黃河下游河道橫斷面變化特點及對彎道的影響

張明武 孫贊盈 彭紅 李勇

摘要：黃河下游河道橫斷面變化直接關系河道的排洪輸沙能力，橫斷面形態變化對彎道曲率的影響關系著河道的河勢變化，一直是黃河下游河床演變研究的重點。從1986-1999年淤積縮窄時期和2000-2013年沖刷展寬時期入手，采用實測大斷面數據，對黃河下游各河段橫斷面沖淤情況進行分析，給出了彎道曲率與橫斷面形態特征的關系式，分析了黃河下游橫斷面形態變化對彎道曲率的影響。結果表明：黃河下游河道各河段在沖刷時期，主槽寬逐漸變大，在理想條件下河道寬淺，彎道流中流速橫向分布不均，容易造成塌岸沖刷，河道將會越來越彎曲。

關鍵詞：彎道曲率;沖淤變化;橫斷面形態;河道;黃河下游

中圖分類號：TV147; TV882.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.006

黃河下游河道橫斷面變化直接關系河道的排洪輸沙能力，一直是黃河下游河床演變研究的重點之一。小浪底水庫修建前，黃河下游自1986年出現枯水枯沙系列，水沙條件發生改變，陳建國[1]對黃河下游河道萎縮的機理和基本輸水輸沙通道的規模進行了研究。小浪底水庫修建后，下游河道水沙條件發生顯著變化，水、沙量年均值均較水庫修建前急劇減小，且下游河道水量的減幅小于沙量的：水庫的運用調節了水量的年內分配，使得汛期出庫水量占年均水量的比例有所下降，且泥沙均集中在汛期進、出水庫[2]。2000年以來，黃河下游河道的來沙量明顯減小，但各河段沙量沿程變化在不同時段卻是不同的[3]。這種新的水沙條件勢必引起下游水動力條件的變化。吳保生等[4]研究了黃河下游河段斷面水力幾何形態與斷面形態特征參數之間的相互關系與變化特點：申冠卿等[5]對不同時期黃河下游河道泥沙沉積與縱、橫斷面調整進行了研究。

黃河下游河道橫斷面形態變化對彎道曲率的影響關系著河道的河勢變化。本文從1986-1999年（共14 a）淤積縮窄時期和2000-2013年（共14 a）沖刷展寬時期人手，分別對黃河下游各個河段的橫斷面沖淤情況進行分析，以期為深入認識黃河下游橫斷面形態變化特征提供重要的理論支撐和依據。同時，通過理論分析給出彎道曲率與橫斷面形態特征的關系式，結合理論關系式，分析黃河下游各個河段的沖淤特性以及黃河下游橫斷面形態變化對彎道曲率的影響。

1 黃河下游橫斷面形態變化特征分析

1.1 淤積縮窄時期橫斷面形態特征

以1986年斷面為起始年斷面，以某年斷面相對于起始年斷面的沖淤面積作為主槽累計沖淤量（正淤負沖，下同）。側向（或垂向）累計沖淤量表示為某年斷面相對于起始年斷面的側向（或垂向）沖淤面積，見圖1。其中：側向累計沖淤量為起始年左岸（ Ll）與計算年左岸（L2）之間的沖淤面積加上起始年右岸（Rl）與計算年右岸（ R2）之間的沖淤面積之和;垂向累計沖淤量為計算年左岸（ L2）和右岸（R2）之間的沖淤面積。本次計算不考慮灘地上的沖淤變化，只考慮主槽相對于起始年的沖淤變化。

（1）伊洛河口以上。伊洛河口以上1986-1999年大斷面側向累計沖淤量整體上大于垂向累計沖淤量（見圖2）。

（2）伊洛河口一花園口。與伊洛河口以上河段類似.1986-1999年伊洛河口一花園口大斷面側向累計沖淤量整體上大于垂向累計沖淤量。

（3）花園口一夾河灘。該河段大斷面側向累計沖淤量整體上大于垂向累計沖淤量。

（4）夾河灘一高村。該河段大斷面側向累計沖淤量整體上大于垂向累計沖淤量，兩者差別沒有花園口一夾河灘河段的大（見圖3）。

（5）高村一孫口。該河段大斷面側向累計沖淤量整體上大于垂向累計沖淤量。側向和垂向沖淤量差別沒有夾河灘一高村河段的大（見圖4）。

（6）孫口一艾山。該河段大斷面側向累計沖淤量整體上小于垂向累計淤積量。從該河段開始，側向累計沖淤量均小于垂向累計沖淤量（見圖5）。

（7）艾山一濼口。該河段大斷面垂向沖淤量遠大于側向沖淤量，說明該河段以淤積抬升為主（見圖6）。

（8）濼口一利津。該河段大斷面垂向沖淤量遠大于側向沖淤量，說明該河段以淤積抬升為主。

1.2 沖刷展寬時期橫斷面形態特征

以2000年斷面為起始年斷面，以某年斷面相對于起始年斷面的沖淤面積作為主槽累計沖淤量。側向（或垂向）累計沖淤量分別表示為某年斷面相對于起始年斷面的側向（或垂向）沖淤量

（1）伊洛河口以上。2000-2013年伊洛河口以上大斷面整體上側向累計沖淤量和垂向累計沖淤量相當（見圖7）。

（2）伊洛河口一花園口。與伊洛河口以上河段類似.2000-2013年伊洛河口一花園口大斷面側向累計沖淤量整體上和垂向累計沖淤量相當。

（3）花園口一夾河灘。該河段主槽斷面側向和垂向累計沖淤量相當。

（4）夾河灘一高村。該河段大斷面側向累計沖淤量和垂向累計沖淤量相當（見圖8）。

（5）高村一孫口。該河段大斷面側向和垂向累計沖淤量相當（見圖9）。

（6）孫口一艾山。該河段大斷面側向累計沖淤量整體上小于垂向累計沖淤量。從該河段開始向下游，側向累計沖淤量均小于垂向累計沖淤量，說明從2000年以來，該河段主河槽寬度沒有多大變化，主槽沖深產生的沖刷量比較大（見圖10）。

（7）艾山一濼口。該河段大斷面側向累計沖淤量遠小于垂向累計沖淤量，說明2000年以來該河段主河槽寬度基本沒變化，沖刷量基本上是由主槽沖深引起的（見圖11）。

（8）濼口一利津。該河段斷面寬度基本無變化，側向累計沖淤量遠小于垂向累計沖淤量，說明2000年以來該河段主河槽寬度基本沒變化，沖刷量基本上是由主槽沖深引起的。

1.3 側向淤積與展寬系數

各河段沖刷時期主槽河寬變化過程見表1。各河段累計塌灘展寬面積與累計主槽沖深面積的相關關系、與塌灘展寬面積占比的相關關系見表2。其中：主槽側向淤積系數=主槽側向累計淤積量/主槽總累計淤積量：主槽側向展開系數=主槽側向累計沖刷量/主槽總累計沖刷量。由表2可以看出，在淤積縮窄時期，孫口以上的主槽側向淤積系數都大于0.50%，即主槽側向淤積量大于垂向淤積量，孫口以下則相反。同樣地，在沖刷展寬時期，孫口以上的側向淤積系數都大于0.50，孫口以下的側向淤積系數都小于0.50，孫口以上各河段主槽以展寬為主，孫口以下各河段主槽以沖深為主。

2 斷面形態變化特點對彎道曲率的影響

2.1 彎道曲率與橫斷面形態特征的關系

橫斷面形狀是由表面寬度B、中心深度D、岸坡斜率z和河床橫比降S所決定的[6].河道概化圖見圖12（a）（其中θ為河彎流路與下行流路的夾角，r為彎道半徑）。為了簡化分析，本文忽略了岸坡斜率z，橫斷面形狀近似于圖12（b）所示，是由表面寬度B、中心深度D和橫比降S所決定的。

河道斷面的橫比降St的幾何關系式可以表示為

彎曲段水流以螺旋運動或橫向循環為特征[7]。為預測一條彎曲的、可侵蝕的河床的橫比降，前人建立了幾種分析模型。本文斷面橫比降的計算基于Odgaard A J的方程[7]：

2.2 黃河下游橫斷面沖淤變化對彎道曲率的影響

黃河下游河道從上到下由寬淺河道逐漸變為相對窄深河道。以2013年為例，由表1可知伊洛河口以上、夾河灘一高村、高村一孫口、孫口一艾山、艾山一濼口的主河槽寬度分別為1 448、1 065、628、504、458 m.逐漸變小，河道逐漸變窄深。

淤積時期河道寬淺，流速橫向分布不均，容易造成貼邊淤積，即側向淤積量大于垂向淤積量。孫口以下河道相對窄深，流速橫向分布相對均勻，容易造成淤積。沖刷時期河道寬淺時，流速橫向分布不均，容易造成塌岸沖刷，孫口以上各個河段以展寬為主：孫口以下河段河道相對窄深，流速橫向分布相對均勻，容易造成沖深。

黃河下游河道沖刷時期（2000-2013年）主槽寬度逐漸變大。高村以上河段主槽寬度變化相對較大，高村以下各河段主槽寬度相對變化較小。

3 結論

在理想的彎曲河道中，r/B的值由F和ζ確定，F為河床阻力、水流速度、泥沙顆粒大小等的函數。假定F不變，寬深比ζ越大r/B越小，也就是河道越彎曲;r/B越小寬深比ζ越大。

通過分析黃河下游各河段橫斷面形態及沖淤特性，結合理論關系式，給出彎道曲率對黃河下游橫斷面形態變化影響的關系。黃河下游河道各河段在沖刷展寬時期（2000-2013年），主槽寬度逐漸變大，在理想條件下（沒有人為控制邊界條件），河道寬淺，在彎道流中流速橫向分布不均，容易造成塌岸沖刷，河道將會越來越彎曲。

參考文獻：

[1] 陳建國，黃河下游河道萎縮機理與基本輸水輸沙通道規模研究[D].武漢：武漢大學，2013：1-10.

[2] 夏軍強，吳保生，王艷平，近期黃河下游河床調整過程及特點[J].水科學進展，2008，19（3）：301-308.

[3] 胡春宏.張治昊，黃河下游復式河道灘槽分流特征研究[J].水利學報，2013，44（1）：1-9.

[4]吳保生，李凌云.黃河下游河道橫斷面的若干特點[J].人民黃河，2008，30（2）：15-16.

[5] 申冠卿，張原峰，尚紅霞，等，不同時期黃河下游河道泥沙沉積與縱橫斷面調整[J].泥沙研究，2005（3）：30-34.

[6]

CHANG H H.Fluvial Processes in River Engineering[M].Florida： Krieger Publishing Company， 1992： 261-297.

[7] ODGAARD A J.Transverse Bed Slope in Alluvial ChannelBends[J].Joumal of the Hydraulics Division， 1981， 107：1677-1694.