黄河宁夏段近期水沙特性及冲淤量变化预测

岳志春，赵 清，梁艳洁，陈 峰

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 宁夏水旱灾害防御中心，宁夏 银川 750001；3.宁夏葡萄酒与防沙治沙职业技术学院，宁夏 银川 750199；4.黄河勘测设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

黄河宁夏段全长397 km，约占黄河总长的 1/14，由峡谷段、库区段和平原段三部分组成。峡谷段由黑山峡峡谷段和石嘴山峡谷段组成，总长86.12 km。库区段为青铜峡库区及回水段，全长44.14 km，平原段总长266.74 km[1]，该河段具有水少、沙多、水沙异源、水沙不协调、冲淤变化频繁等特点。本文利用宁夏段下河沿、青铜峡、石嘴山水文站1950年11月至2018年10月实测水沙资料，通过沙量平衡法、实测断面法计算、预测了河段冲淤变化情况，以期为后期河道整治工程建设和洪水灾害防治提供参考。

表1 下河沿站1950年～2018年月年水沙特征值统计

1 干流来水来沙

1.1 干流来水来沙特点

(1)来水来沙异源。黄河宁夏河段的水量主要来自上游吉迈至唐乃亥和循化至兰州区间，该区间汇集了黑河、白河、洮河、大通河、湟水等20多条支流，年来水量占下河沿断面年径流的60%以上。沙量主要来自干流兰州以上、兰州至下河沿区间的支流及宁夏境内的清水河、红柳沟和苦水河等主要支流。

(2)水沙量年内分配不均。宁夏河段干流下河沿水文站多年平均月年水沙特征值见表1。下河沿1950年～2018年多年平均径流量为296.5亿m3，多年平均沙量为1.14亿t。汛期7月至10月水量所占比例51.8%，来水主要集中在汛期；汛期7月至10月沙量所占比例达84.1%，来沙主要集中在汛期，集中程度高于径流的集中程度。

(3)水沙量年际变化大。图1和图2分别为宁夏河段干流下河沿水文站年水量、年沙量变化过程。1950年～2018年下河沿站最大年水量为1967年的512.2亿m3，最小年水量为1997年的188.9亿m3，最大与最小年水量的倍比为2.7。最大年沙量为1959年的4.39亿t，最小年沙量为2015年的0.17亿t，最大与最小年沙量的倍比为25.8。

图1 下河沿站历年水量变化过程

图2 下河沿站历年沙量变化过程

1.2 近期水沙变化

(1)水沙量明显减少。1950年11月至1968年10月，上游人类活动影响较小，可基本代表天然状态，该时期下河沿站多年平均水量为339.3亿m3；1968年11月至1986年10月刘家峡水库运用期间，下河沿站多年平均水量为318.7亿m3，与1968年以前相比，年水量减少了6.1%；1986年11月至2018年10月龙羊峡刘家峡水库联合运用期间，下河沿站多年平均水量为260.0亿m3，与1968年以前相比，实测水量减少幅度为23.4%，实测沙量减小，减小幅度大于水量减小幅度。1950年11月至1968年10月，上游人类活动影响较小，可基本代表天然状态，该时期下河沿站多年沙量为2.15亿t，1968年11月至1986年10月刘家峡水库运用期间，下河沿站多年平均沙量为1.07亿t，与1968年以前相比，年沙量减少了50.3%；1986年11月至2018年10月龙羊峡刘家峡水库联合运用期间，下河沿站多年平均沙量为0.61亿t，与1968年以前相比，沙量减少幅度为71.6%。下河沿站不同时期水沙量特征见表2。

(2)水沙量年内分配比例发生变化，汛期比重减小。天然状态下(1950年11月至1968年10月)，下河沿站汛期水量占全年的比例为61.9%，汛期沙量占全年的比例为87.2%；1968年11月至1986年10月，由于刘家峡等水库投入运用，汛期水量占全年水量的比例减少为53.0%，汛期沙量占全年沙量的比例为83.6%；1986年10月龙羊峡水库投入运用，汛期水沙量比例进一步减少，汛期水量占全年水量的比例为43.4%，汛期沙量占全年沙量的比例为78.9%。

(3)汛期大流量天数减少，小流量天数增加。下河沿水文站1951年～1968年汛期日均流量大于2 000 m3/s出现的天数为54.0 d，占汛期的比例为43.9 %，小于1 000 m3/s出现的天数为14.2 d，占汛期的比例为11.5 %；刘家峡水库投入运用后的1969年～1986年，汛期日均流量大于2 000 m3/s的天数减少至30.5 d，占汛期比例为24.8 %，小于1 000 m3/s出现的天数为31.8 d，占汛期的比例为25.9 %；1986年龙羊峡水库投入运用后，大流量出现天数减少更加明显，1987年～1999年、2000年～2018年汛期流量大于2 000 m3/s的天数分别为4.2、6.1 d，仅占汛期的3.4%和5.0%，相应的小流量天数增加，分别达到了80.6 d和58.3 d。不同时期下河沿不同流量级出现的天数对比见图3。不同时期宁夏河段干流入出口控制站不同流量级水沙量统计见表3。

图3 不同时期下河沿水文站汛期各流量级出现的天数

2 河道冲淤特性

根据宁夏河段资料情况对河道冲淤量进行计算，计算方法主要有两种[2]。一是利用输沙率资料采用输沙率法计算河道冲淤量，计算结果见表4；二是利用实测大断面资料采用断面法计算河道冲淤量，计算结果见表5。

表2 下河沿站不同时期水沙特征值统计

表3 宁夏河段干流入出口控制站不同流量级水沙量统计

表4 宁夏河段输沙率法冲淤量

表5 宁夏河段断面法冲淤量及冲淤厚度

2.1 年际冲淤特点

河道有冲有淤、冲淤交替变化，多年冲淤基本平衡。1960年以来宁夏河段不同时期冲淤量见表4。1960年11月～1968年10月宁夏河段年均冲刷0.409亿t，1968年11月～1986年10月宁夏河段年均淤积0.012亿t，1986年11月～2018年10月年均淤积0.073亿t。从1960年以来宁夏河段年冲淤量变化看(见图4)，宁夏河段有冲有淤[3]，冲刷与淤积交替发生，多年冲淤基本平衡。1960年11月～2018年10月多年平均冲刷0.012亿t。

图4 宁夏河段年际冲淤变化

2.2 年内冲淤特点

卫宁河段非汛期淤积、汛期冲刷，1969年以后非汛期淤积和汛期冲刷幅度减弱；青石河段非汛期冲刷，1969年以后汛期由冲刷转为淤积。

卫宁河段1960年11月～1968年10月非汛期年均淤积0.126亿t(见图5)，汛期年均冲刷0.182亿t；1968年11月～1986年10月非汛期年均淤积0.089亿t，汛期微冲，年均冲刷0.002亿t；1986年11月～2018年10月非汛期年均淤积0.046亿t，汛期年均冲刷0.017亿t。卫宁河段表现出了非汛期淤积、汛期冲刷，非汛期淤积和汛期冲刷幅度减弱的特点。

图5 卫宁河段不同时段年内冲淤变化

青石河段1960年11月～1968年10月非汛期年均冲刷0.234亿t(见图6)，汛期也为冲刷，年均冲刷0.120亿t；1968年11月～1986年10月非汛期年均冲刷0.132亿t，汛期由冲刷转为淤积，年均淤积0.057亿t；1986年11月～2018年10月非汛期年均冲刷0.134亿t，汛期淤积加重，年均淤积0.177亿t。青石河段表现出了非汛期冲刷，汛期由冲刷转淤积的特点。

图6 青石河段不同时段年内冲淤变化

2.3 纵向冲淤特点

卫宁河段冲淤量小，青石河段冲淤量大，是影响宁夏河段冲淤量变化的主体。

1960年11月～1968年10月卫宁河段年均冲刷0.056亿t、青石河段年均冲刷达0.353亿t，分别占宁夏河段冲刷总量的13.6%、86.4%；1968年11月～1986年10月卫宁河段年均淤积0.087亿t、青石河段年均冲刷0.075亿t；1986年11月～2018年10月卫宁河段年均淤积0.029亿t、青石河段年均淤积0.160亿t，分别占宁夏河段淤积总量的40.2%、59.8%。

2.4 横向冲淤特点

主槽有冲有淤，滩地淤积。

宁夏河段1993年～2001年主槽年均淤积0.081亿t，滩地年均淤积0.028亿t；2001年～2012年主槽年均冲刷0.038亿t，滩地年均淤积0.113亿t；2012年～2018年主槽年均淤积0.020亿t，滩地年均淤积0.051亿t。

卫宁河段1993年～2001年主槽年均冲刷0.009亿t，滩地年均淤积0.007亿t；2001年～2012年主槽年均冲刷0.001亿t，滩地年均淤积0.013亿t；2012年～2018年主槽年均淤积0.070亿t，滩地年均淤积0.021亿t。

青石河段1993年～2001年主槽年均淤积0.090亿t，滩地年均淤积0.022亿t；2001年～2012年主槽年均冲刷0.038亿t，滩地年均淤积0.100亿t；2012年～2018年主槽年均冲刷0.050亿t，滩地年均淤积0.030亿t。

横向冲淤变化影响河槽平滩流量。总的来看，由于宁夏河段冲淤变化幅度较小，平滩流量变化相对不大，1993年～2018年下河沿至青铜峡河段平滩流量在2 600 m3/s左右，青铜峡至石嘴山河段2012年以前平滩流量在2 300 m3/s左右，至2018年增大到2 500 m3/s左右。宁夏河段平滩流量变化见表6。

表6 宁夏河段不同时期断面平滩流量变化情况 m3/s

3 河道冲淤预测

3.1 经验公式法

(1)汛期和非汛期冲淤量与水沙条件的关系。点绘下河沿至石嘴山汛期和非汛期单位水量冲淤量与来沙系数(包括区间支流来沙、引水引沙、排水沟排沙)的关系，见图7和图8。由图可知，汛期和非汛期单位水量淤积量与来沙系数之间均具有较好的关系，汛期单位水量淤积量随来沙系数的增大而增大，当来沙系数较小时，还可能发生冲刷。由图可得到汛期和非汛期单位水量冲淤量与来沙系数的相关关系如下

汛期 ΔWS1=2.4347ln(ζ下河沿1)+14.802

(1)

非汛期 ΔWS2=0.9934ln(ζ下河沿2)+6.2074

(2)

图7 汛期冲淤量与来沙系数的关系

图8 非汛期冲淤量与来沙系数的关系

式中，ΔWS1为采用汛期冲淤量除以下河沿水量得到的单位水量冲淤量，kg/m3；ΔWS2为采用非汛期冲淤量除以下河沿水量得到的单位水量冲淤量，kg/m3；ζ下河沿1为下河沿站汛期来沙系数，kg·s/m6)；ζ下河沿2为下河沿站非汛期来沙系数，kg·s/m6。令式(1)和式(2)左侧的单位水量冲淤量为零，可分别得到对应汛期和非汛期水沙量两种情况下的冲淤平衡来沙系数分别为：ζ下河沿1=0.002 29 kg·s/m6和ζ下河沿2=0.001 93 kg·s/m6。

(2)公式验证。采用宁夏河段1980年～2010年汛期和非汛期水沙资料，根据式(1)和式(2)计算单位水量冲淤量，得到汛期和非汛期河段冲淤量的计算值与实测值比较见图9和图10。由图可知，除个别年份计算冲淤量与实测冲淤量有出入外，其他年份计算冲淤量与实测冲淤量吻合较好。

图9 1980年～2010年汛期冲淤量计算值与实测值比较

图10 1980年～2010年非汛期冲淤量计算值与实测值比较

(3)计算结果。依据上述设计水沙系列和河段汛期和非汛期单位水量冲淤量与来沙系数的相关关系计算，得到历年河道冲淤量计算结果见表7。从计算结果来看，年平均淤积量为0.069亿t，其中汛期淤积0.152亿t，非汛期冲刷0.083亿t。

表7 经验公式法宁夏河段冲淤量计算结果 亿t

3.2 实测冲淤量成果

根据表4、5河道冲淤特性中对宁夏河段实测冲淤量计算结果，输沙率法计算宁夏河段1986年11月～2018年10月年均淤积0.073亿t。断面法计算宁夏河段2001年12月～2012年11月年均淤积0.075亿t，其中卫宁河段年均淤积0.012亿t，青石河段年均淤积0.063亿t；2012年11月～2018年11月年均淤积0.071亿t，其中卫宁河段年均淤积0.091亿t，青石河段年均冲刷0.02亿t。

3.3 河道冲淤量变化预测

(1)河道冲淤量预测。1986年以来进入宁夏河段的水沙条件发生了较大变化，其主要原因与龙、刘水库的运用方式有关[4- 6]。在目前不改变龙、刘水库联合调度运用方式的前提下，进入宁夏河段的水沙条件与1986年以来的水沙条件相比不会有大的改变。有实测大断面资料以来的1993年～2018年期间宁夏河段年均淤积量为0.082亿t，统计1993年11月～2018年10月和1986年以来的宁夏河段干支流水沙量，1993年11月～2018年10月的干流来水量和分配比例与1986年以来基本相当，干流来沙量为0.57亿t，与1986年以来干流来沙量也基本一致，见表8。经验公式方法计算宁夏河段年均淤积量为0.069亿t，断面法实测1993年～2018年年均淤积量为0.082亿t，断面法实测沙量较经验公式计算结果略大。考虑到该时段的水沙量与1986年龙-刘水库联合调度运用以来的长系列基本相当，该系列还包括了2012年、2018年大水年份；因此，选取有实测大断面资料以来的1993年～2018年的年平均冲淤量，作为宁夏河段年平均冲淤量的预测值。

表8 下河沿水沙量特征值对比

(2)分河段冲淤量及厚度。1993年～2018年实测断面法沙坡头坝下至枣园年平均淤积157万m3，年平均淤积厚度为0.019 m；青铜峡坝下至石嘴山河段年平均淤积量428万m3，年平均淤积厚度为0.009 m。

4 结 论

(1)1950年11月至2018年10月，黄河宁夏段水沙量明显减少，水沙量年内分配比例发生变化，汛期比重减小，汛期大流量天数减少，小流量天数增加。

(2)根据宁夏河段河道冲淤量分析，从年际冲淤来看，河道有冲有淤、冲淤交替变化，多年冲淤基本平衡。从年内冲淤来看，卫宁河段非汛期淤积、汛期冲刷，1969年以后非汛期淤积和汛期冲刷幅度减弱；青石河段非汛期冲刷，1969年以后汛期由冲刷转为淤积。从纵向冲淤来看，卫宁河段冲淤量小，青石河段冲淤量大，是影响宁夏河段冲淤量变化的主体。从横向冲淤来看，主槽有冲有淤，滩地淤积。

(3)以经验公式方法计算宁夏河段年均淤积量为0.069亿t，断面法实测1993年～2018年年均淤积量为0.082亿t，断面法实测沙量较经验公式计算结果略大。考虑到该时段的水沙量与1986年龙、刘水库联合调度运用以来的长系列基本相当，该系列还包括了2012年、2018年大水年份；因此选取有实测大断面资料以来的1993年～2018年的年平均冲淤量，作为宁夏河段年平均冲淤量的预测值。按河段划分，1993年～2018年实测断面法沙坡头坝下至枣园年平均淤积157万m3，年平均淤积厚度为0.019 m；青铜峡坝下至石嘴山河段年平均淤积量428万m3，年平均淤积厚度为0.009 m。