黄河宁夏段特大洪水中河相变化特征研究

2021-12-17 00:46李颖曼王乐宋天华王彦君马良

人民黄河 2021年12期

李颖曼王乐宋天华王彦君马良

摘要：黄河宁夏段受上游来水来沙变化等因素的影响，河道断面会发生变化，最终会影响河道的过流能力。基于水文站实测数据分析黄河宁夏段主要断面近几十年来的过流面积变化特征，借助河相关系参数阐释河槽过流能力的变化趋势。在此基础上，进一步研究黄河宁夏段典型断面的水流弗劳德数变化规律。结果表明，石嘴山断面形态及河相关系的变化相比于下河沿及青铜峡断面更为显著;代表断面形态的河相关系参数与水流弗劳德数紧密相关，具体表现为下河沿、青铜峡断面的流量与弗劳德数对应关系良好，整体优于宽浅型的石嘴山断面。

关键词：河相关系参数;弗劳德数;黄河宁夏段

中图分类号：TV62;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.012

引用格式：李颖曼，王乐，宋天华，等.黄河宁夏段特大洪水中河相变化特征研究[J].人民黄河，2021，43（12）：57-62.

Abstract： It could be anticipated that the cross sections within Ningxia reach of the Yellow River followed a natural law by self-adjusting channel geometry to accommodate the associated changes of flow and sediment from upstream， which in turn could alter the channel capacity to delivering flow and sediment. The present study therefore aimed to analyze the spatial-temporal variability of main cross-sectional geometry within Ningxia reach of the Yellow River through using river gage records. Also， the channel capacity for discharging bank-full flow was analyzed with the aid of channel geometric parameter. Further， the variations associated with Froude number for flow passing through main cross sections was investigated in detail. The findings from the present study show that the changes of section morphology and river facies relationship in Shizuishan are more significant than that of Xiaheyan and Qingtongxia. The parameters of river facies relationship representing the section shape are closely related to the Froude number of flow， specifically， there is a good corresponding relationship between the discharge of Qingtongxia section and Froude number and it is better than the wide and shallow Shizuishan section as a whole.

Key words： channel geometric parameter; Froude number; Ningxia reach of the Yellow River

河相關系是河道经过一段时间调整后，河道断面形态与其所在河段的流量、泥沙、河床变化等形成的某种定量关系。Kennedy[1]最先开始河相关系的研究并确定了稳定河床水力因子与流量之间的指数函数关系。随后，Leopold等[2]基于美国平原河流数据，将稳定河床的河相关系扩展到了粒径范围较广的天然冲积河流，并建立了河流形态参数及水力变量的平均值与流量之间的幂函数关系。Richards[3]认为当漫滩流量出现时可能会存在河相关系的非连续性，而且漫滩流量以下的河相关系参数与流量之间存在非线性的响应关系，基于此提出了二次对数关系式。这些早期的研究基本以水文经验统计为主。近几十年来，关于河相关系的研究出现了理论方法，如Parker[4]提出的河流稳定理论，即边界上各处的泥沙在河槽平滩流量条件下都恰好处于临界起动状态。然而，由于理论方法对联合求解的其他方程结构形式存在依赖性，因此现阶段依靠理论方法得到的结果并不理想[5]。Singh[6]综合相关研究发现，虽然目前有很多理论方法，但缺少有效率定数据造成这些方法难以比较与选择，而且无论是理论方法还是经验方法，在实际应用时都以Leopold、Richards等公式为基准。

另外，有研究表明，受气候变化与人类活动等多种胁迫影响，黄河宁蒙河段水沙关系变化大，淤积严重[7]。在此背景下，不仅断面的河相关系在变化，而且与其密切相关的河道过流能力也在重新调整。杨卓媛等[8]研究发现黄河尾闾段的断面形态朝窄深方向发展，河相系数持续减小，冲刷时平滩流量增大。白涛等[7]分析得出了“黄河三湖河口断面流量不断减少、过流能力不断下降”的结论。裴云等[9]通过对比分析发现，黄河内蒙古河段断面流量和过流能力下降，河段呈缓慢淤积态势。面对宁蒙河段小流量持续淤积的问题，有学者提出可考虑使用人造洪水来实现该河段不淤或冲刷。研究洪水过程中的断面河相关系和过流能力具有重要意义[7]。

已有研究多侧重于黄河下游河道，对黄河上游过渡河段的断面变化研究相对较少[10]。

鉴于此，笔者以黄河宁夏段为研究对象，依据主要控制站（从上游到下游依次为下河沿、青铜峡、石嘴山水文站）的测量数据，采用特征参数法开展河道断面变化特性研究，分析河道断面与水流流态、断面可蚀性的潜在关联性，重点解析黄河历史大洪水对宁夏河段断面形态的塑造作用。另外，洪水特别是漫滩洪水对两岸边滩的水文连通、地形变化及动植物生长也会产生较大影响。因此，研究黄河宁夏段在历史大洪水中的断面形态响应对黄河中上游的河道整治、河道过流能力修复等具有重要的参考价值。

1 研究范围

黄河上游宁夏段自中卫南长滩入境，至石嘴山麻黄沟出境，全长397 km，约占黄河总长的1/14，位于黄河“几”字形河道发展区的前端，是承接黄河上游和中下游的过渡性河段[11]。该河段位于龙羊峡、刘家峡水库下游，对两座水库的水沙调节影响最为敏感。相关研究表明，随着大中型水库的建设和运行，其下游河道断面将受到一定影响[12]。受龙羊峡及刘家峡水库水沙调控等因素的影响，黄河宁夏段及中下游河道响应水沙条件的变化，断面会适应性调整。黄河上游于1981年发生了1949年以来最大的洪水事件，对当年在建的龙羊峡水电站施工围堰以及兰州、宁蒙、兰包铁路等均构成了严重威胁。另外，黄河宁夏段有3个控制水文站，即下河沿、青铜峡、石嘴山。3个站的数据（流量、过流面积、流速、水面宽度、水深、糙率等）较为完整，因此作为本次研究的代表性断面。图1给出了黄河宁夏段3个水文站在大洪水年份实测的断面形态变化情况，上游的下河沿断面在历年的洪水作用下变化幅度较小，下游的石嘴山断面形态变化较为剧烈，中段的青铜峡断面形态变化介于两者之间。

2 河道断面变化的定量表达

河道断面研究涉及内容较广。一般而言，河道断面变化多以平滩流量下的断面尺寸等基本参数（如河槽断面过流面积）来描述，在此基础上，很多学者借助河相关系参数来描述断面变化，该参数突出了水力要素与河道断面要素之间的关系[13-17]。现简要介绍本研究所采用的基本参数及分析方法。

2.1 河道断面的河相关系参数

3 结果与分析

3.1 河相关系变化

图2分别给出了代表性断面河宽、水深及河相关系参数历年变化情况。由图2可以看出，1970—1980年下河沿河宽从236.8 m缓慢增大至246.0 m，1981年洪水作用后，该处河宽由原来的246.0 m突然增大至263.0 m，1981—1986年（龙羊峡水库建成）维持在262.0 m左右，自1990年以来，该处断面宽度显著缩窄，2012年河宽为231.0 m，接近有资料记录以来的最小值;青铜峡断面河宽呈现明显的台阶式变化特点，即1971年以前为450.00 m左右，1971年后突然降至350.0 m左右，1981年洪水未引起该处河宽发生明显变化;石嘴山断面河宽在1981年洪水作用下未发生变化，而近年来也呈现断面缩窄的趋势，即由2007年的397.0 m下降至2012年的320.0 m。

相比之下，3个断面的水深变化幅度较小，下河沿的水深始终保持在6.1 m左右，青铜峡的水深由1965年的6.0 m左右缓慢增大到1981年的7.6 m，并延续至2012年。综合分析这些断面宽度及水深多年的变化趋势可以看出，宁夏河段的3个断面呈横向缩窄的发展趋势。

基于河宽与水深数据，这里给出了断面河相关系参数随时间的变化。如图2（c）所示，自1968年刘家峡水库投入运行以来，青铜峡与下河沿的河相关系参数变化较小，说明上游水库调度使宁夏中上段河相关系的发展趋向稳定。自1981年来，青铜峡断面处的河相关系参数最稳定（ 2.36 ～ 2.86）。相比而言，石嘴山处的河相关系参数年际间变化显著，特别是在1990—2009年（尽管数据在2000年前后有间断），其断面河相关系参数由3.96增大到5.62后又回落至3.90，这间接说明石嘴山的河相关系有突变发生，尽管如此，从多年变化趋势来看，石嘴山处的河相关系参数在缓慢减小，目前略低于多年平均水平。

3.2 弗劳德数变化

结合1981年黄河洪水实测资料，运用式（2）可得到下河沿、青铜峡、石嘴山的河宽、水深及流速均值与流量之间的关系。从图3给出的拟合曲线可以看到，下河沿处水深、流速随流量的增大而显著增大，河宽也略有增加;青铜峡处河宽、水深及流速均随流量增大呈明显的增大趋势;石嘴山处河宽、水深随流量的增大快速增大，流速缓慢增大且与流量的关系相对较差。

图4提供了1981年洪水过程下河沿、青铜峡、石嘴山断面的流量（Q）与弗劳德数（Fr）之间的关系。显然，不同断面水流弗劳德数随流量变化呈现不同的规律，下河沿与青铜峡处的弗劳德数随流量的增大而增大，而石嘴山处的流量与弗劳德数之间的关系点据较为散乱。观察这些断面的形态变化可以发现，对于紧靠水库下游的窄深型河道断面（如1981年下河沿：B=263 m，H=6.45 m，ξ=2.51;1981年青铜峡：B=347 m，H=7.60 m，ξ=2.45），其流量与弗劳德数之間的关系规律性较强，对应关系较好;对于宽浅型河道断面（如1981年石嘴山：B=366 m，H=5.40 m，ξ=3.54），流量与弗劳德数间的对应关系点据较为散乱。从河道演变的基本规律来说，水库下游的窄深型断面长期受到持续的强冲刷作用，河床的抗冲刷能力会随时间的推移逐渐增强，

河道断面的形态发展逐渐稳定，因此Q—Fr的变化呈现相似的规律;而以石嘴山为代表的宽浅型河道，其断面形态年际变化较大（见图2（c）），在不同尺度的洪水作用下，其Q—Fr变化特征截然不同。

通过以上分析可以发现，断面的几何形态与断面水流的流态具有良好的关联性。断面的河相关系参数越小，说明断面越趋向窄深的几何形态，断面处流量与弗劳德数之间的关系规律性越强;断面的河相关系参数越大，意味着断面形态偏向宽浅型发展，其随时间的变化也将更为显著，受此影响，当大尺度洪水作用于这类（宽浅）断面时，流量与弗劳德数之间的关联性偏差。

如图4所示，1981年石嘴山处的水流弗劳德数与流量的对应关系异常散乱，这或许与两方面的原因有关：一方面与断面形态在洪水作用下的变化速率和泥沙颗粒组成及其抗冲刷性有关，例如岳志春等在分析石嘴山断面形态变化时发现，在1981年洪水作用下，该处的深泓局部最大冲刷为4.84 m[19]，这一观点也在当年的水文年鉴记录中得到证实（青铜峡以上河床多为卵石或砂石，抗冲刷能力较强，而石嘴山断面处以细沙为主，冲淤变化相对剧烈[20]），由图1（c）也可以看出，石嘴山断面的主河槽位置随着冲淤变化在发生明显的横向移动;另一方面，根据Richards方法的要求，本文使用的是流速和水深的平均值，由图3可知，石嘴山处的水深与流量的对应关系相对较好，而流速与流量的关系较为散乱，而且流速随流量的变化幅度较小。绘制3个断面在1981年洪水作用下的过流面积与流量的关系（见图5），可以看出，石嘴山的过流面积随着流量增大而迅速增大，增长最快，这说明由于物质组成偏细，因此河床与河岸在洪水过程中容易被侵蚀，冲刷侵蚀会产生额外的过流面积，正是该断面易膨胀与收缩（易在涨水过程冲刷也易在落水过程淤积）的特性，造成流速随流量的变化幅度较小。相反，若河床泥沙组成以粗颗粒为主（如青铜峡及下河沿断面），其抗侵蚀的能力较强，则过流面积会随着流量增大而缓慢增大，不会因冲刷侵蚀而增加额外的过流面积，在这种情况下，流速会迅速增大，由其得到的弗劳德数与流量的关系也更具规律性。

4 结论

（1）黄河宁夏段代表性断面的河相关系参数与时间之间的关系表明，自1968年刘家峡水库投入运行以来，青铜峡与下河沿的河相关系参数变化较小，石嘴山的河相关系参数年际变化较为明显。观测断面的河宽在逐渐缩小，而水深却在河宽明显缩窄的情况下有增大趋势，河道过流断面朝着窄而深的方向发展。

（2）受Richards分析方法的启发，分析流量与弗劳德数的关系发现，断面的河相关系参数越小（即窄深型河道断面）其流量与弗劳德数之间的关系规律性越强，断面的河相关系参数越大（即宽浅型河道断面）其流量与弗劳德数之间的关系规律性越弱。

（3）河道断面的过流流量与弗劳德数的变化关系也依赖于断面物质的构成，若断面物质组成以抗冲刷性较强的卵石或砂石为主，则过流面积随着流量增大而缓慢增大，流速会随流量增大而迅速增大，弗劳德数与流量具有良好的对应关系;若断面物质组成以易冲刷的细沙为主，则过流面积随流量增大而快速增大，流速则会缓慢增大，弗劳德数与流量的关系则较为散乱。

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