黃河下游山東段泥沙輸移沿程演變規律分析

吳國威，曹 兵

（1.昌邑市水利局，山東 昌邑 261300；2.東營市水利灌溉管理處，山東 東營 257091）

近年來，受氣候變化、水庫調蓄、人類活動等多方面的影響，黃河下游山東段年均流量與含沙量逐步減少，水沙組合條件更趨多樣，河段沖淤演變規律更趨復雜。黃河下游山東段西起山東省東明縣，東至墾利縣注入渤海，河道全長628km，流域面積1.83萬km2，沿程分布有高村、孫口、艾山、濼口、利津等水文站。近年來，受氣候變化、上游水庫調蓄、人類引水等多方面的影響，黃河下游山東段來水來沙形勢出現了明顯的變化，總體表現為來水量、含沙量不斷減少，水沙組合條件更趨多樣，河段沖淤演變規律更趨復雜。

眾所周知，沖積河流河床沖淤演變主要取決于來沙量與水流挾沙能力的對比以及泥沙縱向沿程的變化情況。根據Lane、Bagnold等人的研究，河流處于平衡狀態下的輸沙能力主要與總的水流功率有關。當河道比降變化不大時，河道輸沙能力主要與流量有關。20世紀60年代，竇國仁提出了矩形均勻斷面形態條件下的不平衡輸沙微分方程。韓其為等于70年代末進一步將其擴展應用于天然河道，建立了一維恒定漸變流不平衡輸沙微分方程，并成為黃河下游一維泥沙數學模型中水動力學模型類型的基礎。

本文以黃河下游山東段中的艾山-利津河段為研究對象，基于一維不平衡輸沙理論，對來水來沙變化情況下河道泥沙輸移的沿程變化情況進行概化分析計算。

1 黃河下游山東段來水來沙變化情況

黃河下游艾山-利津河段全長約為281.9km，懸沙平均粒徑約為0.018mm。由黃河下游山東段艾山與利津站年均流量與含沙量的變化情況分析可知，兩站年均流量與含沙量總體上均呈現出逐步減少的趨勢。特別是20世紀80年代中期以后，兩站年均流量多小于1000m3/s。2002年后受調水調沙等因素影響年均流量略有升高，不過依然小于1000m3/s。不同量級流量下黃河下游艾山-利津河段的斷面水力幾何形態關系如表1所示。可以看出隨著流量的減小單寬流量也會相應減小。

表1 黃河下游艾山-利津河段斷面水力要素表

2 泥沙輸移沿程演變規律分析

2.1 一維不平衡輸沙模型的建立

一維恒定漸變流不平衡輸沙簡化微分方程為：

對于均勻流，可以得到式（2）的解析解，表述為輸沙率的形式為：

式中，QS為輸沙率；S為含沙量；x為縱向沿程距進口斷面距離；QS*、S*為平衡狀態下河道輸沙能力對應的輸沙率、含沙量指標；ω為泥沙沉速；q為單寬流量；α為泥沙恢復飽和系數。

根據黃河下游艾山～利津河段1950—2010年實測流量-輸沙率資料，認為當進出口含沙量差值百分比在10%以內時，河段近似處于沖淤平衡狀態，則經過擬合率定，可以得到艾山～利津河段水流輸沙能力的經驗表達式如下：

圖1 黃河下游艾山～利津河段水流輸沙能力與流量關系

2.2 黃河山東段泥沙輸移沿程演變規律

基于表1，采用上述一維不平衡輸沙模型可以計算得到黃河下游艾山～利津河段在不同量級流量（1000m3/s與2000m3/s）下利津站年均輸沙率隨艾山站年均來沙率的變化情況，如圖2所示。圖中實測點據是根據艾山站多年實測流量值分為＜1000m3/s與 1000～3000m3/s兩組，其中，＜1000m3/s組流量多為20世紀80年代中期以后。可以看出：

1）20世紀80年代中期以后，在艾山站相同年均來沙率的情況下，利津站年均輸沙率相比50年代有明顯減小。這主要是由于流量減小后，河道輸沙能力隨之明顯減小。

2）20世紀80年代中期至2002年期間，艾山站年均來沙率一般大于河道輸沙能力，河槽出現淤積；2002年以后，受水庫攔沙及調水調沙影響，河道來沙率多小于河道輸沙能力，河道出現沖刷。

3）根據式（1）、（2），20 世紀 80 年代中期以后由于艾山～利津河段單寬流量較小，河道泥沙沿程速率變化較大，進而導致泥沙沖刷量或淤積量占來沙量的比例較大。

圖2 黃河下游艾山～利津河段水流輸沙能力與流量關系

3 結論

1）20世紀50年代以來，黃河下游艾山～利津河段年均流量不斷減小。80年代中期以后，年均流量多小于1000m3/s，河道輸沙能力隨之明顯減小，導致在艾山站相同年均來沙率的情況下，利津站年均輸沙率明顯減小。

2）相比20世紀50年代，80年代中期以后由于艾山～利津河段流量減小后，河道輸沙能力隨之明顯減小，導致在艾山站相同年均來沙率的情況下，利津站年均輸沙率有明顯減小。

3）20世紀80年代中期至2002年期間，艾山站年均來沙率一般大于河道輸沙能力，河槽出現淤積；2002年以后，受水庫攔沙及調水調沙影響，河道來沙率多小于河道輸沙能力，河道會出現沖刷。

4）20世紀80年代中期以后，由于艾山～利津河段單寬流量較小，河道泥沙沿程速率變化較快，進而導致泥沙沖刷或淤積量占來沙量的比例均會較大。