小浪底水庫運用以來黃河下游沖刷發展規律

中圖分類號：TV62；TV882.1 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2025.08.014引用格式：，等.小浪底水庫運用以來黃河下游沖刷發展規律[J].人民黃河，2025，47（8）：83-89.

River Sediment Erosion Rules in the Lower Yellow River Since the Operation of Xiaolangdi Reservoir

ZHANG Min1， ZHANG Chunjin'，MA Dongfang1，LI Xianxin2，QI Daokun3， SUN Zanying' （1.YellwRiverIstituteofHydraulicResearch，YCC，Zhengzou45O3，China;2.StateGridEconomicandTechnologicalearch InstituteCo.，Ltd.，Beijing1022O9，China；3.Economicand TechnologicalResearch InstituteofStateGridHenan ElectricPower Company，Zhengzhou 450052，China）

Abstract：Afterperatfserpodgddimeteetioitilluetsreaeraeltoodddut down，andevencangeteiverpate，hichillaveacertainimpactotesafetyofater-relatedprjetsndertomastules ofriversedimenterosiodowsramteesei，asdoteaterndsdmntsellro-setioalbseatiodatasetheap plicationoftheXiaolangdiReservoirforsedimentcontrol，tispaperanalyzdthecumulativesouringvolue，averagescouingdepththe maximumwaterepthdtmopologcalangoflogiialadossectioalsectiosoftelowerachoftded theinfluenceofwaterandsedimentandboundaryconditionsonscouringeficiency.TheresultsshowthatfromOctober1999toOctober 2022，the downstream river channel has accumulated a total of 2.276 billion m³ of erosion，showing the characteristics of“more erosion at the upper and less at the lower and uneven distribution along the course”. Among them， 70% occurs above Gaocun and 30% below Gaocun. The lngitudinalgradintofteiveraelicreassinepdloerstos，ileiteceassintedlesioaingt tirelongitudinalprofiloeconcave.TeiverchaelhasudergonesignificantwidenngnddowardutingTeincreaseinierith islargeratteodsalattottilicreainwatedepthissalatteodlrgeattds coarsened，with the median particle size increasing by 6% to 79 % ，and the scouring eficiency of the river channel has significantly decreased.Thechannelerosioneficiencybelowthereservoiriscloselyrelatedtotheaveragefloodfowandthecumulativeerosionvolumein thepreceding period.When theaccumulative erosionvolume above Huayuankoureach reaches O.6biliontandthedischarge is 2 000m³/s ！ the future erosion efficiency will be reduced to -2.9kg/m³

Key Words：river channel erosion；erosion eficiency；Xiaolangdi Reservoir;lower Yellow River

0 引言

大壩或水庫修建后在一定程度上改變了其下游河道的水文泥沙過程，會引起河道沖淤規律的變化，引起河勢甚至河型的轉變，例如我國的三峽水庫[1-5]、丹江口水庫[6]、三門峽水庫[7-9]，國外的尼羅河阿斯旺大壩[0]等。大壩下游河道的沖淤變化以沖刷居多，河床不同程度地表現出展寬或沖刷下切，縱比降減小。例如：阿斯旺大壩從20世紀60年代建成后，其下游河道1963—1990年不同流量水位下降 0.3～0.9m^[10] ;美國福特佩克大壩在1937年竣工后，1937—1951年壩下 70km 范圍內河床降低 1.0m^[10] ；三峽水庫2003年蓄水運用至2017年，荊江河段河槽平均沖深 1.81m^[11] 。壩下河道沖刷和水位下降，會對河道水利工程及跨河設施的安全帶來一定的影響。例如：兩岸引水涵閘引水困難，河道工程、橋梁墩臺和輸電線路基礎的淘刷破壞等。針對水利樞紐下游河床演變，從下游水沙過程調整[12]、河道沖淤及河勢演變特性[13-15]、下游河床泥沙粗化、斷面形態變化、水位下降、沖刷深度[16-22]等方面，眾多學者開展了大量的研究工作，為河道治理及學科研究奠定了堅實的基礎。小浪底水庫運用以來，1999—2006年下游河道累計沖刷了13.23億t，最小平灘流量從1800m³/s 增大至 4500m³/s^[23] 。小浪底水庫下閘蓄水至2008年4月，高村以上沖刷11.89億t，占總沖刷量的 74.8%^[24] 。小浪底水庫運用以來受床沙粗化的影響，調水調沙清水下泄期，高村站沖刷效率由2004年的 12kg/m³ 降至2015年的 4kg/m^3[17] 。沖刷效率的變化與洪峰峰型密切相關，當水量相同時，人工調控平頭峰沖刷效率比自然洪峰沖刷效率大[25]。下游河槽沖刷效率隨流量增大而增大，當流量大于4000m³/s 時趨于穩定[26]。除了流量外，前期累計沖刷量對沖刷效率的影響也較大。未來，隨著古賢水庫的建成，下游沖刷發展的趨勢還將繼續，下游河道沖刷發展會如何變化是眾多學者關心的重要問題。

筆者利用1999—2022年黃河下游河道實測資料，分析黃河下游沖刷量、橫斷面、縱剖面和河床粗化發展過程，研究沖刷效率的變化規律，用前期累計沖刷量代表床沙粒徑粗化等河床邊界因素的影響，建立了沖刷效率計算公式，定量預測未來古賢水庫修建后沖刷效率的變化，以期為中游水庫群調水調沙提供技術支撐。

1研究區域概況及數據來源

黃河干流小浪底至高村河段屬于游蕩型河段，高村至陶城鋪屬于過渡型河段，陶城鋪至利津則屬于彎曲型河段。高村以上河段堤距較寬，為 10km 左右，河槽寬度一般為 3～5km ，河道沖游劇烈，河勢游蕩多變。高村至陶城鋪河段堤距在 5km 以上，河槽寬為1～2km 。陶城鋪至利津河段，堤距為 1～3km ，河槽寬為 0.4～1.2km 。黃河下游河段主要控制站花園口水文站多年（1950—2020年，下同）平均徑流量和輸沙量分別為369.8億 m³ 和8.44億t。小浪底水庫運用后，花園口站2000—2022年年均進人下游徑流量和輸沙量分別為290.0億 m³ 和1.24億t，較多年平均值分別減少 22% 和 85% 。

小浪底水庫運用以來，黃河下游的洪水泥沙主要通過調水調沙下泄。2002—2022年，小浪底水庫累計攔沙34.6億 m³ ，有效減輕了水庫淤積；下游河道持續沖刷，主槽萎縮得到了遏制，過流能力顯著恢復，最小平灘流量由2002年汛前的 1800m³/s 恢復到2023年汛前的 4600m³/s ，下游漫灘概率顯著減小，也使得下游河道產生了明顯的沖刷。

黃河下游利津以上河段沿程布設有327個實測大斷面，本次沖刷發展過程及斷面形態變化分析即采用這些大斷面資料。黃河下游有花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山、濼口和利津7個水文站，本次分河段沖刷效率的分析均采用這7個水文站2000—2022年的水文資料。

2 黃河下游河道沖刷發展分析

2.1 沖刷發展過程

1999年汛后至2022年汛后，黃河下游河道共沖刷了22.76億 m³ 。下面從時間和空間角度分析下游河道沖刷的發展過程。

從沿程沖淤量來看（見圖1，圖中，“白-花”為白鶴至花園口河段、“花-夾”為花園口至夾河灘河段、“夾-高”為夾河灘至高村河段、“高-孫”為高村至孫口河段、“孫-艾”為孫口至艾山河段、“艾-濼”為艾山至濼口河段、“濼-利”為濼口至利津河段、“白-利”為白鶴至利津河段，余同），下游河道沖刷主要集中在高村以上，沖刷量為15.38億 m³ 。高村以上河段河長占全下游的 40% ，沖刷量占全下游的 70% 。高村以下河長占全下游的 60% ，沖刷量占總沖刷量的 30% 。整個下游河道呈現出了“沖刷上多下少，沿程分布不均”的特點。從沿程斷面沖淤面積來看（見圖2），高村以上的沖刷面積較大，其中花園口至夾河灘河段的沖刷面積最大，為 6778m² ，白鶴至花園口河段和夾河灘至高村河段分別為 4430m² 和 4239m² 。年內沖淤分配上，汛期沖刷量占 64% ，非汛期占 36% 。高村以上河段汛期和非汛期均為沖刷，高村以下河段非汛期有少量的淤積，全年表現為沖刷。

圖11999年汛后至2022年汛后黃河下游河道沖淤量Fig.1Erosion Volumein theLYR from 1999to 2022 After Flood

圖21999年汛后至2022年汛后黃河下游河道沖淤面積Fig.2Erosion Area in the LYR from 1999 to 2022 After Flood

下游沖刷發展歷時從累計沖刷量曲線斜率變化角度可分為6個階段（見圖3）。第Ⅰ階段是1999—2002年。該階段僅在2002年開展了調水調沙，調水調沙期花園口洪峰流量為 2 600m³/s ，該階段年均沖刷量為0.78億 m³ 。第Ⅱ階段是2003—2006年。2003年8月25日至11月22日，黃河下游發生了3場洪水，花園口洪峰流量分別為 2780.2760.2494m³/s ，持續時間共68d，洪量達159億 m³ 。下游河道發生了明顯沖刷，2003年沖刷量達1.59億 m³ 。2003—2006年，隨著河道的沖刷展寬，下游最小平灘流量逐漸增大，調水調沙的最大洪峰流量也逐漸增大到 3550m³/s 。下游沖刷效率提高，累計沖刷量曲線斜率變陡，該階段年均沖刷量為1.88億 m³ 。第Ⅲ階段是2007—2012年。該階段，受前期小浪底水庫調水調沙的影響，下游河道沖刷下切，河床粗化，河道沖刷效率有所降低，累計沖刷量曲線斜率變緩，年均沖刷量為1.17億 m³ 。第V階段是2013—2017年。由于天然來水較少，因此2015—2017年未開展調水調沙，河道沖刷量明顯降低，年均沖刷量為0.78億 m³ 。第V個階段是2018—2020年，這3a來沙量為2000年以來較大的 3a 。這3a年均來沙量為3.32億t，是2000—2022年年均來沙量1.24億t的2.7倍。第VI階段是2021—2022年。2021年黃河發生了1949年以來最嚴重秋汛，潼關站發生1979年以來最大洪水，支流渭河、汾河、伊洛河、沁河均發生有實測資料以來同期最大洪水；黃河下游發生了6場洪水，花園□最大洪峰流量為 5220m³/s ，日均流量為 4000m³/s 以上的天數達 23d ；汛期小浪底水庫下泄水量263億m³ 、沙量0.79億t;下游河道發生了明顯沖刷，年沖刷量為2.38億 m³ 。2022年下游河道微淤0.83億 m³ 。

圖3黃河下游累計沖淤量發展過程 Fig.3Development Process of Cumulative Erosion intheLower YellowRiver

2.2 縱剖面、橫斷面形態變化

縱剖面的變化用沿程每個斷面的平均河底高程變化來表示。平均河底高程 Σ=Σ 主槽灘唇高程-平均水深。下游河段河床總體呈沖刷下降狀態，沖刷主要發生在主槽，1999年汛后至2022年汛后河段平均河底高程下降 3.8m ，如圖4所示。其中下降最多的為夾河灘至高村河段，平均下降 5.00m ；其次為高村至孫口河段，平均下降 4.07m ；下降最小的河段為花園口以上河段，平均下降 3.19m 。由于花園口以上河段的平均河底高程下降值小于艾山至利津河段的，因此下游河段整體河床縱比降增大，由1999年的 0.142%o 增大為2022年汛后的 0.146%o 。分河段縱比降，花園口以上河段由0.239‰ 增大為 0.250‰ ，花園口至高村河段由 0.180%o 增大為 0.188%o ，高村至艾山河段由 0.138%o 減小為0.117‰ ，艾山至利津河段由 0.092%o 增大為 0.099‰ 。即上段和下段比降增大，而中間段比降減小，整個縱剖面變得更為下凹。

圖4黃河下游縱剖面及平均沖刷厚度變化 Fig.4 VariationsinLongitudinalProfileand AverageErosion Thickness

橫斷面的變化主要用河寬 （B） 、水深 （h） 和寬深比（ 這3個參數來反映。黃河下游河寬、水深和寬深比的變化見圖5和表1。可以看出，不同河段河寬和水深均是增大的。高村以上河段河寬增幅較大，為

圖5小浪底水庫運用后典型橫斷面變化 Fig.5 Typical Cross-Section Variation After XLD Reservoir Construction

147～487m ，高村以下河段增幅較小，為 14～40m ；花園口以上河段平均水深增加了 2.43m ，高村至艾山河段平均水深增加了 3.20m ，為水深增幅最大河段，艾山至利津河段平均水深則增加了 2.68m 。由于河寬和水深均增大，但水深增加幅度大于河寬增加幅度，因此全下游斷面的寬深比都是減小的，且上段減小幅度大。例如：花園口以上河段寬深比 由1999年的23.6減小為 2022年的12.2，艾山至利津河段寬深比由1999年的8.2減小為2022年的4.2。

表1黃河下游河段平均橫斷面形態對比 Tab.1 Comparison of Mean Annual Cross-Section in LYR Before and Aft

2.3 最大水深變化

小浪底水庫攔沙運用后，下游河道發生持續沖刷，河道最大水深相應增大。最大水深是指灘唇至河床最深點的水深，這對河道整治工程局部安全、跨河建筑物（例如橋梁、輸電線路基礎）的安全也會產生一定的影響。選取游蕩型和彎曲型典型河段，即花園口至夾河灘和艾山至利津河段，分析沿程最大水深的變化過程，如圖6所示（花園口至夾河灘河段分為花園口至黑崗口河段、黑崗口至夾河灘河段，艾山至利津河段分為艾山至濼口河段、濼口至利津河段）。2000年之前花園口至夾河灘河段最大水深平均值為 6.1m ，最大值為 15.2m;2000 年之后最大水深平均值為 12.0m ，最大值為 18.8m 。艾山至利津河段2000年之前最大水深平均值為 12.4m ，最大值為 15.9m;2000 年之后最大水深平均值為 17.1m ，最大值為 22.1m 。2000年前后相比，平均水深增大幅度較大，花園口至夾河灘河段最大水深平均值增加 5.9m ，增幅為 97% ，艾山至利津河段最大水深平均值增加 4.7m ，增幅為 38% 。最大水深目前還在彎曲型河段，為22.1m ，因此未來橋梁、輸電線路基礎的埋深也應當適當增大。

圖6游蕩型和彎曲型河段最大水深變化

Fig.6 Variation in Maximum Water Depth in Wandering andMeanderingReach

2.4 床沙粗化分析

黃河下游的河床表面及以下 15～30m 范圍內以砂土或黏土為主。對下游7個水文站進行汛后床沙取樣，結果顯示床沙粒徑從上游至下游逐漸減小（見表2）。進一步對比小浪底水庫運用以后下游床沙變化，可以看出河床粗化現象明顯。2000年下游各水文站中值粒徑為 0.067～0.208mm ，至2022年增大為 0.104～ 0.219mm ，中值粒徑增加幅度為 6%～79% 。小浪底水庫攔沙運用過程中，粗化發展較快，但遇到來沙量較大的年份（例如：2003年來沙量2.04億 t，2018 年來沙量3.44億 t，2019 年來沙量3.28億t），床沙會得到暫時補給，床沙粒徑會有變細的現象。但當淤積的細沙被沖刷后，河床又重新出現粗化現象。

表2小浪底水庫運用后黃河下游水文站床沙中值粒徑變化

Tab.2VariationinMedianGrainSizeofBedMaterial

3 沖刷效率變化特征

自2002年至2022年，已開展了26次調水調沙，其中汛前調水調沙有14次，還有9次汛期調水調沙，2次調水調沙原型試驗，1次秋汛洪水。小浪底水庫運用以來，主槽萎縮的狀況得到了遏制并顯著恢復，最小平灘流量由2002年汛前的 1800m³/s 恢復到2023年汛前的 4600m³/s 。

將小浪底水庫運用以來所有汛期清水期分成了110個流量過程，根據黃河下游沖淤發展過程將沖游效率分成了2000—2006 年、2007—2012 年和2013—2022年3個階段。沖刷效率是指單位來水量可沖刷下游河段的沙量。由圖7可以看出，在小浪底水庫攔沙運用初期的2000—2006年，沖刷效率較高，當平均流量達 2 000m³/s 時沖刷效率為 -23kg/m³ 。隨著河道沖刷下切，河床粗化，2007—2012年沖刷效率減小為 -15kg/m³ ，至2013—2022年減小為 -6kg/m³ ，沖刷效率明顯降低。

圖7小浪底水庫運用以來沖刷效率變化 Fig.7 Changes in Erosion Efficiency Since the Operation of XLD Reservoir

4變化環境因素對沖刷效率的影響

小浪底水庫攔沙運用以來，下游水沙及河道邊界條件均發生了變化。輸沙環境的變化對于清水沖刷背景下河道的沖刷效率影響較大。輸沙環境因素是指水流動力和河道邊界。其中水流動力指洪水流量，河道邊界條件指床沙粗細、橫斷面形態和河道縱比降等。

4.1水流動力條件對沖刷效率的影響

小浪底水文站年水量的變化如圖8所示。三門峽水庫蓄水攔沙期水量較為豐沛，1960—1964年小浪底水文站年均水量約479億 m³ ，其中1964年最大，為717億 m³ ，該時期汛期平均流量為 2497m³/s ，非汛期平均流量為 1 024m³/s ，最大洪峰流量為 5410m³/s 。1999年小浪底水庫進入攔沙初期，2000—2017年來水較枯，小浪底水文站年均水量約229億 m³ ，汛期和非汛期平均流量分別為 1 074m³/s 和 547m³/s （由于小浪底水庫汛前調水調沙從6月中旬開展，因此汛期是指6—10月，下同）。2018—2022年來水較豐，小浪底水文站年均水量為417億 m³ ，汛期和非汛期平均流量分別為 2298m³/s 和 825m³/s 。可以看出，三門峽水庫蓄水攔沙期小浪底水文站的水量較小浪底水庫攔沙期的大，汛期平均流量也大，提供了較強勁的水流動力條件。

圖8小浪底水文站年水量變化

圖9為三門峽水庫蓄水攔沙期（1960—1964 年）和小浪底水庫蓄水攔沙期（2000—2005 年、2006—2017年和2018—2022年）沖刷效率隨流量的變化情況。可以看出，當平均流量小于 4000m³/s 時，沖刷效率隨流量的增大而增大。1960—1964年下游河道沖刷效率較大，當流量為 2 000m³/s 時，沖刷效率可達-23kg/m³ ;當流量超過 2000m³/s 或 2500m³/s 后，沖刷效率不再增大。2000—2005年 ，2 000m³/s 時下游河道的沖刷效率約為 -19kg/m³ ，與三門峽水庫蓄水攔沙期基本相同。2006年以后，隨著河道沖刷下切，河床粗化，沖刷效率明顯降低，當平均流量為 2000m³/s 時，沖刷效率僅為 -6kg/m³ ，但也基本隨著流量的增大而增大。

圖9 三門峽水庫蓄水攔沙期和小浪底水庫蓄水攔沙期下游沖刷效率變化

Fig.9Variation of Sediment Erosion Efficiency of LYR in thePeriodofOperationofSanmenxiaandXiaolangdi Reservoir ImpoundingandSediment Retention

4.2 河床邊界條件對沖刷效率的影響

河道上修建水庫后，其下游河道發生沖刷，產生河床粗化、橫斷面形態趨于窄深、床面形態變化等現象。以上因素變化使得河道阻力增大，進而影響沖刷效率。河道阻力的計算較為復雜，為了分析河床粗化等因素對沖刷效率的定量影響，選用河道累計沖刷量替代河床粗化等河床邊界條件變化的指標，建立沖刷效率的計算公式。

根據水沙數據，分析了2000—2022年不同流量過程洪水沖刷效率與各影響因素的關系。小浪底至花園口河段沖刷效率隨流量和前期累計沖刷量（從2000 年開始場次洪水的累計沖刷量）的變化如圖10所示。

可以看出，沖刷效率隨著流量的增大而增大，同時沖刷效率隨累計沖刷量的增大而減小。當累計沖刷量 lt;1 億t、流量為 1500m³/s 時，沖刷效率為 -10kg/m³ 。累計沖刷量增大，河床不斷粗化，當累計沖刷量3億～4億t、流量為 1500m³/s 時，沖刷效率減小為 -4kg/m³ 。

圖10小浪底至花園口河段沖刷效率與各影響因素關系 Fig.10Relationship Between Erosion Efficiency and Factors inRiverSectionfromXLDtoHYK

依據2000—2022年不同流量洪水過程資料，進行多元回歸分析，建立了不同河段沖刷效率的計算公式，見表3。可以看出，小浪底至花園口河段和花園口至高村河段沖刷效率與平均流量和前期累計沖刷量均成冪指數關系，而高村至艾山河段則成線性關系。艾山以下河段的沖刷效率與流量和累計沖刷量并無明顯的關系。由圖1和圖2可知，2000年以來黃河下游的沖刷量主要集中在高村以上河段，因此高村以上河段沖刷效率與前期累計沖刷量關系較為密切，前期累計沖刷量對河段沖刷效率影響較大，成冪指數負相關關系。而高村以下河段，由于河床粗化程度、河道橫斷面形態等邊界條件變幅較高村以上小，因此沖刷效率受前期累計沖刷量影響小，成負相關線性關系。可以看出，表3中3個公式決定系數在 0.76～0.80 之間，說明這3個公式能較好地模擬不同流量和前期累計沖刷量條件下的河段沖刷效率變化

表3黃河下游不同河段沖刷效率計算公式

Tab.3Relationship Between Erosion Efficiency and FactorsinDifferentReachofLYR

注： ΔS 為沖刷效率， Q 為場次洪水平均流量， ΔW_sysit 為從2000年開始累計沖刷量。

依據表3中各河段沖刷效率計算公式，可以繪制不同平均流量和前期累計沖刷量條件下黃河下游沖刷效率變化的預測圖（見圖11）。可以預測得到，未來隨著古賢水庫的建成運用，下游河道的持續沖刷將會繼續，累計沖刷量將會不斷增大。當小浪底至花園口河段累計沖刷量達6億t、流量為 2 000m³/s 時，其沖刷效率將降低為 -2.9kg/m³ ；同樣，當花園口至高村河段累計沖刷量達6億t、流量為 2000m³/s 時，該河段沖刷效率將降低為 -3.6kg/m³ ；當高村至艾山河段累計沖刷量達6億 t. 流量為 2000m³/s 時，沖刷效率將降低為 -1.1kg/m³ 。

圖11黃河下游不同河段沖刷效率預測

Fig.11Predicted Erosion Efficiency of Eifferent Reachesin LYR

5 結論

基于1960—1964年和2000—2022年黃河下游典型水文站和大斷面測量資料，分析研究了小浪底水庫運用以來的黃河下游沖刷規律，主要結論如下。

1）黃河下游沖刷呈現出“沖刷上多下少，沿程分布不均”的特點，高村以上占 70% ，高村以下占 30% O黃河下游縱比降從 0.142%o 增大為 0.146%o ，其中高村以上河段縱比降增大，高村至艾山河段減小，艾山至利津河段增大，即上段和下段比降增大，而中間段比降減小，整個縱剖面變得更為下凹。黃河下游平均河寬和水深均是增大的，寬深比是減小的，即河道橫斷面形態變得既寬又深。其中花園口以上河寬增大幅度大，高村以下河段增大幅度小。黃河下游河床中值粒徑均有所增大，增大幅度為 6%～79% 。

2）水庫壩下河道沖刷效率與平均流量和前期累計沖刷量密切相關。用前期累計沖刷量代表河床粗化后的河道邊界條件，小浪底至花園口、花園口至高村河段沖刷效率與洪水期平均流量成正向冪指數關系，與前期累計沖刷量成負向冪指數關系。高村至艾山河段，沖刷效率與前期累計沖刷量成負向線性關系。

3）未來古賢水庫修建后，當小浪底至花園口河段累計沖刷量達6億t、流量為 2000m³/s 時，其沖刷效率將降低為 -2.9kg/m³ ；當花園口至高村河段累計沖刷量達6億t、流量為 2 000m³/s 時，沖刷效率將降低為-3.6kg/m³ ；當高村至艾山河段累計沖刷量達6億t流量為 2000m³/s 時，沖刷效率將降低為 -1.1kg/m³ 。

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【責任編輯 張帥】