黄河宁夏四排口河段截流后河道变形研究

张兴凯　李春光　乔桥等

关键词：水情分析;冲淤变化;泥沙粒径分析;四排口河段;黄河宁夏段

中图分类号：TV131.4;TV882.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.010

引用格式：张兴凯，李春光，乔桥，等.黄河宁夏四排口河段截流后河道变形研究[J].人民黄河，2022，44（3）：48-52.

1背景介绍

1.1项目背景

黄河宁夏段二期防洪工程是国务院确立的172项重大水利工程之一，也是宁夏回族自治区人民政府和水利部确定开工建设的重大民生工程之一。平罗四排口工程是该项目的建设内容之一，该段属于多年老险工段，也是宁夏境内最后一个控制性险工工程。黄河四排口河段位于宁夏石嘴山市平罗县境内，原河道为弯道，该河段为粉细砂河床，属典型游荡性河道，虽然经多年河道治理先后建成15道坝垛，取得了一定的效果，但河势下挫，左岸不断冲刷，致使主流顶冲堤防，险情不断发生。为了从根本上消除险情，实施了平罗段四排口河道整治工程，在该河段进行裁弯取直，并在河道左岸修建丁坝群截流，在右岸滩地开挖引河导流以配合主体工程实施。该工程的实施归顺了河道来流，稳定了黄河河道，解除了黄河险工防洪隐患，实现以“以坝护弯，以弯导流，弯弯相扣”的治河理念，为黄河砂质河床治理积累了经验[1]。

该工程顺利截流，但是在工程建设后可能会出现一系列问题，诸如坝前冲刷、管涌现象、溃坝、截流后主流走向变化等，都有待深入研究。因此，本研究对该河段的水流运动、泥沙运移和河床变形等进行实测分析，为该河段河道整治提供理论依据，并为河段治理提出建设性意见和建议，供有关部门参考[2]。

1.2国内外研究现状

早期针对丁坝的研究主要集中在水槽试验等物理模型，并结合相应的数学模型进行验证和进一步推导。Ahmed[3]进行了第一个关于丁坝近体水流流动的试验，成功记录了丁坝附近水面高程变化;孙志禹等[4]对三峡工程截流技术进行了分析对比;韩玉芳等[5]根据数学模型计算结果和水槽试验数据，重点分析了丁坝回流长度随丁坝附近河床发展而变化，以及相对回流长度与相对河宽的关系;顾杰等[6]采用超声波水位和PIV流速测量技术，在U形水槽中保持进口流量和尾门水位不变，在弯道进口前布置丁坝，通过改变丁坝坝宽和距弯道进口断面的距离研究了丁坝对弯道水流特性的影响;王海阳[7]采用2D水流数值模拟方法进行计算分析，结合河道引水和洪水工况，计算分析河道裁弯取直并新建工程对整体河道水流流态的影响;黄凌霄等[8]为提高河流数值模拟过程中的地形处理效率，以黄河大柳树河段为研究对象，通过图像拼接算法得到宽视野河道图像。

2测量仪器及断面设置

2.1主要测量仪器

美国SonTek公司的声学多普勒流速剖面仪（M9），俗称“河猫”，是一部完整的河水流量测量装置，由声学多普勒三声束水流断面流量测量仪主机、集成电子控制器等硬件设备和RiverSurveyorLive测量软件、定点测流软件等组成。“河猫”系统可以用于测量断面流量、水深、面积和三维水流流速等数据，简单快捷[9]。

南方测绘有限公司的灵锐S86RTK测量方案作业方式简捷、灵活，产品品质稳定、高效，是国内同类产品中第一款采用四馈点双频双星天线的GPS接收机，可有效防止多路径效应，拥有更强的接收信号能力。

Bettersize 2000激光粒度分布仪是一种采用单光束双镜头技术的智能型激光粒度仪，其中测试范围为0.02～2000μm，所有操作全部在电脑控制下自动完成，并具有自动测试、自动光路校准、自动进水、自动排水、自动消除气泡、自动清洗、自动打印和自动保存等特殊功能。该仪器具有测试范围宽、测试速度快、结果准确可靠、重复性好、操作简便等特点。

2.2断面设置

为了实时监测四排口河道的水流特征、河床演变规律与丁坝影响下河道主流的变化情况，需要根据所研究河道的实际地形与水流运动情况布设典型实测断面，用于获取第一手实测资料。图1为施工后四排口河段河岸航拍图（蓝色箭头为水流方向）。2018年3—5月，项目组多次赶赴四排口河道实地考察周围地形，进行了周密测量和讨论，设置了一些典型断面的桩号，并利用高精度GPS对所设桩号进行测量，沿来流方向共设置13个断面，其中断面CS6、CS5、CS4分别位于27#、25#、22#丁坝附近，见图2。

3部分实测资料

断面测量结果见表1。

由表1可知，四排口河段水位从上游到下游呈现沿程下降的趋势。所开挖引河宽度相对于原始河道而言较小，当水流从上游流入引河时，因过流斷面减小而出现水面壅高现象。断面CS7比较窄深，最大水深为20.870m，河宽为338.420m，与其他断面相比水面宽度较小，水流湍急，平均流速达1.905m/s。断面CS2比较宽浅，最大水深为5.700m，河宽为822.033m，相比其他断面最大水深较小，断面平均流速仅有0.840m/s。

4实测结果分析

4.1实测河床高程及垂线平均流速

由所测水位减去水深即可得到断面河床高程。将典型断面2018年10月21日的河床高程与垂线平均流速套绘在一起[10-11]，见图3。

断面CS3靠近21#丁坝，左岸附近水深最大约为9m，右岸最深处水深4.6m左右。CS5沿25#丁坝轴线垂直流向设置，左岸为凹岸，右岸为凸岸，靠近凹岸水深较大，流速较大，近左岸水流因受丁坝阻挡而较为湍急，对岸坡的冲刷能力较强，河底地形表现为左低右高，符合一般水沙运动规律，即凹岸冲刷、凸岸淤积。断面CS7位于丁坝末端，同样位于导流所开挖的引河进口处，其断面形状较为规则，流速分布也比较均匀，中间大，两侧小。CS7断面下游河床左岸将不再受到丁坝的保护，在弯道水流作用下，垂线平均流速的最大值逐渐向左岸靠拢，至断面CS10处河道主槽已完全偏向左岸。断面CS13在引河下游区域，左、右岸附近水深较大，河道中心处水深较小，平均流速集中分布在1.0～1.5m/s之间，相较前期流速减小。

4.2实测河床高程演变变形

为了进一步描述四排口河段水沙运移过程，把握其河道演变规律，运用水力学、河流动力学相关知识及部分实测资料编写了相关的MATLAB程序[10-11]，将2018年7月、2018年10月、2018年11月共3次的实测河床高程资料套绘在一起，见图4。表2给出了部分断面左、右岸移动距离，其中左岸正值为河岸向左移动距离、右岸正值为河岸向右移动距离。

典型监测断面CS3为21#丁坝附近垂直流向断面，左右岸变化微弱，岸线基本保持稳定，只是上游来流在岸边丁坝的挑流作用下，河道主流向右岸偏移，造成河道主槽剧烈冲刷，10月以后，随着流量减小而逐渐淤积。断面CS3的岸边滩地有冲有淤，总体变化不大。典型监测断面CS7位于丁坝群之后，7月河道主槽大致位于河道中央，随着汛期来临，过流量不断增大，上游来流运动形态在丁坝群的调整下，主流逐渐向右岸偏移，造成河床右岸剧烈冲刷，岸线崩退110m左右，而10月以后，随着流量减小，水流挟沙力降低，丁坝对水流的调整作用减弱，主流逐渐回归左岸，造成左岸冲刷、右岸淤积，逐渐转变为宽浅式河道。典型监测断面CS8、CS9、CS10位于引河所处位置，7月河床形态还维持着人为开挖所保留的形态，随着流量不断增大，坝后回流作用持续增强，且坝后回流区流速较大，河道主槽逐渐向左岸偏移，造成左岸持续冲刷、右岸不断淤积。典型监测断面CS11、CS12、CS13位于开挖引河与原始河道相接的位置，除了位于引河末端的CS11断面河床形态变化剧烈、主槽从右岸完全移动到左岸外，CS12、CS13断面河道水面宽度变化甚微，只是原来横在河床中部的滩地被完全冲刷掉，主槽从原来的河道两岸逐渐偏移到河道中央。10月以后随着过流量减小，河床右岸开始淤积，断面CS12和CS13的主槽又开始向左岸转移。

4.3悬移质泥沙粒度分析

2018年11月对每个实测断面分左岸、右岸分别进行悬移质泥沙取样，利用激光粒度分析仪进行粒径分析，得到各断面不同位置处的悬移质泥沙中值粒径，见表3。

通过分析各断面悬移质泥沙粒径分布可以发现：断面CS5至断面CS9，悬移质泥沙中值粒径逐渐减小，从最高的19.99μm逐渐减小到13.22μm，其原因是CS5断面附近岸边丁坝限制了河流的横向展宽，而当水流流出断面CS5后，由于河岸不再受丁坝的保护，因此在高流速作用下，造成边岸冲刷，水面宽逐渐增长，断面平均流速呈现减小的趋势;断面CS9至断面CS10，悬移质泥沙中值粒径突增，其原因是水面宽大幅度缩减，从原来的371.516m减小到290.318m，导致断面平均流速激增，水流挟沙能力增大。简单来说，泥沙粒径的分布和断面平均流速有关，断面平均流速减小，使得水流挟沙力减小，造成粗颗粒泥沙下沉，从而导致悬移质泥沙中值粒径减小，河床表面开始出现淤积。

通过对各断面悬移质泥沙的横向分布进行分析，发现流速较大处，一般悬移质泥沙中值粒径也较大，反之若流速较小，则悬移质泥沙中值粒径也较小，由此可见，垂线平均流速对悬移质粒径分布影响较大。为了对四排口河段泥沙分布规律有更深层次的认识，选取断面CS10左岸附近、中心处以及右岸附近的悬移质泥沙粒径数据绘制了泥沙粒径级配曲线，见图5。

由图5可以看出，断面CS10的悬移质泥沙粒径分布近似呈正态分布。

5结论

利用声学多普勒流速剖面儀、南方测绘灵锐S86RTK、激光粒度分析仪等测量仪器，对黄河四排口河段13个典型断面的水深、垂线平均流速、河床高程、悬移质泥沙粒径等进行了实测，对比分析典型断面不同时期左右岸及河宽的变化情况，得出以下结论。

（1）从河床高程来看，从断面CS1至断面CS5主槽位置从靠近左岸处逐渐向右岸过渡，从断面CS7至断面CS11河道主槽从靠近右岸处回到左岸，符合弯道水沙运动的一般规律，即凹岸冲刷、凸岸淤积。

（2）由流速分布图可以看出，随着河道中弯道曲率的变化，弯道中流速的最大值在河道的凹、凸岸不断进行转换，流速变化的趋势大致为抛物线分布，即河道中心处的流速较大，而两岸流速相对较小。

（3）该段河道（断面CS1至断面CS13）悬移质泥沙中值粒径沿流程并非单一递增或递减，而是呈现出一种起伏不定的变化趋势，表明该段河道水流处于一种十分复杂的运动状态，导致水流挟沙力沿程变化幅度较大。

【责任编辑 许立新】