渐减小,封河初期10 d内,冰盖糙率从流凌封河的0.1下降至封河完成后的0.05左右,封河稳定50 d后进一步下降至0.03左右,之后趋于稳定。按照式(3)计算冰盖下的综合糙率范围为0.034～0.022,则nb/np的范围2.83～1.83。综合上述计算分析数据,利用式(7)计算得到Qb/Qp的比值范围为0.17～0.26。即表明封河期由于冰盖影响、输水阻力变化,同样水力因子条件下的冰下过流量减小。

进一步利用内蒙古河段实测资料分析中水河槽过流能力与冰下过流能力关系,点绘三湖河口大、中、小不同中水河槽过流能力条件下汛期和封河期实测水位—流量关系,见图6。可以看到:三湖河口断面水位1 020 m 条件下,汛期过流能力在4 500 m3/s左右,封河期水位不超过1 020 m的冰下过流能力约750 m3/s,约是相应水位下汛期过流能力的1/6,见图6(a)；汛期过流能力在2 500 m3/s左右,封河期水位不超过1 020 m 的冰下过流能力约500 m3/s,约是相应水位下汛期过流能力的1/5,见图6(b)；汛期过流能力在1 500 m3/s 左右,封河期水位不超过1 020 m的冰下过流能力约300 m3/s,是相应水位下汛期过流能力的1/5,见图6(c)。

综上分析,内蒙古河段中水河槽过流能力越大,冰下过流能力也越大,反之也越小。总的来看,封河期冰下过流能力为平滩流量的1/5左右。

图6 三湖河口断面凌汛期、汛期水位—流量散点关系

4.2 平滩流量与槽蓄水增量的响应关系

点绘内蒙古河段平滩流量与槽蓄水增量的散点关系见图7,图中呈现出平滩流量3 000 m3/s以下散点带和3 800 m3/s以上散点带,从2条带状的散点关系看,平滩流量越大,槽蓄水增量越小,平滩流量和年最大槽蓄水增量表现出明显的负相关。

实际上,槽蓄水增量的形成和变化除了与河道条件有关外,还与来水、气温等诸多因素有关[15],图7中平滩流量3 800 m3/s以上,主要发生在20世纪90年代以前,河道流冰封冻主要在中水河槽,基本不漫滩,槽蓄水增量形成于河槽；平滩流量3 000 m3/s以下,主要发生在1990—2010年,该时期平滩流量多数年份不足2 000 m3/s,凌汛期河道流冰从封河开始漫滩,漫滩历时长,使得槽蓄水增量形成于河槽和滩地,槽蓄水增量的形成模式发生了改变,图8给出的1970年、2005年槽蓄水增量形成过程可以充分反映这个改变。从图7还可以看到,内蒙古河段平滩流量大于2 000 m3/s后,槽蓄水增量一般小于14亿m3,而平滩流量小于2 000 m3/s,随着平滩流量进一步减小,槽蓄水增量增大,最大接近20亿m3,对防凌十分不利。为了内蒙古河段防凌安全,中水河槽过流能力平滩流量宜不小于2 000 m3/s,槽蓄水增量宜不超过14亿m3。截止到2018年,内蒙古河段平均平滩流量恢复到约2 500 m3/s,为控制内蒙古河段槽蓄水增量提供了良好条件,但是局部河段平滩流量还比较小,保障防凌安全还需要进一步采取措施。

图7 三湖河口平滩流量与年最大槽蓄水增量的散点关系

图8 内蒙古河段典型年份槽蓄水增量形成与释放过程

5 结 论

(1) 内蒙古河段由于特殊的地形地貌特点和气候条件,成为强冲积性河道中凌汛灾害问题突出的一个典型。河道冲淤纵向、横向调整使得中水河槽沿程的水面宽度、水深及过水面积等水力因子发生变化,集中反映到中水河槽过流能力平滩流量变化,平滩流量与冰下过流能力、槽蓄水增量等凌情重要表征指标关系密切。

(2) 内蒙古河段凌汛期冰下过流能力随着平滩流量的减小而减小,冰下过流能力为平滩流量的1/5左右。槽蓄水增量随着平滩流量的减小而增大,当平滩流量减小到一定程度后,将导致槽蓄水增量的形成模式发生改变,由以河槽为主的槽蓄水增量模式改变为滩、槽兼有的槽蓄水增量模式,对内蒙古河段防凌有利的中水河槽过流能力宜不小于2 000 m3/s,凌汛期槽蓄水增量宜不超过14亿m3。