巴彥高勒水文站斷面沖淤變化及過流能力分析

謝學東，趙文榮，謝 濤，張 健，楊桂珍

（黃河水利委員會寧蒙水文水資源局，內蒙古包頭014030）

黃河河床演變是挾沙水流與可動性河床相互作用、相互制約下產生的不停頓的變形運動，河勢變化主要受河道條件和來水來沙條件影響，而人類活動對河道演變的影響日益顯著。目前，黃河水沙條件與天然狀態下有很大不同，主要表現為水利樞紐巨大的徑流、泥沙調蓄能力較大程度上改變了黃河的水沙特性及河道演變規律；下游河道普遍處于淤積狀態，河床不斷抬高等［1-3］。在龍羊峽水庫等一系列干流水利工程投入運行以后，水沙條件發生改變，黃河內蒙古河段河道主槽淤積嚴重，斷面面積日趨減小［4］。由于河床淤積，因此同流量水位升高，河道過流能力降低。據實測資料，2003年汛期巴彥高勒水文站流量1 360 m3/s時的水位超過“81·9”洪水最大流量5 290 m3/s時相應水位0.09 m，斷面過流能力僅為“81·9”洪水的23.5%。本文通過分析巴彥高勒水文站斷面形態、同水位斷面面積、平灘流量等變化，分析河床的沖淤演變及現狀斷面條件下的過流能力。

1 測驗河段概況

黃河巴彥高勒水文站位于內蒙古巴彥淖爾市磴口縣巴彥高勒鎮北糧臺村，至河口距離為2 523 km，集水面積為31.4萬km2，是河套灌區重要的水沙控制站。測驗河段基本順直，長約1 000 m，為沙質河床，單式斷面?；舅邤嗝嫖挥邳S河三盛公水利樞紐閘下400 m處，測流斷面位于基本水尺斷面上游23 m處。受工程調節影響，斷面水位、流量變化頻繁、變幅大，水位—流量關系呈多條臨時曲線。同時，受三盛公水利樞紐開啟閘孔位置不同的影響，主流時有變化，多數靠左岸。

巴彥高勒水文站洪水主要來自黃河干流蘭州以上，其特點是歷時長、漲落緩慢、峰型矮胖，多發生在7—9月。泥沙主要來自斷面以上干支流及三盛公水利樞紐排沙。自2014年上游87 km處的海勃灣水利樞紐投入運行以來，斷面含沙量明顯減小，年內含沙量多在3 kg/m3以下。

巴彥高勒水文站測驗河段河床沖淤變幅大，年內變化一般表現為封河期淤積、開河期沖刷，汛期沖刷、汛后至次年封河期淤積；洪水過程沖淤變化不定，一般表現為漲沖落淤或漲淤落沖。

2 沖淤演變規律

2.1 斷面形態變化

由巴彥高勒水文站斷面1973—2017年汛前大斷面套繪圖（見圖1）可知，斷面主流靠左，沖淤變化主要發生在主槽，排除人為因素影響，左右岸變化較小。歷年斷面沖淤變化規律不明顯，這主要與上游來水大小和三盛公水利樞紐閘門開啟位置有關。1973—2006年斷面呈逐漸淤積趨勢，其中1992—2006年深泓點淤高了2 m，河寬相應減小。2006—2012年汛前斷面時沖時淤，總體呈淤積趨勢，淤積幅度及速度均較??；2012年及2014年汛期斷面發生較大沖刷，2015年汛后斷面開始逐漸回淤。起點距50～300 m的主槽部分，2015年沖刷最深，2017年淤積最高。

圖1 不同年份巴彥高勒水文站汛前斷面變化情況

2.2 斷面沖淤變化

巴彥高勒水文站測驗河段河床由粉沙組成。暢流期三盛公水利樞紐壓閘蓄水，上游來沙大量淤積在水庫，流凌前閘門提空，庫區泥沙開始下泄，整個封凍期斷面處于淤積狀態，待開河時斷面淤積達到最大。開河后主槽開始沖刷，灘地沖刷很少，大洪水到來后，整個斷面河床才開始普遍沖刷，洪水過程中沖刷達到最大，洪水過后又開始逐漸淤積。套繪汛前、汛后斷面變幅較大的2012年、2014年斷面圖（見圖2）可見洪水期漲沖落淤的規律。其中：2012年汛后（水位1 052.00 m）較汛前河道沖刷面積590 m2增大51.8%；2014年汛后（水位1 052.00 m）較汛前沖刷面積721 m2增大77.3%，可見洪水對斷面沖淤變化影響較大。

2.3 同水位斷面面積變化

由巴彥高勒水文站水位1 052.00 m以下歷年汛前、汛后斷面面積變化過程（見圖3）可知，在汛前面積系列（1992—2018年）中，1992—2006年斷面面積總體呈減小趨勢，2007—2012年總體呈增大趨勢，以后年份除2015年顯著偏大外，其他年份趨于減小。2015年汛前面積較其他年份偏大的原因是2014年汛期發生較大沖刷、封河期流量較往年偏大，且受海勃灣水利樞紐影響，斷面含沙量減小，回淤較少。在汛后面積系列（2009—2017年）中，2009—2015年總體趨勢較為穩定，但年際間有一定的變幅，2015年后面積顯著減小。此外，2011年汛后面積增大最多，2017年汛后增大最少（2015年除外）。汛后斷面面積增幅與汛期洪水沖刷及含沙量大小有關。

圖2 典型年汛前、汛后大斷面變化情況

圖3 巴彥高勒斷面歷年汛前汛后水位1 052.00 m以下斷面面積變化情況

2.4 平灘流量變化

平灘流量反映了沖積河流河床形態與來水量、來沙量及其年內、年際變化之間的一種平衡關系，是河流自動調整過程的一種結果［5-6］。河水漫灘后，一是給水文測驗工作帶來困難，二是給防汛工作造成了隱患。本文采用巴彥高勒水文站1972—2017年逐年汛后斷面水位與灘唇高程齊平時的相應流量作為該年的平灘流量，點繪平灘流量的變化過程（見圖4）。由圖4可見，20世紀90年代以前，巴彥高勒斷面平灘流量為4 000～5 500 m3/s；20世紀90年以來平灘流量持續減小，不考慮已建河流整治工程，目前巴彥高勒斷面汛期的平灘流量為1 300～1 500 m3/s。

圖4 巴彥高勒斷面歷年平灘流量變化情況

3 過流能力分析

3.1 典型年水位流量關系線分析

由圖5可以看出，目前巴彥高勒斷面過流能力遠不如1981年。盡管經2012年、2014年汛期洪水沖刷，同流量水位略有下降，但2014年以后斷面又開始回淤。

圖5 巴彥高勒站歷年汛期水位—流量關系

經統計：①與1981年相比，2012年同流量（2 500 m3/s）水位抬高約1.06 m；②與2012年相比，2017年同流量（1 000 m3/s）水位抬高約0.30 m；③與1981年漲水段比，2012年汛期同水位（1 052.00 m）過流能力為1981年的46.9%；④2017年、2012年及1981年落水段同水位（1 051.00 m）流量分別為830、1 120、3 110 m3/s，2017年過流能力為2012年的74.1%，為1981年的26.7%。

3.2 2018年高水報汛曲線繪制

分別用水位面積及水位流速關系曲線法、水力學公式法、參照鄰近年份曲線趨勢延長法繪制巴彥高勒水文站2018年高水報汛曲線。因巴彥高勒斷面在洪水過程中沖淤變化較劇烈，故前兩種方法均不能完全適應測站特性，效果較差。將1981年、2012年和2017年汛期水位流量關系曲線套繪在一起（見圖6）。參考1981年的關系線，對2012年的關系線在水位1 052.21 m以上的部分作高水延長后可看出，這兩個年份關系線的變化趨勢基本相似。2017年最大流量僅為1 220 m3/s，根據圖6來看，若流量再上漲后，則關系曲線基本與2012年的曲線重合，證明2017年水位流量關系與2012年的變化趨勢基本相似。

2018年汛前斷面與2017年汛前斷面基本相似。依據2017年流量1 220 m3/s以下的水位流量關系曲線和2012年流量1 220 m3/s以上的水位流量關系曲線分析，2017年若流量再上漲的話，則關系線基本與2012年重合。根據這些情況，繪制了高水報汛曲線（見圖6），以此來估算2018年巴彥高勒斷面的過流能力。

圖6 巴彥高勒站2018年高水報汛曲線

3.3 2018年巴彥高勒斷面過流能力

根據圖6估算出2018年巴彥高勒斷面不同水位下的過流能力，見表1。

表1 巴彥高勒站2018年斷面過流能力

4 結 語

（1）巴彥高勒水文測驗河段為沙質河床，沖淤變化較大且主要發生在主槽，沖淤變化規律不明顯，主要與上游來水大小和三盛公水利樞紐各閘門開啟位置有關。年內變化一般表現為封河期淤積、開河期沖刷，汛期沖刷、汛后至次年封河期淤積。

（2）巴彥高勒斷面同水位斷面面積、平灘流量、過流能力均隨水沙條件的變化呈明顯減小趨勢。自1981年以來河床淤積嚴重，目前斷面過流能力遠不如1981年。與1981年漲水段比，2012年汛期同水位過流能力為1981年的46.9%，2017年汛期同水位過流能力為2012年的74.1%，為1981年落水段的26.7%。

（3）在編制巴彥高勒水文站洪水預報方案和繪制高水報汛曲線時，既要考慮河床當前的淤積狀況，也要考慮洪水過程中的沖刷情況，參照鄰近年份曲線趨勢延長法繪制的高水報汛曲線及過流能力更接近該站的實際情況。