黄河下游花园口以上河道滞沙指标研究

摘 要：水沙搭配关系是影响黄河下游河道冲淤调整的重要因素，局部河段滞沙则是改善下游水沙关系的有效手段之一。小浪底水库运用后，河槽沿程冲刷不均衡，河床粗化，细沙补给不足，输沙效率明显降低。分析黄河下游河道冲淤特性及水沙演进规律，建立不同类型洪水滞沙河段（花园口以上河段）与排洪瓶颈河段（高村—艾山河段）的冲淤关系。基于滞沙对河道行洪和稳定性的影响，以排洪瓶颈河段不淤积为约束，提出洪水滞沙的水沙优化配置指标。中泥沙洪水滞沙指标为：洪水平均流量为１ ８００～ ３ ７００ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量为６６～２３５ ｋｇ／ ｍ３。

关键词：滞沙指标；滞沙河段；排洪瓶颈河段；水沙调控；黄河下游

中图分类号：ＴＶ１４２； ＴＶ８８２．１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．１１．００７

引用格式：申冠卿，王平，王佳，等．黄河下游花园口以上河道滞沙指标研究［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（１１）：４３－４８．

０ 引言

水沙关系不协调是黄河下游河道淤积抬升、河槽萎缩的主要原因之一。河槽冲淤时空分布不均衡致使２０ 世纪末黄河下游高村—艾山河段（以下称瓶颈河段）出现河槽排洪能力低于其上下游河段的“瓶颈”现象［１］ ，瓶颈现象的发展及其对河道行洪的滞后效应突出表现为２００２ 年汛前高村平滩流量仅２ ０００ ｍ３ ／ ｓ 左右［２］ 。针对黄河下游河槽排洪目标及维持不萎缩的水沙条件，许多学者从径流量、输沙量、流量及含沙量等方面进行了研究［３－６］ 。在平衡输沙指标方面，姚文艺等［７］ 提出黄河下游非漫滩和漫滩洪水不淤积的临界来沙系数分别为０．０１２ ｋｇ·ｓ／ ｍ６和０．０１５ ｋｇ·ｓ／ ｍ６；申冠卿等［８］ 根据洪水资料建立了艾山—利津河段不淤积的临界水沙关系条件。为充分利用水资源、减少输沙水量，申冠卿等［９－１１］ 开展了高效输沙洪水等研究。韩其为［１２］ 分析１９６０—１９９６ 年黄河下游淤积资料后认为，高含沙洪水是造成河道淤积的最主要原因；刘晓燕等［１３－１５］ 提出了高含沙洪水的调控指标。１９９９ 年１０ 月小浪底水库投入运用后，黄河下游河道明显冲刷，冲刷沿程不均衡发展，冲刷强度上大下小［１６］ 。截至目前，黄河下游花园口以上河段平滩流量大于７ ５００ ｍ３ ／ ｓ，瓶颈河段平滩流量为４ ７００ ｍ３ ／ ｓ［１７］ 。花园口以上河段具有明显的泥沙调节能力，小浪底水库排放高含沙洪水时，该河段严重淤积，可改善进入其下游河段的水沙搭配；小浪底水库排放清水时，该河段又可提供沙源，提高水流输沙效率。因此，利用该河段科学滞沙具有提高小浪底水库排沙效率且维持黄河下游瓶颈河段河槽过流能力的巨大潜力。已有研究表明，花园口以上河段维持平滩流量不小于５ ０００ ｍ３ ／ ｓ 时，２００８ 年汛末该河段理论可滞沙量为２．０２ 亿ｔ［１８］ ，持续冲刷使得排洪瓶颈河段逐渐下移［１］ 。目前关于河道滞沙、主槽不萎缩等研究多偏重于黄河下游全河段河槽的冲淤演变和输沙效果，对各河段冲淤部位调整与不同水沙条件的响应关系等研究较少，同时也未考虑小浪底水库运用后河槽沿程冲刷的不均衡性对河道行洪的反馈效应。本文以瓶颈河段不淤积为约束，研究花园口以上河道滞沙的水沙过程，提出黄河下游洪水调控的主要指标，以期为减缓小浪底水库淤积、维持黄河下游河槽排洪输沙能力提供技术支撑。

１ 基于黄河下游各河段冲淤调整的洪水分类

１．１ 河段冲淤与洪水的响应关系

分析１９６５—１９９９ 年２５４ 场非漫滩洪水资料后发现，黄河下游河道不同类型的洪水对河槽冲淤产生的影响不同。图１ 为花园口以上、高村以上及瓶颈河段洪水期泥沙冲淤与全下游冲淤量之间的关系。

由图１ 可以看出，花园口以上河段及高村以上河段冲淤量基本随全下游冲淤量同步变化，二者具有较好的相关性，关系式见式（１）和式（２），相关系数分别为０．９３ 和０．９８。瓶颈河段冲淤量明显小于花园口以上河段，与全下游冲淤量的相关性较差，相关系数为０．６１，关系式见式（３）。上述２５４ 场非漫滩洪水使黄河下游共计淤积６８．０ 亿ｔ，花园口以上河段淤积４４．９８亿ｔ，占全下游淤积量的６６．２％；花园口至高村河段淤积２２．４０亿ｔ，占全下游淤积量的３２．９％；瓶颈河段淤积２．３４亿ｔ，占全下游淤积量的３．４％；艾山至利津河段冲刷１．７２ 亿ｔ，占全下游淤积量的－２．５％。

Ｃｈ ＝－０．０１６Ｃｔ２ ＋０．５３６Ｃｔ ＋０．０４４ （１）

Ｃｇ ＝０．００６Ｃｔ２ ＋０．８１１Ｃｔ ＋０．０４５ （２）

Ｃｇ－ａ ＝０．００７Ｃｔ２ ＋０．０８１Ｃｔ －０．０１８ （３）

式中：Ｃｈ、Ｃｇ、Ｃｇ－ａ、Ｃｔ 分别为花园口以上、高村以上、瓶颈河段及全下游冲淤量。

从不同河段洪水泥沙冲淤调整看，花园口以上河段（以下称滞沙河段）洪水期淤积、非洪水期冲刷特征明显，对泥沙的调节能力最大，且小浪底水库运用以来该河段冲刷强度最大［１６］ ，为洪水自然滞沙提供了有利的边界条件。

１．２ 洪水分类

水沙搭配主要指组成洪水的各水沙因子如流量、含沙量、泥沙组成及洪水历时的组合方式。洪水按流量大小可分为漫滩洪水和非漫滩洪水，按含沙量大小可分为高含沙量洪水、中等含沙量洪水和低含沙量洪水。不同类型洪水对各河段河槽冲淤调整的影响各不相同。根据来沙组成，即粒径小于０．０２５ ｍｍ 的悬沙质量百分比Ｐ∗，将２５４ 场非漫滩洪水分为３ 类。

１）细泥沙洪水。将６８％≤Ｐ∗ ＜９６％的洪水定义为细泥沙洪水，共计６７ 场，全下游总冲刷量为７．５０ 亿ｔ，其中滞沙河段冲刷２．６５ 亿ｔ，瓶颈河段冲刷１．３３ 亿ｔ。这类洪水来沙组成较细，当下游发生淤积或冲刷时，沿程冲淤分布相对均匀，瓶颈河段及滞沙河段冲淤变化趋势与全下游冲淤变化趋势基本一致，如图２ 所示。由于悬沙沿程分选性差，滞沙河段和瓶颈河段冲淤基本同步，因此这类洪水不适宜滞沙。

２）粗泥沙洪水。将１８％≤Ｐ∗ ＜３５％的洪水定义为粗泥沙洪水，共计４５ 场洪水，滞沙河段及瓶颈河段冲淤与全下游冲淤关系如图３ 所示。

由图３ 可以看出，粗泥沙洪水各河段冲淤量随来沙量的增大而增大，即随来沙量增大滞沙河段淤积量增大，同时瓶颈河段淤积量也相应增大。若扣除图中来沙量大于１．９ 亿ｔ 的３ 场洪水，余下４２ 场洪水总来沙量为２７．２８ 亿ｔ，相应下游总淤积量为１１．６１ 亿ｔ，淤积比为４２．６％。其中滞沙河段淤积８．３４ 亿ｔ，瓶颈河段淤积０．２２ 亿ｔ，艾山—利津河段（以下称艾利河段）淤积１．８４ 亿ｔ，分别占下游淤积量的７１．８％、１．９％、１５．８％。

艾利河段冲淤主要与流量大小有关，具有“大水冲、小水淤”的泥沙输移特性［８］ 。黄河下游流量为８００ ～１ ７００ ｍ３ ／ ｓ的低含沙量洪水具有上冲下淤的演变特征，对艾利河段不利［１９］ 。４２ 场洪水中，流量小于１ ７００ ｍ３ ／ ｓ 的洪水有２８ 场，洪水总来沙量为１４．２８ 亿ｔ，相应下游淤积量为８．４９ 亿ｔ，其中滞沙河段淤积４．６４ 亿ｔ，瓶颈河段淤积１．０４ 亿ｔ，艾利河段淤积１．７５ 亿ｔ，分别占下游淤积量的５４．７％、１２．２％、２０．６％，这类洪水滞沙河段及瓶颈河段均淤积，不易滞沙；流量大于１ ７００ ｍ３ ／ ｓ 的洪水有１４ 场，洪水总来沙量为１３．０ 亿ｔ，相应下游淤积量为３．１２ 亿ｔ，其中滞沙河段淤积３．６９ 亿ｔ，瓶颈河段冲刷０．８１ 亿ｔ，艾利河段淤积０．０８ 亿ｔ，分别占下游淤积量的１１８．３％、－２６．０％、２．６％，这类洪水滞沙河段淤积严重，瓶颈河段冲刷，艾利河段微淤，适宜滞沙，其相应滞沙洪水条件为：洪水来沙量小于１．９ 亿ｔ，平均流量１ ７００～３ ３００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量３０～７０ ｋｇ／ ｍ３。

３）中泥沙洪水。将３５％≤Ｐ∗ ＜６８％的洪水定义为中泥沙洪水，这类洪水在黄河下游发生的频率最高。图４ 给出洪水期典型河段冲淤量与全下游冲淤量之间的关系。

由图４ 可以看出，当全下游冲淤量小于２．５ 亿ｔ时，滞沙河段冲淤量随全下游冲淤量增加而增加，瓶颈河段冲淤量随全下游冲淤量的增加变化不大，处于微冲微淤状态；当全下游冲淤量大于２．５ 亿ｔ 时，瓶颈河段冲淤量随全下游淤积量的增加而增加。

这类洪水共计１４２ 场，下游总来沙量为２１３．６ 亿ｔ，河道总淤积量为５９．８２ 亿ｔ，淤积比为２８．０％，其中滞沙河段淤积３６．８８ 亿ｔ，占下游淤积量的６１．７％，瓶颈河段总淤积量为２．９７ 亿ｔ，占下游淤积量的５．０％。中泥沙洪水是黄河下游发生频率最高的洪水，洪水流量、含沙量、水沙量变化范围广，下游各河段冲淤量变化幅度均较大。为筛选适宜的滞沙洪水，以下对这类洪水按冲淤特性进行归类分析。

２ 中泥沙滞沙洪水特性

基于水沙搭配对滞沙河段冲淤的影响、瓶颈河段冲淤与全下游冲淤关系、洪水流量对艾利河段输沙的影响［８，１９］ 以及水量沿程平衡等因素，对１４２ 场中泥沙洪水进行筛选，适宜滞沙的条件为：洪水平均流量Ｑｊ ＞１ ７００ ｍ３ ／ ｓ，下游河道淤积量０．４ 亿ｔ＜Ｃｔ ＜２．５ 亿ｔ。

满足上述条件的洪水共计２３ 场。其中小浪底水库运用前１７ 场、小浪底水库运用后的２０１８—２０２０ 年有６ 场，洪水特征及相应冲淤量见表１（表中，小浪底水库运用前三站指三门峡＋黑石关＋武陟，小浪底水库运用后三站指小浪底＋黑石关＋武陟，下同）。由表１可知，１９６５—１９９９ 年１７ 场滞沙洪水，三站平均流量为２ ３２５ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量为１０９．９ ｋｇ／ ｍ３，总沙量为４５．９４亿ｔ，利津以上河道淤积量为２２．８０５ 亿ｔ，淤积比为４９．６％，其中滞沙河段、瓶颈河段、艾利河段分别淤积１４．１５１ 亿、０．４２０ 亿、０．６９３ 亿ｔ，分别占全下游淤积量的６２．１％、１．８％、３．０％。２０１８—２０２０ 年６ 场滞沙洪水三站平均流量为２ ９６７ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量为８１．５ ｋｇ／ ｍ３，总来沙量为１０．４５ 亿ｔ，利津以上河道淤积量为７．７９８亿ｔ，淤积比为７４．６％，其中滞沙河段、瓶颈河段、艾利河段分别淤积６．２３６ 亿、０．２７２ 亿、０．１３８ 亿ｔ，分别占全下游淤积量的８０．０％、３．５％、１．８％。

３ 中泥沙滞沙洪水调整规律

３．１ 各河段泥沙输移与全下游冲淤关系

滞沙洪水沿程冲淤分布不均，泥沙淤积主要集中在滞沙河段，瓶颈河段微淤。将瓶颈河段进一步划分为高村—孙口河段和孙口—艾山河段，各河段冲淤与全下游冲淤的关系如图５ 所示。

从图５ 及表１ 可以看出，瓶颈河段淤积主要集中在高村—孙口河段，孙口—艾山河段微冲，洪水期冲淤对瓶颈河段过流能力影响较小。

３．２ 洪水期分河段泥沙输移影响因子分析

图６ 给出了滞沙河段和瓶颈河段冲淤量与含沙量的关系。由图６ 可以看出，各河段冲淤量与含沙量具有较好的相关性。滞沙河段场次洪水滞沙量随含沙量增大而增大，含沙量是影响滞沙河段冲淤调整的关键因素。瓶颈河段淤积量随含沙量变化不明显，场次洪水有冲有淤，单次洪水淤积或冲刷量均很小，这主要与高村以上宽河道对泥沙具有较大调节能力有关，高含沙洪水高村以上河段泥沙淤积量约占全下游的８７％［２０］ 。

图７ 给出了洪水期滞沙河段及瓶颈河段冲淤量与流量的关系。由图７ 可以看出，滞沙河段及瓶颈河段冲淤量随流量增大变化趋势并不明显，洪水期淤积主要集中在滞沙河段，对瓶颈河段影响不大。

为分析水沙变化对河段冲淤调整的综合影响，引入来沙系数ｋ（ｋ ＝Ｓ ／ Ｑ，Ｓ 为三站洪水平均含沙量，Ｑ 为三站洪水平均流量），分别点绘洪水期下游河道淤积比及滞沙河段淤积比与来沙系数之间的关系，如图８和图９ 所示。

从图８ 和图９ 可以看出，小浪底水库运用前后点群出现明显分带。小浪底水库运用后，下游河道长时期冲刷，河床粗化，床沙中的细泥沙补给不足，２０１８ 年黄河下游河道的输沙能力相对于２０００ 年降低约５７．１％［１６］ ，同等来沙系数情况下，２０１８—２０２０ 年洪水输沙能力明显降低。

小浪底水库运用前，洪水期黄河下游河道淤积比η１与来沙系数具有较好的相关性（见图８），相关系数为０．９０，下游河道淤积比与来沙系数的关系可表示为式（４）；滞沙河段淤积比η２ 与来沙系数相关性相对较差（见图９），相关系数为０．７０，洪水期滞沙河段淤积比与来沙系数之间的关系见式（５）。

式（４）和式（５）是根据实测的中泥沙洪水资料回归得到的，其适用范围为中泥沙洪水，即３５％≤Ｐ∗＜６８％。

３．３ 洪水期河段滞沙对河道淤积的滞后影响分析

２０１８—２０２０ 年汛期小浪底水库共发生６ 场排沙洪水，共计排沙１０．４５ 亿ｔ，洪水期滞沙河段发生严重淤积，共淤积泥沙６．２３６ 亿ｔ，瓶颈河段淤积泥沙０．２７２亿ｔ，见表１。

２０１８—２０１９ 年受汛期排沙量大的影响，滞沙河段汛期淤积、非汛期冲刷，年内呈现淤积，见表２。２０２０年小浪底水库汛期排沙少，下游河道汛期淤积量小、非汛期冲刷，年内滞沙河段基本维持冲淤平衡。由表２可知，小浪底水库排沙期，滞沙河段淤积，此后清水及非汛期冲刷，随着时间的推移，滞沙期间淤积泥沙可被后续低含沙水流全部带走，２０１８—２０２１ 年，滞沙河段累计冲刷０．４３５ 亿ｔ，前期淤积泥沙全部被冲走，瓶颈河段累计冲刷０．６５９ 亿ｔ。可见，选择适宜的水沙过程及滞沙控制指标，滞沙河段滞留的泥沙一般在当年或后续几年可被清水全部带走，且不加剧瓶颈河段淤积。

４ 中泥沙洪水滞沙指标

基于不同水沙搭配洪水滞沙河段与瓶颈河段冲淤的响应关系，以减少滞沙河段行洪影响、瓶颈河段不淤积为约束，且兼顾艾利河段少淤积，提出了包括泥沙组成、流量及含沙量等因子的洪水滞沙配置指标，即粒径小于０．０２５ ｍｍ 的悬沙质量百分比Ｐ∗ 应满足３５％≤Ｐ∗ ＜６８％，洪水平均流量为１ ８００～３ ７００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量为６６～２３５ ｋｇ／ ｍ３。

黄河河道冲淤调整影响因素众多，包括来水来沙条件、河床组成、断面形态及前期河道淤积或冲刷程度等。鉴于河床演变的复杂性，上述中泥沙洪水滞沙指标（流量和含沙量）为区间范围，含沙量变化范围较流量大，如图１０ 所示。

由图１０ 可以看出，流量与含沙量的对应关系表现为：流量为１ ８００～２ ５００ ｍ３ ／ ｓ 时，含沙量随流量增大有减小的趋势，含沙量由２３５ ｋｇ／ ｍ３减小为７８ ｋｇ／ ｍ３，减幅较大；流量为２ ５００～３ ７００ ｍ３ ／ ｓ 时，含沙量随流量增大有增大的趋势，含沙量由６６ ｋｇ／ ｍ３增大为１０５ ｋｇ／ ｍ３，但增幅较小。

５ 结论

１）洪水期黄河下游滞沙河段、瓶颈河段冲淤量与全下游冲淤量存在一定关系。滞沙河段对泥沙的调节能力最大，具备洪水自然滞沙功能。

２）黄河下游洪水按悬沙组成可分为３ 类，即细泥沙（６８％≤Ｐ∗ ＜９６％）洪水、粗泥沙（１８％≤Ｐ∗ ＜３５％）洪水、中泥沙（３５％≤Ｐ∗ ＜６８％）洪水，其中细泥沙洪水泥沙沿程分选能力差，滞沙河段和瓶颈河段冲淤基本同步，不适宜滞沙。

３）粗泥沙洪水，泥沙容易落淤、输移距离近，滞沙河段严重淤积，瓶颈河段冲刷，艾利河段微淤，相应滞沙洪水条件为：洪水来沙量小于１．９ 亿ｔ，平均流量为１ ７００～３ ３００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量为３０～７０ ｋｇ／ ｍ３。

４）中泥沙洪水是滞沙洪水主体，黄河下游河道及滞沙河段淤积比与来沙系数有较好的相关关系，且河段滞沙对河道行洪影响较小。滞沙洪水水沙配置指标为：洪水平均流量为１ ８００～３ ７００ ｍ３ ／ ｓ，平均含沙量为６６～２３５ ｋｇ／ ｍ３。

参考文献：

［１］ 陈建国，周文浩，孙平．黄河下游驼峰河段的形成机理［Ｊ］．水利学报，２０１０，４１（８）：９２１－９２６．

［２］ 吴保生．冲积河流平滩流量的滞后响应模型［Ｊ］．水利学报，２００８，３９（６）：６８０－６８７．

［３］ 刘晓燕，张原锋，李勇，等．黄河下游主槽断面恢复目标及相应水沙条件研究［Ｊ］．科学通报，２００６，５１（增刊２）：１７６－１８２．

［４］ 张原锋，申冠卿．黄河下游维持主槽不萎缩的输沙需水研究［Ｊ］．泥沙研究，２００９，３４（３）：８－１２．

［５］ 吴保生，李凌云，张原锋．维持黄河下游主槽不萎缩的塑槽需水量［Ｊ］．水利学报，２０１１，４２（１２）：１３９２－１３９７．

［６］ 刘晓燕，申冠卿，李小平，等．维持黄河下游主槽平滩流量４ ０００ ｍ３ ／ ｓ所需水量［Ｊ］．水利学报，２００７，３８（９）：１１４０－１１４４．

［７］ 姚文艺，胡春宏，张原锋，等．黄河下游洪水调控指标研究［Ｊ］．科技导报，２００７，２５（１２）：３８－４５．

［８］ 申冠卿，李勇，岳德军，等．艾利河段泥沙输移特性及不淤临界含沙量探讨［Ｊ］．人民黄河，２００４，２６（１１）：１９－２１，４６．

［９］ 申冠卿，张原锋，张敏．黄河下游高效输沙洪水调控指标研究［Ｊ］．人民黄河，２０１９，４１（９）：５０－５４．

［１０］ 李小平，李勇，曲少军．黄河下游洪水冲淤特性及高效输沙研究［Ｊ］．人民黄河，２０１０，３２（１２）：７１－７３，２４８．

［１１］ 许炯心．黄河下游高效输沙洪水研究［Ｊ］．泥沙研究，２００９，３４（６）：５４－５９．

［１２］ 韩其为．黄河下游河道巨大的输沙能力与平衡的趋向性：“黄河调水调沙的根据、效益和巨大潜力”之二［Ｊ］．人民黄河，２００８，３０（１２）：１－３，５８，１２１．

［１３］ 刘晓燕，申冠卿，张原锋，等．黄河下游高含沙洪水冲淤特性及其调控对策初探［Ｊ］．北京师范大学学报（自然科学版），２００９，４５（增刊１）：４９０－４９４．

［１４］ 申冠卿，张原锋，张敏．黄河下游漫滩高含沙洪水滩槽界定及泥沙时空沉积特性［Ｊ］．水科学进展，２０１７，２８（５）：６４１－６５１．

［１５］ 张原锋，刘晓燕，张晓华．黄河下游中常洪水调控指标［Ｊ］．泥沙研究，２００６，３１（６）：１－５．

［１６］ 申冠卿，张原锋，张敏．小浪底水库运用后黄河下游河道洪水与泥沙输移特性［Ｊ］．泥沙研究，２０２０，４５（６）：５９－６６．

［１７］ 黄河水利科学研究院．２０２３ 年黄河下游河道排洪能力分析［Ｒ］．郑州：黄河水利科学研究院，２０２３：６３－６５．

［１８］ 王党伟，陈建国，吉祖稳，等．黄河下游河道滞沙条件及滞沙空间研究［Ｊ］．泥沙研究，２０１２，３７（５）：２６－３２．

［１９］ 刘继祥，安催花，曾芹，等．小浪底水库拦沙初期调控流量分析论证［Ｊ］．人民黄河，２０００，２２（８）：２６－２７，４６．

［２０］ 申冠卿，张晓华．黄河下游高含沙量洪水不同粒径泥沙的淤积调整［Ｊ］．泥沙研究，１９９７，２２（１）：９－１５．

【责任编辑 张 帅】

基金项目：国家自然科学基金黄河水科学研究联合基金资助项目（Ｕ２２４３２１８）；河南省重大科技专项（２３１１００３２０１００）