寧夏黃河游蕩型河段泥沙沖淤及河床變形計算

周躍華 顧靖超 張紅武

摘 要：選取游蕩型河段的汊河區域設置 24 個實測橫斷面開展水下根石、泥沙粒度與含沙量監測，分析研究區域的河床變形及根石移動情況。結果表明：水下投放格賓石籠后，右岸受到了保護，水下根石保存基本完整;左岸河床較低，水深和流速較大，出現了崩岸現象，2018年6月28日至11月11日河道向左岸展寬 20～80 m;右岸河床較高，水深和平均流速較小，沿橫向基本沒有變化;整體斷面左岸沖刷，其余位置均出現程度不同的淤積，深泓線逐漸從靠近右岸移動到左岸，平均淤積厚度為1.06 m，總淤積量為5.088萬m3，從上游到下游，淤積量和平均淤積厚度呈先上升、后下降的趨勢。

關鍵詞：護岸工程;泥沙;沖淤;河床變形;黃河寧夏段

中圖分類號：TV871;TV882.1 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.007

Abstract：In this paper， 24 measured cross sections were set up to monitor the grain size and sediment content of underwater root stone， and the deformation and movement of root stone were analyzed. The results show that the right bank is protected after the gabion is put into water and the root stone is preserved in water. The river bed on the left bank is relatively lower， the water depth and flow rate are relatively larger and there is a phenomenon of bank collapse. The width of the river is about 20-80 m to the left bank. The riverbed on the right bank is relatively higher and the water depth and average flow rate are relatively smaller. The overall section shows the left bank erosion and the rest of the positions all show different degrees of siltation. The deep line gradually moves from the right bank to the left bank. The average siltation thickness is 1.06 m and the total siltation volume is 50，888 m3. The siltation volume and average siltation thickness are increased first and then decreased from upstream to downstream.

Key words： revetment works; sand; scratching; riverbed deformation; Ningxia section of Yellow River

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，通過堤防工程和河道整治工程建設，對進一步完善寧夏黃河防洪工程體系，保障沿黃地區防洪（凌）安全和寧蒙地區經濟社會的穩定發展具有十分重要的意義[1]。

本研究選取寧夏銀川市濱河新區黃河外灘河段，對黃河寧夏段二期防洪工程水下根石情況進行監測，根據監測結果對所研究區域的河床變形及根石移動情況進行計算，探索防洪工程對河岸及河床的影響，對防洪工程建設后出現的河岸變化及河床演變情況進行合理預測，給出加固河岸的合理建議，供有關部門參考。

1 2018年黃河寧夏段夏秋洪水基本情況

2018年汛期，受黃河河源地區降雨和融雪影響，黃河上游干支流來水較多，自7月13日黃河1號洪峰進入寧夏境內，下河沿入境流量驟增到2 250 m3/s，之后持續在2 000 m3/s左右。8月27日之后，下河沿入境流量逐步加大到2 500 m3/s，瞬時最大洪峰流量達到3 540 m3/s。10月13日，黃河防總終止上游防汛Ⅳ級應急響應，下河沿入境流量回落至2 000 m3/s。截至10月16日，黃河寧夏段入境流量大于2 000 m3/s運行74 d，大于3 000 m3/s運行19 d，沿河水位較6月底普遍上漲2.0～3.5 m，洪峰量值之大、洪水歷時之長均創1981年以來之最。

2 研究區域地形及斷面布置情況

寧夏銀川市濱河新區黃河外灘河段屬典型游蕩型河段，主流擺動頻繁[1]。圖1中紅色標識區域為具體研究區域，長為 500 m， 河寬為1 200～1 500 m。研究區域靠近右岸200～250 m處有連續河心灘，將黃河分為左岸主河和右岸汊河，本研究實際研究對象為河心灘至右岸護岸工程這一區域內的右岸汊河。

研究區域設置24個橫斷面，斷面SH1與SH2相距40 m，其余相鄰斷面間距均為20 m。根據預設橫斷面樁號坐標，利用3次樣條插值方法進行插值，可以得到河道兩岸岸線，把設置的24個斷面套繪在同一張圖中，如圖2所示。其中：SH1位于研究河段入口處，SH24位于研究河段出口處。可以看出，右岸因布設了格賓石籠，故河岸沒有沖刷，基本成一條直線，而左岸為河心灘，為一條不規則曲線。

3 研究區域現場實測數據及分析

兩次實測時間為 2018年 6 月 28 日和 11 月11日。測量時，用快艇載聲學多普勒流速剖面儀沿橫斷面從斷面一側行到另一側。該儀器每隔1 s自動采集數據一次，每次測得流速和水深，將該處的水位減去水深，即得河床高程。為減少測量誤差，每個斷面來回測兩遍，取兩次中數據較好的一次或進行平均。將斷面不同位置處的河床高程與平均流速點繪在同一圖中，即得到斷面形態及流速分布（見圖3）。

3.1 6月28日實測數據及分析

河段流量為 842 m3/s，平均水深為3.3 m，最大水深為5.1 m，平均流速為 1.45 m/s，平均斷面面積為580 m2，詳細數據見表1。 由于研究區域范圍較小，因此不同斷面平均流速變化幅度較小。

由于斷面SH1、SH2左岸為淺灘，水深較小，快艇無法到達岸邊，因此這兩個斷面左岸附近約100 m范圍無法進行測量，河床高程可利用線性插值法得出，而水流流速值沒有給出。這兩個斷面靠近右岸處水深較大，平均流速較大。

從斷面SH3 至斷面SH9，河道地形基本相同，呈兩邊高中間低的開口向上拋物線，而最大流速即主流線位于河道中心處，斷面流速基本呈開口向下的拋物線分布。這些斷面除兩岸附近及河道中心個別位置外，河床沿橫斷面較為水平，水流垂線平均流速較為均勻。

從斷面SH10開始，最大水深逐漸向左岸靠攏，河床高程呈左低右高的形態，而且越往下游，河床橫比降越大。至斷面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。從流速分布來看，斷面SH10至斷面SH16主流線（最大流速）忽左忽右，不太穩定;從斷面SH17開始，主流線逐漸向左岸靠攏，至斷面SH24，主流線已經靠近左岸。

從以上分析可以看出，在右岸沿線布置護岸工程后，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，左岸附近河床高程降低，水流流速變大。

3.2 11月11日實測數據及分析

該河段流量為 743 m3/s，平均河寬為226 m，斷面平均流速為1.2 m/s，詳細數據見表2。

圖4為各斷面實測河床高程及垂線平均流速的套繪。可以看出，河床高程及垂線平均流速分布情況與6月28日實測數據基本一致。上游區域（從斷面SH1到斷面SH9），河床高程呈開口向上拋物線分布，深泓線位于河道中心附近，河床橫比降較小。斷面SH1至斷面SH4，流速沿橫向分布較為均勻，主流線位于河道中心線附近;斷面 SH5至斷面SH9，最大流速靠近左岸;從斷面SH10開始，深泓線逐漸向左岸偏移，主流線也同樣向左岸靠攏。

兩次實測從時間上來說間隔4個半月，從實測的結果來看，第二次實測時流量及斷面平均流速均小于第一次實測結果，各斷面右岸附近河床高程第二次實測值普遍高于第一次實測值，說明在布置水下根石后，根石附近區域河床淤積較為嚴重。

3.3 兩次實測水下地形比較及分析

為了得到銀川市濱河新區黃河外灘河段河床沖刷情況，將部分斷面的兩次實測結果套繪在一起（見圖5）。可以看出，研究區域橫斷面整體呈淤積形態。一般而言，左岸呈沖刷狀態，而右岸呈淤積狀態，其原因是右岸采用格賓石籠護坡護腳，而左岸沒有任何保護措施。在上游來流較大時，左岸受到了沖刷，甚至產生了崩岸現象，河寬變大，但是右岸附近出現了淤積。

斷面SH3靠近研究區域上游，左岸附近出現沖刷，且左岸向左遷移 20 m左右，右岸附近河床淤積。其原因主要是7—9 月的汛期洪水流量較大（2 000～3 500 m3/s），水流挾沙力較大，河床沖刷較為嚴重，但因右岸布設了格賓石籠、無法沖刷，而左岸沒有任何護岸工程、土質較軟，故河底及左岸附近出現了較大幅度的沖刷，甚至產生了崩岸，而右岸附近沒有沖刷。當流量變小后，因水流挾沙力減小，故右岸附近區域出現了一定程度的淤積，而左岸附近仍以沖刷為主。其他斷面也和斷面SH3類似，出現了不同程度的沖淤現象。斷面SH4靠近河道中心淤積較為嚴重，最大淤積厚度達1 m，但左右兩岸附近出現了一定的沖刷。斷面SH5和斷面SH6左岸沖刷，其余位置均出現程度不同的淤積。 斷面SH7左岸有微弱的沖刷，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。斷面SH8最大水深位于左岸附近，左岸出現了明顯的崩岸現象，右岸泥沙淤積較為嚴重，最大淤積厚度1.5 m，其余位置均出現了程度不同的淤積。斷面SH9、SH10左岸附近同樣出現了較大幅度的沖刷，出現了崩岸現象，斷面其余位置都有不同程度的淤積，淤積厚度最大的區域發生在斷面中心處，為1 m左右，右岸水深較小。從斷面SH11至斷面SH24，左岸附近均出現程度不同的崩岸現象，沖刷較為嚴重， 而其余位置均出現了一定的淤積。

總體來說，通過對以上部分斷面地形比較分析可知，在上游附近區域，左岸出現一定沖刷，河道中心附近河床淤積;在研究區域中下游，左岸出現崩岸，河道向左展寬20～80 m，其余位置均出現程度不同的泥沙淤積，尤其是河道中心泥沙淤積較為嚴重。河底地形逐漸發展變為左深右淺，右岸附近泥沙淤積也較為嚴重，覆蓋了水下格賓石籠。

4 河床沖淤計算及分析

4.1 含沙量及泥沙粒度分析

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分別取樣一次，泥沙粒度分析結果見表3。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，均值約為15 μm，而河道中心和右岸附近泥沙中值粒徑偏小，約為12 μm，研究河段泥沙平均中值粒徑約為13 μm。

4.2 河床沖淤分析

4.2.1 河床沖淤量計算方法[3-5]

4.2.2 河床沖淤計算分析

根據兩次測量的實測斷面，將研究區域劃分為23個單元，其中：斷面SH1到斷面SH2為第一單元，記為SH1-SH2;最后一個單元為斷面SH23到斷面SH24，記為SH23-SH24。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。每個單元的淤積量、占總淤積量比例及平均淤積厚度見表4。

從表4可以看出， 2018年6月28日至11月11日，經過了4個半月的發展，總淤積量約為 5.088萬m3，平均淤積厚度為1.06 m。最大的單元淤積量在SH1-SH2，淤積量為0.451 4萬m3。此位置正好在河道上游區域，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，故該單元的淤積量最大。淤積量和平均淤積厚度最小的是最后4個單元。

圖7為研究區域不同位置淤積量和平均淤積厚度。可以看出，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。

5 結論與建議

（1）靠近右岸投放的格賓石籠有效防止了右岸的沖刷，保護了景區的環境。通過以上研究可以得知，為了保護景區而投放的格賓石籠發揮了相應作用，在汛期沒有被水流沖走。

（2）研究區域右岸出現了較為嚴重的淤積。

（3）對于投擲的格賓石籠，清除淤泥后，建議進一步加高加固，增高1 m以上，以免以后汛期景區出現險情。

（4）建議對寧夏銀川市濱河新區黃河外灘河段進行持續的監測和數值模擬研究，研究該河段河床及河岸的變形情況，以便及時采取有效措施，保護景區安全。

參考文獻：

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【責任編輯 許立新】