黃河寧夏石嘴山河段沖淤演變及冰情分析

岳志春，田福昌，馬曉陽

(1.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072；2.寧夏防汛抗旱指揮部辦公室,寧夏銀川750001)

0 引 言

黃河及沿岸流域是中華民族的主要發源地，隨著一系列水利工程投入運營及水能資源的開發利用，兩岸城市社會經濟迅速發展，黃河的水沙條件也發生了巨大變化[1]。在兩岸河床的邊界條件相互作用下，打破了河道原有的平衡狀態[2]。長期以來，部分河段河床淤積增高使得某段河段變為懸河，主流的大幅度擺動造成堤防坍塌，凌汛期高水位使得洪災現象時常發生，嚴重制約著兩岸經濟社會的發展[3- 4]。因此，研究河段的河流演變趨勢意義重大。近年來部分學者對寧蒙河段水沙及河道邊界變化進行了大量的研究，梁卉等[5]從斷面流量-水位的特征變化角度，分析了近年來黃河內蒙段頭道拐的河床沖淤演變趨勢，河道淤積形式表現為左淤右沖，整個河段在近年內沖淤平衡；馬云等[6]通過對黃河寧夏段洪水特征及河道演變進行分析，認為實施河道整治工程有助于進一步河勢歸順；魏婧[7]以河床演變學及河流動力學等基本原理為基礎，對黃河內蒙段河道形態變遷進行了分析，探討了同流量水位下各影響因子的對河床沖淤演變的影響程度，揭示了該河段大流量沖刷、小流量淤積的特點，該河段總體呈淤積態勢。各學者對寧蒙河段河床沖淤演變進行了大量的研究，但就河道斷面及大洪水期變化、凌汛期河道變化等對洪水位的影響研究較少，考慮到黃河石嘴山水文站河段系列資料齊全，該河段冰凌在寧夏段最為嚴重，同時下游為內蒙古河段，有承上啟下的作用；因此，本文根據石嘴山水文站多年實測水文資料，從岸線變化、主流擺動、深泓點變化、水位變化等幾個方面，對比分析了石嘴山斷面河床沖淤演變趨勢及冰情變化特征，以期為當前石嘴山河段防洪提供技術支撐。

1 河段基本概況

黃河石嘴山河道位于黃河上游的寧夏與內蒙兩段河道交界處，為典型的峽谷型河道。該段受水文站監測的河道長度為36 km，平均比降0.56‰，主河槽平均寬度約400 m，河床為沙質，河道順直，河寬變化不大，基本沒有支流匯入，對主流擾流影響很小，所以選取該段河道作為監測對象，研究其沖淤演變并進行冰情分析，對黃河上游河段來講具有一定的代表性。石嘴山水文站位于該河段，是黃河進入內蒙古的重要控制站。石嘴山水文站1942年9月4日設立，1958年6月改為水位站，1959年4月基本斷面下遷1.30 km并恢復為水文站，1991年10月測流斷面上遷1.54 km。

石嘴山水文站測驗河段順直，水流集中，左岸灘地為沙土，主河床由砂質、砂礫石組成，右岸岸坡為沉積性頁巖，斷面沖淤變化較為復雜。目前該水文站測驗的項目有水位、流量、輸沙率、泥沙顆粒級配、水溫、氣溫、冰凌、降水、蒸發、水環境監測等。據水文站監測資料顯示，自新中國成立以來，寧蒙河段共計發生兩次5 000 m3/s以上大洪水，一是1964年7月黃河上游突降大到暴雨，干支流洪水交匯使得石嘴山水文站最大流量達5 440 m3/s；二是1981年8月黃河上游接連降雨達30多天，石嘴山水文站最大流量達5 660 m3/s。

1.1 長期斷面沖淤變化

將石嘴山水文站1965年～1991年及1993年～2016年部分斷面套繪分析(見圖1、圖2)。

圖1 石嘴山水文站基本斷面套繪(大沽基面)

圖2 石嘴山水文站測流斷面套繪

由圖1可知，主槽深泓點在1974年曾向左移動，但逐漸移回原深泓點附近，相對于右岸的穩定；由于左岸地質略為疏松，河槽斷面有一定的沖淤變化，沖淤厚度在1 m左右；河槽內沒有出現洲灘、汊道移位等現象。經過1967年(年最大流量5 240 m3/s)、1981年(年最大流量5 660 m3/s)等大洪水的沖刷，石嘴山水文站基本斷面左右岸非常穩定，主流一直靠近左岸運行，主河槽相對穩定，深泓點始終在起點距120 m附近。

由圖2可知，1992年至今，該斷面左右岸水邊也沒有發生明顯變化，主河槽穩定在起點距180～430 m之間，深泓點則在起點距220～330m之間變動，河槽內沒有出現洲灘、汊道；主河槽雖在年際間有周而復始的沖淤變化，但是幅度較小。可見，石嘴山水文站上、下游河段主河槽寬度變化不大，河岸相對較窄，主槽橫向無擺動，河勢流路基本無變化。

1.2 大洪水期斷面沖淤變化

統計黃河石嘴山斷面近60年來發生大洪水年份，將1967年、1978年汛前和汛后、1981年汛前、汛中和汛后的實測大斷面進行套繪(見圖3)。該過程比較完整地反映了1967年和1978年汛前、汛后和1981年汛前、汛期和汛后一次大洪水過程斷面的沖淤變化情況[8]，可以看出，洪水發生前后，斷面沖淤變化幅度不大。但是在一場洪水過程中，河道還是會發生明顯的沖刷和淤積過程。

圖3 大洪水年份汛期石嘴山斷面形態變化套繪(大沽基面)

從圖3顯示，1967年汛前汛后主槽高程變化很大，最大厚度近2 m，1978年汛前汛后斷面形態變化不大；而1981年洪水漲水期間整個河槽不同程度地發生了沖刷，平均沖刷深度1.62 m，深泓局部最大沖刷4.84 m(起點距190 m處)，主河槽沖刷最為劇烈，兩岸灘地部分沖刷較小；落水期石嘴山斷面普遍回淤1.08 m，深泓局部最深回淤3.15 m，斷面的沖淤變化主要發生在斷面的主河槽內。通過比較分析可以看出，石嘴山斷面的洪水過程是漲沖落淤，沖淤變化主要在主槽內進行，左岸灘地的沖淤變化較小，斷面兩側河岸線沒有發生沖淤變化，也沒有發生位移。

1.3 同流量下水位變化

河道的沖淤演變一般表現在斷面形態調整、過流能力變化、同流量水位升降，河道輸沙能力變化、含沙量沿程調整，以及河勢變化等方面[9-10]。其中，同流量水位的升降直接反映了河底平均高程的變化，是一種明顯反映河床沖淤調整的方法，即同流量水位升高，則說明河床發生了淤積[11]。圖4為石嘴山水文站1 000 m3/s流量水位歷年變化過程，圖4顯示在20世紀50年代1 000 m3/s流量水位平均為1 086.18 m，河段處于先微淤又略有沖刷的狀態，河道沖淤幅度約0.2 m[2]；自從河段上游陸續修建劉家峽及龍羊峽水庫以來，該河段斷面沖淤基本平衡。60年代到80年代中期，年際之間略有升降，變化范圍在0～0.1 m之間，平均水位為1 086.04 m；1985年～2015年年際間水位變化略有增加，平均水位為1 086.07 m，長期來看該河段水位相對穩定。

圖4 石嘴山同流量(1000 m3/s)水位變化

2 冰情分析

在自然情況下，石嘴山河段由于來寒潮的早晚和強弱不同，可使流凌和封河天數相差很大[12-13]。根據石嘴山站1969年～1998年資料分析，平均封凍日期在12月31日，平均解凍日期在3月5日，平均封凍天數為63 d，歷年最長封凍天數為103 d，最短為未封凍。封河流凌期多年平均流量594 m3/s，最大流量1 100 m3/s (1981年12月1日)，最小流量176 m3/s(1977年12月27日)；封河流凌多年平均流凌天數為35 d，一般發生在11月下旬及12月上旬；最長流凌天數為58 d(1973年)，最短流凌天數為13 d(1983年)。開河流凌多年平均流凌天數為7 d，一般發生在2月下旬～3月上旬，最長流凌天數為15 d(1993年)，最短為2 d(1976年)；開河流凌期多年平均流量為876 m3/s，最大流量為1 330 m3/s(1984年3月11日)，最小流量為816 m3/s(1974年3月14日)，最大冰流速為2.8 m/s；開河流凌較封河流凌冰塊大，最大冰塊面積達1000×200 m2(1981年2月)，相應冰速0.81 m/s，最大河心冰厚1.28 m[14]。

通過對石嘴山站1950年～2010年冰期流冰時(每年11月至次年3月)統計分析，冰期流冰時最高水位為1 088.93 m，發生在1967年3月19日(見圖5)，相應流量為1 700 m3/s，流速為1.55 m/s，壅冰高度為4.6 m。

圖5 黃河石嘴山水文站凌汛期水位表現

1951年～2015年間石嘴山水文站共發生10次最高水位(年度最高)發生在凌汛期(見表1)，但由于凌汛期河道的來流流量較小，凌汛期卡冰結壩造成河道水位的壅高值均小于河道20年一遇洪水的設防標準值(5 620 m3/s)。

表1 黃河石嘴山站最高水位發生在凌汛期統計 m

由于上游龍劉水庫聯合調度，石嘴山河段卡冰結壩現象很少出現，開河形式均為文開河[14]。但2015年海勃灣水利樞紐運行后，回水末端延伸至烏達鐵路橋附近，本河段水位抬升，比降減小、水流減緩，近年來凌汛期最高水位超過年度汛期最高水位的情況有明顯增加[15-16]。自1998年來，有一半以上的年份發生了凌汛最高水位高于伏汛最高水位，表明近年來汛期來水來沙較少和河道淤積所帶來的新情況，今后不排除特殊情況下發生冰塞、冰壩的可能性，造成該河段凌汛期防凌任務日趨嚴重。

3 結 論

(1)從1965年～2016年部分大斷面分析可知，長期以來石嘴山水文站基本斷面左右岸非常穩定，主流一直靠近左岸運行，主河槽相對穩定，寬度變化不大，深泓點始終在起點距120 m附近，主槽橫向無擺動，河勢流路基本無變化。

(2)從汛前、汛后斷面對比可知，河床斷面大洪水時期變化呈漲沖落淤，沖淤變化主要在主槽內進行，左岸灘地的沖淤變化較小，斷面兩側河岸線沒有發生沖淤變化，也沒有發生位移。

(3)自劉家峽及龍羊峽水庫建成運行以來，該河段斷面沖淤基本平衡，20世紀60年代到80年代中期，年際之間略有升降，變化范圍在0～0.1 m之間，平均水位為1 086.04 m，1985年～2015年年際間水位變化略有增加，平均水位為1 086.07 m，長期來看該河段水位相對穩定。

(4)海勃灣水利樞紐的運行造成該河段水位抬升，近年來凌汛期最高水位超過伏汛期最高水位的情況有明顯增加，河道汛期來水來沙有新的變化，今后不排除特殊情況下發生冰塞、冰壩的可能性，造成該河段凌汛期防凌任務日趨嚴重。