黃河內蒙古段泥沙淤積過程模擬

張啟照　申紅彬　李新杰

摘要：根據(jù)內蒙古河段近年來水來沙資料，采用沙量平衡法對河道淤積情況進行了計算。結果表明：受不利水沙變化影響，內蒙古河段1960-2010年泥沙淤積總體呈增長趨勢，1986年前增長緩慢，1986年后急劇增長。利用以河床累計淤積量為特征變量的河床滯后響應模型，分別采用單步解析與多步遞推模式對內蒙古河段淤積情況進行了模擬，結果表明兩種模式的計算值與實測值均基本吻合，確定性系數(shù)分別為0.993、0.957。

關鍵詞：滯后響應模型：淤積模擬;泥沙;內蒙古河段;黃河

中圖分類號：TV147;TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn. 1000- 1379.2019.06.003

黃河內蒙古段位于黃河上游，自內蒙古自治區(qū)烏海市巴音陶亥入境至準格爾旗馬柵鄉(xiāng)出境，全長約830 km，穿越烏蘭布和、庫布齊沙漠，并有毛不拉、西柳溝、罕臺川等十大孔兌人匯，沿程分布有巴彥高勒、三湖河口、昭君墳、頭道拐水文站，是沙漠、河流交互影響的典型區(qū)域，也是黃河上游水沙變化及河床演變最為復雜的河段之一（見圖1）。內蒙古河段沖淤變化既受上游來水來沙的影響，又與沿程孔兌水沙人匯情況有關。據(jù)統(tǒng)計，自然情況下內蒙古河段河床呈緩慢抬升趨勢，年均淤厚0.01 -0.02 m[l]。近幾十年來，受氣候變化、沙漠擴張以及河道引水等影響，特別是上游劉家峽、龍羊峽等大型水庫相繼建成并投入運用，內蒙古河段水沙條件逐步惡化，輸沙能力不斷下降，泥沙淤積加重，河槽持續(xù)萎縮，甚至出現(xiàn)了長達268 km的“新懸河”。由于暴露出來的問題日漸增多，因此內蒙古河段的河道演變以及發(fā)展趨勢越來越引起人們的關注。

以往，河道沖淤計算主要根據(jù)泥沙守恒方程（Exner方程），構建并數(shù)值求解基于物理過程的河流動力學模型[2]。近些年來，吳保生[3-4]基于沖積河流自動調整原理，認為河床調整變化速率與其當前狀態(tài)和平衡狀態(tài)之間的差值成正比，從而建立了河床演變的滯后響應模型。目前，該模型已成功應用于黃河一系列地貌演變過程的模擬，如：潼關高程變化、三門峽水庫淤積、平灘流量變化、小北干流及下游河道淤積等[5-9]。安晨歌等[10]通過對Exner方程進行簡化封閉與解析求解，發(fā)現(xiàn)滯后響應模型與Exner方程一階近似解具有相似的公式形式，從而為滯后響應模型求解提供了一定的理論支撐。本文基于河床滯后響應模型，以內蒙古河段為例，分析計算該河段泥沙淤積過程。

1 基本模型

2 內蒙古河段沖淤分析

2.1 來水來沙條件變化

內蒙古河段進口水文站巴彥高勒站1960年（運用年）后水沙（徑流量、輸沙量、汛期水沙比例、來沙系數(shù)）變化情況見圖3，由圖3可知：①全年、汛期的徑流量、輸沙量總體均呈減少趨勢，且徑流量較輸沙量減幅大，水動力條件明顯減弱;②受龍羊峽、劉家峽水庫調蓄影響，年內汛期水沙分配比例不斷減小，特別是1986年龍羊峽水庫投入運行以后，汛期水沙比例大幅減小;③受水沙變幅影響，全年、汛期的來沙系數(shù)總體均呈先增大后減小的趨勢，1998年來沙系數(shù)最大、水沙組合條件最為不利，1998年后來沙系數(shù)有所減小。

2.2 河道泥沙淤積情況

基于內蒙古河段沿程水文站（巴彥高勒一頭道拐）實測輸沙資料，采用沙量平衡法計算出河道歷年淤積變化情況，見圖4。分析不同水文站（巴彥高勒、三湖河口）同流量（1000 m/s）水位逐年變化情況，見圖5。不同水文站斷面形態(tài)見圖6。

綜合圖4-圖6可以看出：受水沙總量減少及水沙組合惡化影響，內蒙古河段泥沙淤積量總體呈增長趨勢。其中：1960-1986年增長緩慢，1986-2010年急劇增長;巴彥高勒與三湖河口站同流量（1 000 m/s）水位在1960-1986年有升有降，1986-2010年呈持續(xù)上升趨勢，這表明河道處于持續(xù)淤積狀態(tài)：巴彥高勒斷面河床總體呈淤積抬升趨勢，頭道拐斷面雖然形態(tài)變化劇烈，但是相對穩(wěn)定，主要原因是內蒙古河段水沙經(jīng)沿程自動調整，至頭道拐斷面時已接近均衡，而且頭道拐斷面所處河段屬峽谷型河道，對整個河段起到了侵蝕基準面的作用。

3 內蒙古河段淤積模擬

圖7為采用單步解析與多步遞推模式計算得到的巴彥高勒一頭道拐河段累計沖淤量變化情況，兩者模擬值與實測值的比較見圖8。由圖7、圖8可知：兩種計算模式得到的累計沖淤量與實測值均基本吻合，單步解析模式計算的累計沖淤量與實測值的確定性系數(shù)R2為0.993，多步遞推模式的R2為0.957。另外，巴彥高勒一頭道拐河段累計沖淤量實測值與計算值均呈現(xiàn)出1986年前增長緩慢、1986年后急劇增長的趨勢。從河床滯后響應模型角度分析，主要原因是：1986年前來水來沙條件變化相對不大，河道比降已與來水來沙條件基本適應，河床平衡比降Je與初始河床比降Jo相差不大：1986年后受來水來沙條件惡化影響，對應河床平衡比降J。急劇增大，與JO差值急劇增大，導致河道急劇淤積。

4 結論

（1）受不利水沙變化影響，內蒙古河段1960-2010年泥沙淤積總體呈增長趨勢，1986年前增長緩慢，1986年后急劇增長。

（2）基于以河床累計淤積量為特征變量的河床滯后響應模型，分別采用單步解析與多步遞推模式對內蒙古河段淤積情況進行了模擬計算，結果表明計算值與實測值變化過程基本吻合，其中單步解析模式計算值與實測值的確定性系數(shù)為0.993、多步遞推模式的確定性系數(shù)為0.957。

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