黃河寧夏段外灘區域水下根石探摸研究

喬 橋，李春光，景何仿，黃凌霄，王維紅

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021)

0 引 言

黃河寧夏段二期防洪工程是國務院確定的172項重大水利項目之一[1]，通過堤防工程和河道整治工程建設，對進一步完善黃河防洪工程體系，保障沿黃地區防洪(凌)安全和兩區經濟社會的穩定發展具有十分重要的意義。近年來，部分學者對黃河寧夏段水沙及河道邊界變化進行了大量的研究，馬云等[2]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；景何仿、李春光等[3-4]建立二維、三維紊流水沙模型對黃河上游沙坡頭的天然河道水流運動、河床變形進行了數值模擬；魏婧[5]對黃河內蒙河段形態變遷進行了分析，揭示了該河段大流量沖刷、小流量淤積等特點，該河段整體呈淤積態勢；岳志春等[6]對黃河寧夏石嘴山河段進行沖淤演變分析，得出了河床斷面大洪水時期變化漲沖落淤，沖淤變化主要在主槽內進行，斷面兩側河岸線沖淤變化較小。

黃河外灘區域位于寧夏回族自治區銀川市濱河新區，其右岸為黃河外灘國家濕地公園，為了保護該景區，有關部門應用土工格柵材料作為進占體，鉛絲石籠用于護坡護腳。然而，鉛絲石籠長時間在水中浸泡，鐵絲容易銹蝕斷裂，久而久之，石籠散架，失去固腳護坡的作用，給工程帶來安全隱患。因此，需要對該河段水下根石情況進行測量，根據測量結果對該區域的河床變形情況進行計算，探索防洪工程對河岸及河床的影響。

該河段比較順直，左岸灘地為沙土，主河床由砂質、砂礫石組成，右岸則設置鉛絲石籠用于保護外灘景區。圖1所示為研究河段的位置。

圖1 黃河外灘區域所處位置示意

圖3 2018年11月實測部分斷面河床高程及垂線平均流速

1 斷面設置及測量儀器

經多次現場調研，選定合適的研究區域，設立典型橫斷面，利用聲學多普勒測速儀(M9)和高精度RTK對斷面處流速、水位、水深和流量等進行測量，計算相鄰斷面處沖淤量和沖淤高程以及總沖淤量和沖淤高程。

根據研究需要，在長約500 m的黃河外灘河段，設置了24個實測橫斷面，斷面SH1與SH2相距40 m，其余斷面相鄰兩斷面之間的距離均為20 m左右，圖2為研究區域河道斷面，其中x軸以正東方向為正，y軸以正北方向為正。

圖2 研究區域處河道斷面示意

主要的測量設備有聲學多普勒流速剖面儀(M9)、南方測繪靈銳S86 RTK、激光粒度分布儀Bettersize-2000，深水取樣器、烘干箱、電子天平、濾紙等。

2 實測結果及分析

經多次現場實測，本文選取2018年6月、11月的實測數據進行分析。

2.1 斷面實測數據及分析

由所測水位減去水深得到該位置處河底高程。將河床高程與斷面垂線平均流速套繪在一起，如圖3所示。

由圖3可知，斷面SH4和SH7河道地形基本相同，呈兩邊高中間低的開口向上拋物線分布，最大流速主流線位于河道中心處，流速基本呈開口向下的拋物線分布。這些斷面處，除兩岸附近及河道中心個別位置處，河床高程沿橫斷面較為水平，而水流垂向平均流速也較為均勻，且水深較大的位置處平均流速也大。斷面SH15最大水深向左岸靠攏，河床高程呈左低右高的形態，而且越往下游，河床高程橫比降越大；斷面SH24處，主槽已經完全靠近左岸，而右岸為淺灘。也就是說，深泓線從上游到下游，逐漸偏離右岸，向左岸靠攏。

圖4 典型斷面實測地形對比

從以上分析可以看出，在右岸沿線布置鉛絲石籠后，水下根石在鉛絲石籠的保護下，右岸較為穩定，河床呈現淤積狀態，主流偏離河道中心，向左岸偏離，對左岸附近河床造成較大沖刷，從而左岸附近河床高程降低，水流流速變大。

2.2 兩次實測水下地形比較及分析

為了得到黃河外灘河段河床沖刷情況，現將2018年6月和11月在部分典型斷面處2次實測結果套繪在一起，如圖4所示。由圖4可知，研究區域橫斷面整體呈淤積形態，相比較而言，右岸呈淤積狀態，而左岸呈沖刷狀態。這是因為右岸采用鉛絲石籠護坡護腳，而左岸沒有任何保護措施。在上游流量較大時，左岸沖刷，河寬變大，但是右岸附近出現了淤積現象，其水下根石被泥沙淤積，河床受到了保護。

斷面SH4靠近河道中心處淤積較為嚴重，最大淤積厚度可達1 m左右，但左右兩岸附近出現了一定的沖刷。斷面SH7左岸有微小的沖刷，其余位置均出現程度不同的淤積，尤其是靠近河道中心處，淤積最為嚴重，淤積厚度為1 m左右。從斷面SH15和SH24看出，左岸附近均出現程度不同的沖刷，河道向左展寬20 m左右，其余位置處均出現了一定的淤積，在右岸附近泥沙淤積也較為嚴重，覆蓋了水下的鉛絲籠保護的水下根石。

2.3 等高線及三維地形圖

為直觀反映該研究區域的整體形狀，根據所測24個斷面的水上水下高程、水位及樁號坐標，利用插值方法，繪制了2018年11月11日測量的水下地形圖。圖5為研究區域河床高程等值線，圖6為研究區域三維立體圖。由圖5、6可知，研究區域河床高程左右分布不均勻。靠近右岸區域的河床高程一般較大，水深較小；而靠近左岸的區域河床高程一般較小，水深較大。

圖5 研究區域河床高程等值線

圖6 研究區域三維立體圖示意

2.4 懸移質泥沙粒度分布及含沙量

2018年11月，利用深水取樣器在6個典型斷面的左岸、右岸和河道中心附近處分別取樣1次，并利用激光粒度分析儀進行泥沙粒度分析，結果如表1所示。通過分析各斷面懸移質泥沙粒徑分布可以發現，靠近左岸處，泥沙中值粒徑偏大，均值為15 μm，而河道中心處和右岸附近泥沙中值粒徑偏小，約為12 μm，所研究河段泥沙平均中值粒徑為13 μm。

表1 典型斷面懸移質泥沙中值粒徑 μm

圖7 斷面SH12懸移質泥沙級配曲線

為了對黃河外灘研究區域泥沙分布規律有進一步的了解，本文僅選斷面SH12進行分析。根據斷面SH12左岸、右岸和河道中心附近處分別取樣的懸移質泥沙粒徑實測數據，繪制了泥沙級配曲線，如圖7所示。由圖7可知，斷面SH12的粒徑分布近似呈正態分布，粒徑范圍為0.9～88.8 μm，在河道中心處，泥沙的中值粒徑d50=12.01 μm，表示在沙樣中，大于和小于這一粒徑的泥沙質量剛剛相等。通過計算可知，該斷面80%的懸移質泥沙粒徑為2.00～45.88 μm。

綜合各斷面實測結果，該研究區域懸移質泥沙粒徑為0.5～100 μm，80%的懸移質泥沙粒徑為0.9～50 μm。

在6個典型斷面靠近左岸、右岸和河道中心處分別取樣1次，測量了典型斷面不同位置處的含沙量，結果如表2所示。可以看出，由于所研究河段較短，各斷面的含沙量比較接近，平均值為0.61 kg/m3，這是因為11月份屬于枯水期，河道含沙量較小。

表2 典型斷面懸移質含沙量 kg/m3

2.5 泥沙淤積量計算

采用斷面法[11]計算河床沖淤量和沖淤厚度，即將相鄰兩個斷面間泥沙淤積量用棱臺體積公式計算出來，再累加，就可以得到整個研究區域的泥沙淤積量。平均淤積厚度則為淤積量與區域面積的比值。將研究區域劃分為23個單元，其中斷面SH1到斷面SH2為第1單元，記為SH1-SH2，其他類似。由于所要研究的焦點主要集中于右岸附近出河床沖淤情況，為了計算方便，設定每個斷面長度均為100 m，從右岸開始計算。研究區域從2018年6月至11月，經過了5個月的發展，總淤積量約為5.09萬m3，平均淤積厚度為1.06 m。最大的淤積量為單元SH1-SH2，淤積量為0.45萬m3，此位置正好在河道上游區域，靠近進水口，而且斷面之間的距離為40 m，計算的單元面積也大于其他的單元，故其單元的淤積量最大；單元總淤積量和平均淤積厚度最小的是SH23-SH24，該單元處于河段最下游，淤積量僅為0.08萬m3。

圖8為研究區域不同位置處淤積量和平均淤積厚度。由圖8可知，除單元SH1-SH2外，淤積量和淤積厚度在上游區域先增加，到斷面SH4到達最大，然后再逐漸減小，在斷面SH24處達到最小。

圖8 研究區域不同位置處平均淤積量及淤積厚度

為了更直觀地反映相鄰兩個斷面之間的淤積量和淤積厚度，將相鄰斷面之間的淤積量和淤積高程用柱狀圖表示，如圖9表示。由于斷面間距設置均勻，相鄰單元面積接近，平均淤積厚度分布與淤積量的分布基本一致，淤積量大的單元位置附近，其平均淤積厚度也相應的較大。

圖9 研究區域不同單元處平均淤積量及淤積厚度

3 結 語

在長約500 m的黃河外灘河段，設置了24個實測橫斷面，利用聲學多普勒測速儀(M9)和高精度RTK等測量儀器，對各個斷面的水深、河床高程、含沙量和懸移質泥沙粒徑分布進行了實測，得到了以下幾個結論：

(1)根據2018年6月和11月的實測數據可知，河道經過5個月的發展，左岸附近均出現程度不同的沖刷，河道向左展寬，其余位置處均出現了一定的淤積，在右岸附近泥沙淤積也較為嚴重，覆蓋了水下的鉛絲籠保護的水下根石。

(2)黃河外灘河段區域懸移質泥沙粒徑分布范圍為0.5～100 μm，80%的懸移質泥沙粒徑一般為0.9～50 μm，反映了該河段懸移質泥沙粒徑分布比較集中，各斷面的含沙量比較接近，平均值為0.61 kg/m3。

(3)采用斷面法計算河床沖淤量和沖淤厚度，得出河道整體呈淤積狀態。靠近右岸設置了鉛絲籠保護的水下根石淤積嚴重，平均淤積厚度為1.06 m，總淤積量為5.09萬m3，從上游到下游，淤積量和平均淤積厚度呈先上升，然后下降的趨勢。

對黃河外灘河段區域的實測數據進行分析，有助于正確認識該河段的水流運動和河床演變，為后續深入研究該河段的數值模擬研究奠定了基礎，也為相關部門保護該景區的水下根石提供一定的參考。