慶城縣黑河大峽谷河床演變趨勢分析

田亞蘭

（甘肅省慶陽水文水資源勘測局，甘肅慶陽745000）

根據《中華人民共和國水法》《中華人民共和國防洪法》《中華人民共和國河道管理條例》《河道管理范圍內建設項目管理的有關規定》《河道管理范圍內建設項目防洪評價報告編制導則》等有關法律法規，在開展防洪影響評價時必須對河床演變趨勢進行分析。本文就慶城縣黑河大峽谷河床演變趨勢進行了分析。

1 流域概況

慶城縣黑河大峽谷位于慶城縣太白梁鄉巴山村大黑河支流小黑河。黑河發源于環縣演武鄉路家塬村，東南流經環縣吳城子、慶城縣冰淋岔后于董志巴家嘴匯入蒲河，在宋家坡匯入涇河。小黑河屬于黑河一級支流，黑河屬于蒲河的一級支流，蒲河和馬蓮河又是涇河的一級支流。黑河流域面積786.15 km2，河長62.7 km，其中慶城縣內流域面積536.01 km2，河道平均坡降7.6‰。根據黑河太白梁水文站多年實測資料的統計，黑河多年平均流量為6.67 m3/s，多年平均徑流量為2.012億m3，多年平均含沙量為236 kg/m3，多年平均輸沙模數為7 700 t/km2，防洪標準為10年一遇洪水重現期。

2 河道歷史演變概況

黑河大峽谷所在河道為大黑河支流小黑河河段主溝道，其河床演變比較強烈、頻繁，主要是由自然因素引起的橫向演變和縱向演變。在忽略人為因素影響的條件下，黑河河段的演變主要是在暴雨條件下的淤積和沖刷。黑河河道分布在山區，坡度較大，所處地區一旦發生暴雨，徑流系數大，因而具有洪水匯流時間短、洪水猛漲猛落、變化迅速的特點。流量變化大、持續時間短，洪水切沖溝壑、挾裹泥沙、淤積河床，長期以來河床的橫向演變相對劇烈，左右擺動較為頻繁，且周期短。河床下切較嚴重，溝谷切深和溝頭延伸速度較快。黑河大峽谷位于小黑河河段中游位置，左右河岸因常年沖刷，河谷下切與主河道形成陡坎，由于上游位置河道比降大，河床結構相對不穩定，水流對其沖刷作用較大，河道演變較為明顯。

3 河道近期演變分析

3.1 河道現狀

小黑河河道中上游段的縱向穩定性比中下游段稍差，但多年來年際之間和年內沖淤基本平衡，河道縱斷面變化較小。由于沒有該河段逐年實測的斷面資料，尚不能確切分析其變化趨勢。依據本次實測斷面進行河相關系定性分析，推斷河段的近期演變。

黑河大峽谷所在區域地勢北高南低，大致由西北向東南傾斜，群山連綿，梁卯交錯，溝壑縱橫，屬典型的黃土高原丘陵溝壑區。黑河大峽谷所在溝道長期受洪水影響，處于不穩定狀態。本次分析在小黑河河道內選取梯田花海斷面、昆蟲園斷面、旋轉扶梯斷面、入口步道斷面、陽光沙灘上斷面、陽光沙灘下斷面共6個橫斷面，各水文斷面的布設見圖1。

圖1 慶城縣黑河大峽谷水文斷面布設示意圖

3.2 河道演變參數分析

3.2.1 造床流量 河道形態及河勢穩定與造床流量密切相關。造床流量下的造床作用最大，該流量是指在洪水期較大但并非最大的洪峰流量。本次分析對各控制斷面以2年一遇洪峰流量為造床流量，計算造床流量下的水面寬和平均水深。計算結果見表1。

表1 小黑河控制斷面造床流量及河相關系計算成果

3.2.2 河相關系 斷面河相系數表達式ξ=B0.5/H，其意為在造床流量下的河寬B與平均水深H之間的比例關系。根據黑河大峽谷河道典型斷面造床流量對應的河寬和平均水深計算，黑河大峽谷河段的河相系數為0.72～3.96，屬于穩定河段。

3.2.3 穩定河寬 在河道演變分析中用穩定河寬來判斷河段是否穩定，并依據穩定河寬確定治理河寬（治理河寬=1.5～2.5倍的穩定河寬）。常用阿爾圖寧公式計算穩定河寬。

式中，B為造床流量相應河寬，單位為m；Q為造床流量，單位為m3/s；J為造床流量下的水面比降，用‰表示；A為穩定河寬系數，取值范圍為1.1～1.7。本次評價根據各河道典型斷面的形態特征，穩定河寬系數A的取值為1.1。計算得到各斷面穩定河寬見表2。

表2 小黑河控制斷面穩定河寬計算成果

通過計算可得黑河大峽谷各斷面的穩定河寬為22.24 m，與當前實際河寬（20.56～45.59）有一定差距，表明在天然狀態下該河段在較長時間的水流沖刷演變過程中，河岸邊坡穩定性較差。

3.2.4 穩定系數

3.2.4.1 縱向穩定系數。河床縱向穩定系數用下式計算。

式中，ψh為縱向穩定系數；d為河床平均粒徑，單位為mm；H為平均水深，單位為m；J為比降，用‰表示。

縱向穩定系數h的大小僅表示泥沙運動的強弱。泥沙運動越強，河床變化越劇烈。穩定系數可作為判斷河流泥沙運動強度和沙丘運動引起河床變形強度的依據。h值越大，泥沙運動越弱，河床越不易變形；相反h值越小，泥沙運動越強，河床越易變形。因此，該系數僅體現河床底部的穩定性，并不能體現河岸穩定性。

河床質粒徑級配成果見表3。河道斷面比降采用實測值，糙率根據河道斷面情況查表得到。現場實地采集河床質樣，室內篩分分析粒徑，并繪制粒徑級配曲線（見圖2）。計算得出斷面河床縱向穩定系數為0.08～0.38（見表4），河段河床穩定性相對較差。3.2.4.2橫向穩定系數。影響河岸穩定性的因素主要是河岸泥沙土壤的抗沖能力，其次是灘槽高差。河岸的穩定性用阿爾圖寧的穩定河寬系數的倒數表達。

表3 小黑河控制斷面河道砂（卵）礫石粒徑級配成果

圖2 小黑河步道斷面河床質粒徑級配曲線

式中，φb為橫向穩定系數；Q為造床流量，單位為m3/s；B為穩定河寬，單位為m；J為比降，用‰表示。橫向穩定系數φb越大河岸越穩定，φb越小則河岸越不穩定。經計算黑河橫向穩定系數為0.91（見表4）。一般涇河流域河流的橫向穩定系數為0.63，表明各斷面河段河岸穩定性較差。

表4 小黑河控制斷面縱、橫向穩定系數

3.3 河道演變趨勢分析

按照河道演變規律，黃土河谷區河流地形一般比較開闊，河道在長期水流作用下易形成寬淺河流，河流平面形態的變化主要受人類活動的影響較大。通過對黑河大峽谷所在河段河道演變情況的調查和分析計算可知，在天然狀況下該河段溝道平面變化不大，縱向變化相對穩定，橫向變化不穩定。隨著國家中小河流治理規劃的實施，河道兩岸堤防、護岸、疏浚、流域水土保持工程的建設及對河道的嚴格管理，對穩定河流斷面和有效控導河勢將起到積極的作用，也有助于加強河流的橫向、縱向穩定性。

河床演變參數分析表明，總體上各河道斷面縱向穩定性較好，橫向穩定性較差。當前小黑河河道槽灘多不分明，河槽寬窄不一（20.56～45.59 mm）；洪水期主流易在河槽內擺動。黑河大峽谷河段河床表層土質松軟，河槽易受水流沖蝕而左右擺動。

4 結語

通過對黑河大峽谷河道歷史演變、近期演變以及演變趨勢的分析，掌握了黑河大峽谷河床的演變規律。該河段在中小河流治理規劃工程的調控下，其未來演變趨勢將會處于沖淤平衡狀態。