西柳溝河床泥沙組成分析

侯素珍 李婷 郭彥 王平

摘要：為研究西柳溝泥沙來源及沿程輸移情況，在西柳溝干流河床取樣并進(jìn)行了顆粒分析。結(jié)果表明：西柳溝河床組成沿程可分為3段，從上游向下游分別為丘陵區(qū)、沙漠區(qū)和平原區(qū)，相應(yīng)中值粒徑從大向小過渡，其中丘陵區(qū)粒徑從大到小衰減迅速，經(jīng)過沙漠區(qū)繼續(xù)細(xì)化，到?jīng)_積平原區(qū)趨于穩(wěn)定，中值粒徑從上游的2mm以上變化到下游的平均0.157mm；從不同河段的粒徑組成看，粒徑大于0.5mm的泥沙在丘陵區(qū)占70%以上，到平原區(qū)基本消失；沙漠區(qū)河床處于過渡帶，粒徑變化較大；平原區(qū)河床中0.1～0.25mm的泥沙約占62%，0.1mm以下的泥沙含量顯著增大；洪水?dāng)y帶的泥沙沿程分選細(xì)化，大礫石主要落淤在上游丘陵區(qū)，部分經(jīng)過沙漠區(qū)進(jìn)一步調(diào)整，到下游平原區(qū)河床組成受沙漠沙影響較大。

關(guān)鍵詞：級(jí)配：中值粒徑：河床泥沙：西柳溝

中圖分類號(hào)：P333.4；TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10. 3969/j.issn.1000-1379.2018. 07.002

黃河內(nèi)蒙古河段地處黃河上游的下段，其中三湖河口一頭道拐河段南岸分布的白南向北并行人黃的“十大孔兌”（“孔兌”為蒙語，即“山洪溝”）總面積為1.08萬km?，為內(nèi)蒙古河段的主要產(chǎn)沙支流，暴雨期易形成峰高量大、含沙量高的洪水，常在孔兌下游泛濫成災(zāi)，在黃河干流形成沙壩，造成嚴(yán)重淤堵，不僅對(duì)黃河防汛產(chǎn)生嚴(yán)重影響，而且會(huì)堵塞包頭鋼鐵公司黃河取水口，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。關(guān)于十大孔兌問題的相關(guān)研究較多，在孔兌水沙特征方面，一些學(xué)者從孔兌高含沙洪水變化特點(diǎn)及水沙變化趨勢(shì)、西柳溝流域暴雨洪水產(chǎn)/輸沙關(guān)系等方面進(jìn)行了研究。在孔兌對(duì)干流的影響方面，HOU S.Z.等研究提出了孔兌對(duì)干流淤積的定量影響以及臨界輸沙量；王平等

通過試驗(yàn)研究了十大孔兌中的西柳溝高含沙洪水淤堵黃河干流的過程及淤積形態(tài)表征參數(shù)，提出了淤堵的形成條件。在西柳溝等孔兌水土流失特點(diǎn)和治理措施、水土保持生態(tài)工程的減沙作用等方面，劉曉林等進(jìn)行了較為深入的研究。冉大川等根據(jù)1960-2010年實(shí)測(cè)水文資料和水土保持治理實(shí)地調(diào)查資料，把1989年作為流域治理前后的分界年，對(duì)西柳溝流域水沙變化對(duì)下墊面治理的響應(yīng)進(jìn)行了歸因分析，定量評(píng)價(jià)了降雨和下墊面等驅(qū)動(dòng)因子對(duì)流域水沙變化的貢獻(xiàn)率；郭彥等利用集對(duì)分析原理，通過分析西柳溝河床質(zhì)及沙漠沙、砒砂巖樣品球形度間的相似性，對(duì)西柳溝下游泥沙組成進(jìn)行了定量分析。關(guān)于西柳溝的泥沙來源以及人黃泥沙組成，由于缺乏懸移質(zhì)泥沙級(jí)配資料，因此相關(guān)的研究成果極少，難以達(dá)成孔兌泥沙對(duì)黃河影響程度的共識(shí)。鑒于孔兌泥沙級(jí)配資料匱乏，本研究以西柳溝河道河床質(zhì)取樣分析為基礎(chǔ)，分析溝道河床泥沙組成和沿程調(diào)整過程，以期為研究孔兌泥沙來源及沿程輸移的關(guān)鍵科學(xué)問題提供支撐。這對(duì)認(rèn)識(shí)孔兌泥沙對(duì)黃河沖淤演變的影響，進(jìn)一步制定減沙綜合治理措施具有重要意義。

1流域概況

西柳溝發(fā)源于鄂爾多斯市達(dá)拉特旗漫賴鄉(xiāng)宗對(duì)壕張家山頂，流經(jīng)泊爾江海子鎮(zhèn)、展旦召鄉(xiāng)和昭君墳鄉(xiāng)，在昭君墳河畔村匯人黃河，全長(zhǎng)106.5km，流域總面積1356.3km?。地形南高北低，海拔1 000～1 500m，相對(duì)高差約500m。西柳溝上游屬丘陵溝壑區(qū)，面積為876.3km?，占流域總面積的64.6%，地面物質(zhì)由白堊紀(jì)的砂巖和砂礫巖組成，該區(qū)域植被稀疏、水蝕劇烈、地形支離破碎、溝谷地貌發(fā)育，極易產(chǎn)生風(fēng)蝕和水蝕，為西柳溝的主要產(chǎn)沙區(qū)域，溝道河床多由沙、卵石、礫石組成；中部為庫布齊沙漠區(qū)，面積為280.7km?，明沙丘地段沙丘呈流動(dòng)或半固定狀態(tài)，相對(duì)高度為3～10m，是十大孔兌的主要風(fēng)成沙沙源區(qū)：下游屬于沖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦，河槽寬淺，不夠穩(wěn)定，易于泥沙淤積。十大孔兌流域水系見圖1。

西柳溝流域?qū)俚湫偷母珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量為306mm，年均蒸發(fā)能力為2200mm，是降水量的7倍多。冬春兩季一般為斷流狀態(tài)，或有清水或間歇水，清水流量0.2～0.7m^3/s，洪水集中在6-10月，由暴雨產(chǎn)生。據(jù)西柳溝龍頭拐水文站實(shí)測(cè)資料，1960-2000年多年平均徑流量為3131萬m^3.輸沙量為520萬t，年均含沙量為166kg/m^3；實(shí)測(cè)最大洪峰流量為1989年的6940 m^3/s，最大含沙量為1973年的1550 kg/m^3，年最大輸沙量為1989年的4750萬t。

西柳溝暴雨突發(fā)性強(qiáng)，每逢暴雨就會(huì)導(dǎo)致山洪暴發(fā)、洪水暴漲，洪水挾帶泥沙經(jīng)過下游沿河平原區(qū)泄人黃河，造成河道淤堵、河水漫堤、房倒屋塌、農(nóng)田沖毀、交通中斷等災(zāi)害，暴雨造成的山洪災(zāi)害對(duì)山丘區(qū)群眾生活和當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。為改變十大孔兌上中游水土流失狀況，減輕對(duì)當(dāng)?shù)丶爸苓叺貐^(qū)造成的嚴(yán)重危害，從20世紀(jì)50年代開始實(shí)施了水土保持生態(tài)建設(shè)、骨干壩工程建設(shè)、沙棘示范區(qū)建設(shè)、黃土高原水土保持世行貸款項(xiàng)目建設(shè)、封山禁牧制度等。截至目前，孔兌的草原植被得到明顯恢復(fù)，平均覆蓋度呈增大趨勢(shì)：西柳溝流域共建設(shè)淤地壩113座，形成了一定規(guī)模的淤地壩壩系。

2研究方法

由于西柳溝泥沙顆粒級(jí)配資料缺乏和洪水發(fā)生的偶然性，尚無法通過懸沙資料開展研究，因此通過采集河床泥沙樣品來分析孔兌泥沙的來源和組成。研究方法主要分野外采樣、實(shí)驗(yàn)室分析兩步，通過計(jì)算得到泥沙顆粒級(jí)配曲線以及泥沙粒徑特征。

（1）野外取樣。根據(jù)地理地貌特點(diǎn)及交通情況，以代表丘陵溝壑區(qū)、沙漠區(qū)、平原區(qū)為目的，在順河流流向的上、中、下游以及庫布齊沙漠、鄂爾多斯高原丘陵砒砂巖區(qū)進(jìn)行了取樣，取樣位置見圖2，共14個(gè)斷面（編號(hào)為1#～14#），取樣時(shí)間為2013年4月13-16日，河道為斷流狀態(tài)。沿河道橫斷面進(jìn)行取樣，每個(gè)斷面取1～3個(gè)點(diǎn)，取樣深度約0.4 m。其中：Il#、12#斷面為支溝取樣斷面，10#斷面為沙漠沙取樣斷面。

（2）實(shí)驗(yàn)室分析。自20世紀(jì)50年代以來，黃河泥沙粒度分析先后使用過比重計(jì)法、移液管法、粒徑計(jì)法、光電法、篩分法、激光法以及組合方法等，2005年開始黃河泥沙粒度分析全面推廣使用激光粒度分析儀（激光法）。根據(jù)水利部頒布的《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL42-2010）中各種方法的適用范圍，對(duì)粒徑大于64mm的顆粒采用尺量法，0.062～ 64mm的顆粒采用篩分法，小于0.062mm的顆粒采用激光法。在上游丘陵區(qū)取樣時(shí)剔除了大的礫石、卵石和漂石，本次采用篩分法和激光法綜合分析泥沙顆粒的級(jí)配情況。

3河床質(zhì)級(jí)配沿程變化特點(diǎn)

根據(jù)流域特征，孔兌泥沙來源主要分為兩部分，一部分來自上游的坡面和溝道，坡面上部為不同厚度的蓋沙層或砂礫石，下部為砒砂巖，溝道為砂礫石，降雨等級(jí)不同，侵蝕程度不同，產(chǎn)生的含沙量和組成也不同，含沙量越大粒徑越粗；另一部分來自中游的泥沙，主要是沙漠沙的補(bǔ)給。以下通過中值粒徑D50、各粒徑組泥沙占比、不均勻性等分析河床泥沙的組成特點(diǎn)。

3.1 D50沿程細(xì)化

D50是表征泥沙級(jí)配的一個(gè)十分重要的特征粒徑。根據(jù)泥沙樣品的顆分結(jié)果，西柳溝河床Dso沿程變化情況見圖3，整體來看，D50沿程呈上粗下細(xì)的特點(diǎn)，其中上游丘陵區(qū)D50為0.8～2.4mm，經(jīng)過庫布齊沙漠區(qū)時(shí)D50由大變小，在下游平原區(qū)D50沿程變化較小，平均為0.157mm。

由圖3可知，西柳溝河床泥沙組成具有沿程細(xì)化突出、在平原區(qū)相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)。河床泥沙細(xì)化過程（即水流含沙與河床泥沙的自動(dòng)調(diào)整過程）發(fā)生在上游丘陵區(qū)和沙漠區(qū)，在水流和河床相互作用的過程中，大顆粒泥沙沿程落淤，較小顆粒泥沙被水流攜帶進(jìn)入下游和黃河干流；平原區(qū)泥沙交換減弱，河床組成變化較小。入黃口處受黃河干流壅水或倒灌漫灘淤積的影響，河床泥沙組成整體偏細(xì)。

3.2不同粒徑組泥沙的沿程調(diào)整特點(diǎn)不同

根據(jù)黃河流域中、粗、細(xì)沙的劃分標(biāo)準(zhǔn)，粒徑大于0.05mm為粗沙、0.025～0.05mm為中沙、小于0.025mm為細(xì)沙。從西柳溝沙樣分析結(jié)果來看，河床泥沙主要由大于0.05mm的粗沙和卵石組成。各粒徑組泥沙的沿程變化見圖4。

（1）粒徑大于0.5mm的特粗沙和卵石。這是丘陵區(qū)河床的主要組成部分，含量在70%以上。經(jīng)過沙漠區(qū)時(shí)含量迅速衰減，到平原區(qū)已經(jīng)基本不存在。

（2）粒徑為0.25～0.5mm的特粗沙。這部分泥沙的含量沿程平均為17%，其中沙漠區(qū)最大，平均為26%，總體呈中間大、兩頭小的特點(diǎn)。

（3）粒徑為0.10～0.25mm的粗沙。這部分泥沙從上游向下游含量總體沿程增大。丘陵區(qū)含量為5%～8%，經(jīng)過沙漠區(qū)到下游時(shí)增大約60%，主要是受當(dāng)?shù)厣衬车挠绊懀幌掠纹皆瓍^(qū)水流與河床相互作用自動(dòng)調(diào)整，河床組成受沙漠沙影響較大，沿程變化趨勢(shì)不明顯，平均為62%，該粒徑級(jí)是下游河段河床物質(zhì)的主要組成部分。

（4）粒徑為0.05～0.10mm的粗沙。這部分泥沙含量總體平均為13%，丘陵區(qū)極少，經(jīng)過沙漠區(qū)時(shí)增加明顯，含量從2%增加到15%左右，在距入黃口10km以下范圍又進(jìn)一步增大。該粒徑級(jí)泥沙含量不大，但沿程遞增顯著。

（5）粒徑小于0.05mm的中細(xì)沙。這部分泥沙除人黃口外其他位置的含量均很小，在5%以下，沿程沒有規(guī)律性變化，總體平均含量?jī)H為2.4%。入黃河口比例達(dá)到52%，受2012年汛期干流漫灘影響，溝口表層占比達(dá)76%。

以上分析表明，粒徑大于0.5mm的泥沙在丘陵區(qū)最多，經(jīng)過沙漠區(qū)已經(jīng)完成落淤，這部分泥沙對(duì)人黃沙量幾乎沒有影響；河床上粒徑為0.25～0.5mm的泥沙沿程減少，在下游區(qū)沿程沒有變化趨勢(shì)，參與水流運(yùn)動(dòng)的較少，對(duì)輸沙影響也?。?.10～0.25mm的泥沙是下游河床質(zhì)的主要組成部分；0.10 mm以下泥沙含量在平原段沿程有增大趨勢(shì)，說明泥沙沿程落淤，部分泥沙進(jìn)入黃河。

3.3泥沙顆粒的不均勻性存在差異

級(jí)配曲線不僅反映了泥沙顆粒的大小，也反映了河床泥沙組成的均勻程度，坡度較陡的曲線代表粒徑較均勻。選擇砒砂巖、沙漠沙、西柳溝龍頭拐斷面泥沙和溝口斷面河床泥沙進(jìn)行對(duì)比，其級(jí)配曲線見圖5，可以看出不同區(qū)域的泥沙具有不同的組成特征，均勻程度有較大差異。沙漠沙級(jí)配曲線最陡，顆粒級(jí)配分布范圍較窄，粒徑為0.1～0.5mm的泥沙約占96%，小于0.1mm的泥沙僅占2%；砒砂巖級(jí)配曲線最緩，顆粒級(jí)配分布較寬，小于0.025mm的細(xì)沙和大于0.5mm的粗沙同時(shí)存在，其中小于0.1 mm和大于0.5mm的泥沙分別各占21%（見表1）：河道中淤積物有來自溝道的卵石、上游的砒砂巖以及中游的沙漠沙，級(jí)配分布較寬，特粗沙和細(xì)沙同時(shí)存在，同時(shí)也受水流分選影響，龍頭拐斷面（西柳溝經(jīng)沙漠區(qū)到平原區(qū)的交界處）小于0.1mm的泥沙占17%，到人黃口小于0.10mm的泥沙占比增大到88%、大于0.5mm的特粗沙已基本不存在。

河床淤積物有來自溝道的卵石、坡面的砂礫石和砒砂巖、沙漠區(qū)的沙漠沙，經(jīng)過沿程分選，礫石和卵石在沙漠以上河道大量落淤，來自上游的較細(xì)泥沙和補(bǔ)充的沙漠沙進(jìn)入下游。

4結(jié)論

（1）西柳溝河床組成沿程細(xì)化突出。中值粒徑從上游的2.4mm減小到下游的0.157mm，從粗到細(xì)衰減過程發(fā)生在沙漠區(qū)及以上河段，平原區(qū)河段組成相對(duì)穩(wěn)定。

（2）丘陵區(qū)河床組成以大于0.5mm的特粗沙和卵石為主，平原區(qū)河床組成以0.1～0.25mm的泥沙為主，大于0.5mm的泥沙基本不存在。中游沙漠區(qū)為過渡段，大于0.5mm的泥沙含量減小，0.1～0.25mm的泥沙含量增大。

（3）丘陵區(qū)大于0.5mm的特粗沙難以進(jìn)入平原區(qū)。粒徑為0.10～0.25mm的泥沙在水流與河床相互作用自動(dòng)調(diào)整的過程中在沙漠區(qū)得到補(bǔ)給，到平原區(qū)大量落淤，平均含量為62%；0.05～0.1mm的泥沙含量從上游向下游沿程增大，從2%增大到20%左右。

（4）沙漠區(qū)泥沙組成均勻，粒徑0.1～0.5mm的泥沙占96%；砒砂巖的顆粒組成極不均勻，大于0.5mm和小于0.1mm的泥沙均各占21%；平原區(qū)河床泥沙顆粒的不均勻性與沙漠沙接近，砒砂巖中小于0.05mm的泥沙能夠被水流攜帶通過西柳溝下游進(jìn)入黃河干流。

（5）孔兌洪水?dāng)y帶的泥沙沿程分選細(xì)化，大礫石主要落淤在上游丘陵區(qū)，部分經(jīng)過沙漠區(qū)進(jìn)一步調(diào)整，進(jìn)入下游平原區(qū)的泥沙受沙漠沙影響較大。