江青蓉,夏軍強(qiáng),周美蓉,王英珍

(武漢大學(xué)水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，黃河下游的水沙條件發(fā)生了較大變化，河道不斷萎縮，河床調(diào)整在平面形態(tài)上經(jīng)常發(fā)育畸形河灣[1-3]. 畸形河灣是河道為適應(yīng)水沙條件的改變，在節(jié)點(diǎn)限制的情況下，局部沖積內(nèi)的整個(gè)河灣形態(tài)發(fā)生扭曲的一種過(guò)度彎曲的河灣形態(tài)[4]. 畸形河灣在演變后期常呈“Ω”形、“S”形、“Z”形和“M”形，并常伴隨著裁彎現(xiàn)象發(fā)生. 自然裁彎是畸形河灣演變的終點(diǎn)，同時(shí)也是引起河勢(shì)變化的突發(fā)事件[5]. 根據(jù)河灣平面形態(tài)和發(fā)生位置，自然裁彎主要可分為頸口裁彎和斜槽裁彎. 畸形河灣給黃河下游的防洪安全和灘區(qū)治理帶來(lái)了嚴(yán)重威脅[6-7]，特別是在孟津至高村的游蕩型河段，畸形河灣的頻繁形成導(dǎo)致整治工程脫流或半脫流現(xiàn)象增多，加劇了局部河段的游蕩程度與治理難度. 因此，研究黃河下游游蕩段畸形河灣的演變過(guò)程及相關(guān)形態(tài)特征參數(shù)的變化，不僅有助于掌握黃河下游游蕩段畸形河灣的演變規(guī)律，也能為游蕩段的治理提供科學(xué)依據(jù).

近年來(lái)不少學(xué)者研究了黃河畸形河灣的演變特點(diǎn). 胡一三[6]結(jié)合黃河下游的河勢(shì)演變資料，利用河勢(shì)圖描述了游蕩段及過(guò)渡段內(nèi)的畸形河灣，并闡述了畸形河灣演變對(duì)黃河下游防洪安全的不利影響. 孫贊盈等[8]研究表明：畸形河灣是短期內(nèi)局部河段行洪能力降低的重要原因，利用人工裁彎等方法能有效消除畸形河灣并提高河道行洪能力. 張林忠等[9]利用黃河下游實(shí)測(cè)資料和模型試驗(yàn)成果，分析了黃河下游畸形河灣的特點(diǎn)，指出畸形河灣是黃河下游特定水沙條件和河道邊界條件共同作用的結(jié)果，具有特定的演變過(guò)程、持續(xù)時(shí)間相差較大等特點(diǎn). 李志威等[10-11]結(jié)合遙感影像圖，分析了河灣的發(fā)育過(guò)程與裁彎模式，并分析了塔里木河的自然裁彎現(xiàn)象及其成因，表明發(fā)生塔里木河發(fā)生自然裁彎的主要原因是邊界條件變化，同時(shí)來(lái)水來(lái)沙條件也是重要影響因素. 以往對(duì)于黃河下游畸形河灣演變過(guò)程的研究較少，且主要采用主溜線圖來(lái)描述畸形河灣的變化過(guò)程，但主溜線圖空間精度較低，只能粗略反映水流流路的變化. 因此，有必要采用精度更高的多源數(shù)據(jù)來(lái)描述畸形河灣的演變過(guò)程.

本研究以黃河下游游蕩段的遙感影像資料和實(shí)測(cè)斷面地形資料為基礎(chǔ)，選取游蕩段3個(gè)典型畸形河灣為研究對(duì)象，分析其演變過(guò)程并對(duì)河灣形態(tài)參數(shù)和斷面形態(tài)的變化進(jìn)行計(jì)算，從而得到典型畸形河灣的演變特點(diǎn).

1 研究河段和研究方法

1.1 游蕩段概況

黃河下游根據(jù)河道特性的不同，可分為游蕩段、過(guò)渡段和彎曲段(圖1). 相較于過(guò)渡段和彎曲段，黃河下游游蕩段水流散亂，主流擺動(dòng)頻繁，是當(dāng)前眾多學(xué)者研究的重點(diǎn).

圖1 黃河下游河道平面示意Fig.1 Sketch of the Lower Yellow River (LYR)

孟津-高村河段是典型的游蕩型河段，主槽一般寬達(dá)1.5～3.5 km，有時(shí)超過(guò)4.0 km；斷面形態(tài)較為寬淺，平灘流量下的河相系數(shù)值在20～40之間變化. 河床縱比降較過(guò)渡段和彎曲段大，約在1.72～2.65之間. 灘槽高差小，多在2 m以下，河身順直，彎曲系數(shù)一般小于1.3[12-13]. 河道內(nèi)沙洲密布，水流散亂多汊，一般為1～3股，有時(shí)多達(dá)4～5股，河勢(shì)多變[14-15].

不同河段的水文情勢(shì)、河床組成、河道整治工程情況和比降不同，所形成的畸形河灣也具有不同的特點(diǎn). 因此，綜合水文站布置等因素，本研究將游蕩段分為3個(gè)小河段進(jìn)行研究，即孟津-花園口河段(上段)，花園口-夾河灘河段(中段)，夾河灘-高村河段(下段)，其位置如圖1所示.

1.2 水沙條件

圖2描述了1970-2016年黃河下游水沙的變化情況. 1986-1999年，年均水量和沙量出現(xiàn)大幅度減少現(xiàn)象，特別是水量，減少幅度達(dá)30%；在小浪底水庫(kù)運(yùn)行后，進(jìn)入黃河下游的水量小幅度增加，但總量依舊偏少，而來(lái)沙量急劇減少，較水庫(kù)運(yùn)行前減少約92%. 總的來(lái)說(shuō)，1980s中期以來(lái)，黃河下游的水沙變化大，黃河下游進(jìn)入小水少沙時(shí)期.

圖2 1970-2016年黃河下游年均水沙變化Fig.2 Annual runoff and sediment load in the Lower Yellow River during 1970-2016

1.3 研究方法

結(jié)合黃河下游游蕩段的河勢(shì)圖、Landsat遙感影像和Google Earth軟件，統(tǒng)計(jì)了1975-2016年黃河下游游蕩段形成的畸形河灣，結(jié)果見(jiàn)圖3. 圖中每一條線段都表示一個(gè)畸形河灣從形成到裁彎的過(guò)程. 1980s中期以來(lái)，游蕩段形成的畸形河灣較多，特別是在游蕩段中段，而近年來(lái)畸形河灣主要集中在游蕩段上段. 對(duì)于游蕩段的上、中和下3個(gè)河段，分別選取2006-2012年鞏義神堤-英峪畸形河灣、2002-2006年柳園口-古城畸形河灣和1992-1997年王夾堤-王高寨畸形河灣(圖3中虛線線段)作為其典型畸形河灣并進(jìn)行分析，其相對(duì)位置如圖1和圖3所示.

圖3 1975-2016年游蕩段畸形河灣形成時(shí)間Fig.3 Formation period of abnormal river bends in the braided reach during 1975-2016

(1)河槽位置的確定方法

為研究畸形河灣的演變過(guò)程，需要對(duì)不同時(shí)期河槽的位置進(jìn)行確定，但河道形態(tài)易受外界因素干擾，使用常規(guī)監(jiān)測(cè)方法(如河勢(shì)圖法、主溜線法)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行全面準(zhǔn)確的描述[16]. 遙感是在非接觸、遠(yuǎn)距離的情況下獲取目標(biāo)信息的方法[17-18]，具有信息實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、直觀的特點(diǎn)[19]. 遙感技術(shù)通過(guò)分析地球表面反射不同波段電磁波的特性，從高空中獲取地球表面陸地和水體信息[20]，并對(duì)所獲取的信息進(jìn)行整理、提取、比較、處理分析，從而得到目標(biāo)及其環(huán)境的位置、狀態(tài)等信息特征[10]. 本研究中采用美國(guó)航天局提供的Landsat系列遙感數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)具有時(shí)間序列長(zhǎng)(1972年至今)、分辨率適中、連續(xù)性好、覆蓋范圍廣、可直接從互聯(lián)網(wǎng)上下載等特點(diǎn)，是目前遙感領(lǐng)域重要的數(shù)據(jù)來(lái)源.

本研究所采用的遙感資料來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院的“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站(https://www. gscloud.cn/)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的“GloVis”網(wǎng)站(https://glovis.usgs.gov/). 該數(shù)據(jù)庫(kù)中遙感影像資料較多且影像時(shí)間差異大，因此需要挑選出最具有代表性且云量較少的遙感影像. 由于汛期水量大，洪水漫灘后灘槽難以區(qū)分，且畸形河灣的演變受汛期影響較大，故對(duì)于每一個(gè)典型畸形河灣，下載畸形河灣演變時(shí)期具有代表性的汛前及汛后遙感影像. 根據(jù)遙感影像上水陸顏色差異和河道特征等直接采用人工解譯的方法[21]，并結(jié)合Google Earth軟件，綜合分析圖像特征和水系特征，識(shí)別河槽的相對(duì)位置(圖4).

對(duì)遙感影像的具體處理步驟如下：(1)使用 ENVI 5.1軟件中的“Layer Stacking”和“Stretch”功能對(duì)遙感影像進(jìn)行合成和拉伸，其中選取合成的3個(gè)波段為近紅外、中紅外及紅波段，合成的遙感影像為非標(biāo)準(zhǔn)假彩色圖像，突出水陸邊界，便于目視識(shí)別；(2)結(jié)合Google Earth軟件和河勢(shì)演變資料，在遙感影像上裁剪研究河段范圍；(3)結(jié)合黃河下游游蕩段的淤積斷面、河道整治工程分布資料和遙感影像上不同地貌的顏色差異，利用ENVI 5.1軟件的“ROI”功能繪制出水陸邊界線、斷面位置及河道工程位置并保存；(4)將繪制好的水陸邊界線、斷面及工程位置導(dǎo)入到 ArcMap軟件中，在軟件界面上可直觀識(shí)別畸形河灣的演變過(guò)程，對(duì)圖像進(jìn)行處理，可獲得不同時(shí)期典型畸形河灣的河槽位置圖(圖5、6、7).

圖4 2005年夾河灘斷面附近的局部遙感影像Fig.4 Remote sensing image near Jiahetan section in 2005

圖5 畸形河灣的河灣形態(tài)參數(shù)示意Fig.5 Sketch of morphological parameters of river bend in an abnormal river bend

(2)河灣形態(tài)參數(shù)的計(jì)算

彎道的形成與演變是描述畸形河灣演變過(guò)程的一個(gè)直觀因素形態(tài)參數(shù)，彎道的彎曲度越大，所形成的畸形河灣越扭曲，水流流態(tài)也更加復(fù)雜. 規(guī)則彎曲型河流的平面形態(tài)可以用一系列方向相反的彎道和介于其間的過(guò)渡段銜接而成，其特征可用河灣平面形態(tài)參數(shù)來(lái)衡量，包括曲率半徑R、中心角ψ、直河段長(zhǎng)l、河灣間距T、設(shè)計(jì)河寬B、彎曲振幅P及河灣跨度L等[22]. 由于畸形河灣扭曲嚴(yán)重，此處僅研究曲率半徑R、水流夾角ɑ、彎曲振幅P和河灣間距T在畸形河灣演變過(guò)程中的變化，其物理意義如圖5所示，其中，水流夾角ɑ指水流在畸形河灣進(jìn)出口所成的夾角.

在畸形河灣演變過(guò)程中，水流在短距離內(nèi)蜿蜒前進(jìn)，形成扭曲的河灣，延長(zhǎng)河道長(zhǎng)度，因此本研究引進(jìn)無(wú)量綱系數(shù)彎曲度來(lái)綜合考慮畸形河灣河道中心線和水流直線距離的變化. 本研究中彎曲度的定義為兩個(gè)固定斷面間的河道中心線的長(zhǎng)度S2與水流直線距離S1的比值(圖6、7、8)，可反映不同河灣的彎曲程度.

2 游蕩段不同位置畸形河灣的演變過(guò)程

2.1 鞏義神堤-英峪畸形河灣的演變過(guò)程

2006-2012年，在鞏義神堤-英峪河段之間形成了一個(gè)大“Ω”形畸形河灣，并在水流的作用下于2008年汛期發(fā)生斜槽裁彎，最終消亡. 神堤控導(dǎo)工程位于伊洛河入黃河口以上，此河段修建的河道整治工程較少，河勢(shì)變化大. 自1997-2002年形成畸形河灣后，此河段常年存在“S”形彎道(圖6a). 在2007年汛后，原有的“S”形彎道經(jīng)過(guò)不斷發(fā)育，主流于神堤工程下首靠溜，主流在流出神堤工程后，在沙魚(yú)溝工程下部北岸的灘地折轉(zhuǎn)約45°向北岸流去，而后又連續(xù)折轉(zhuǎn)90°以橫河河勢(shì)沖向南岸[6]. 此時(shí)河勢(shì)與規(guī)劃河勢(shì)相差較大，畸形河灣形成(圖6b). 畸形河灣在此后基本保持不變，在2008年汛期，汛期最大流量超過(guò)3500 m3/s，2007年汛后所形成的串溝沖刷連通，開(kāi)始發(fā)生自然裁彎，同時(shí)水流在伊洛河口斷面處分汊，河段游蕩性增加(圖6c). 而后連續(xù)幾年汛期流量均較小，裁彎新河道不斷發(fā)展，但未能完全發(fā)展成為主河道，直至2012年汛期，汛期洪峰流量超過(guò)4000 m3/s ，裁彎徹底完成. 在2008年汛后，舊河道成為牛軛湖，“Ω”形河灣消亡，主流在神堤工程靠溜，水流通過(guò)裁彎取新河道流向下游，橫河河勢(shì)基本消除(圖6d).

圖6 2006-2012年鞏義神堤-英峪畸形河灣演變過(guò)程Fig.6 Evolution processes of an abnormal river bend of the reach between Gongyishendi and Yingyu during 2006-2012

2.2 柳園口-古城畸形河灣的演變過(guò)程

在2003年汛后，柳園口-古城河段形成兩個(gè)方向相反的彎道，初步形成反“S”形河灣(圖7a)，但水流流向與工程布置方向基本一致，河道整治工程仍具有一定的控制作用. 據(jù)花園口水文站數(shù)據(jù)，此河段2004年汛期平均流量?jī)H有821.7 m3/s，河灣在小水情況下不斷發(fā)育，在2004年汛后，此河段已形成嚴(yán)重的畸形河灣(圖7b). 此時(shí)大宮控導(dǎo)工程僅在工程中部部分靠河，水流在工程中部折轉(zhuǎn)近90°后向南岸流去，然后在大宮工程與王庵工程之間，連續(xù)經(jīng)過(guò)3個(gè)90°的折轉(zhuǎn)后流向王庵工程下首[6]. 在王庵工程和古城工程之間，畸彎相連，水流流向復(fù)雜多變，不僅有橫向的，還有倒向的[6]，且在王庵工程處形成抄后路的河勢(shì). 2005年汛期，汛期平均流量較上一年略有增加，為891.6 m3/s，但水流含沙量?jī)H有6.73 kg/m3，較上一年減少約66%，在含沙量較低的水流沖刷下，此河段兩個(gè)發(fā)育充分的畸形河灣分別發(fā)生斜槽裁彎和頸口裁彎. 但由于汛期平均流量和洪峰流量(2720 m3/s)較小，王庵工程處畸形河灣裁彎失敗，水流抄后路的形勢(shì)依然十分嚴(yán)重(圖7c). 為防止畸形河灣給黃河大堤和灘區(qū)帶來(lái)危險(xiǎn)，此河段在2005年10月19日對(duì)王庵工程處的畸形河灣進(jìn)行切灘導(dǎo)流、裁彎取直，消除畸形河灣[23]. 在圖6c中，人工裁彎的新河道已取代舊河道成為水流的主要通道. 在首次切灘導(dǎo)流成功后，王庵工程處的險(xiǎn)情和灘地坍塌有所改善，但大宮工程處彎道持續(xù)向下游移動(dòng). 為防止再次形成畸形河灣，此河段在2006年2月24日再次進(jìn)行切灘導(dǎo)流，至3月31日，主流進(jìn)入引河，河道東移500 m以上[23]. 兩次人工裁彎后，河勢(shì)逐漸改善，在2006年汛期水流的沖刷下，河勢(shì)進(jìn)一步改善，畸形河灣基本消除，大宮工程中部靠溜，河勢(shì)基本受工程控制，橫河河勢(shì)得到改善，原畸形河灣裁彎后形成牛軛湖(圖7d).

圖7 2003-2006年柳園口-古城畸形河灣演變過(guò)程 Fig.7 Evolution processes of an abnormal river bend of the reach between Liuyuankou and Gucheng during 2003-2006

2.3 王夾堤-王高寨畸形河灣的演變過(guò)程

1992年汛后，在汛期洪峰流量接近5000 m3/s的水流沖刷下，此河段河勢(shì)較穩(wěn)定，水流基本按規(guī)劃方向行進(jìn)，并且受工程控制. 但由于彎道在王夾堤工程處受到限制，無(wú)法向下移動(dòng)，在1993年汛后，此河灣演變形成明顯的“Ω”形畸形河灣(圖8a). 與此同時(shí)，被大留寺工程限制的河灣也逐漸向畸形河灣演變. 1994年汛期，河段洪峰流量接近4500 m3/s，充分發(fā)育的“Ω”形畸形河灣發(fā)生斜槽裁彎，但大留寺工程上首的河灣仍不斷發(fā)展演變，未發(fā)生裁彎. 1995年汛期水流較小，洪峰流量?jī)H為3130 m3/s，大留寺工程上首的河灣持續(xù)發(fā)育并最終與“Ω”形畸形河灣的新舊河道相連，在汛后形成大“M”形畸形河灣(圖8b). 1996年8月，黃河下游降雨劇增，在洪峰流量接近7000 m3/s的大洪水的沖刷下，原“Ω”形畸形河灣舊河道徹底消亡，新河道成為主河道，大留寺工程上首的“M”形畸灣轉(zhuǎn)化為“Ω”形畸灣，但其扭曲程度仍十分嚴(yán)重(圖8c). 在1997年汛前，王夾堤工程下游灘地處的河灣灣頂不斷向左岸移動(dòng)，并最終與舊河道相連，對(duì)新“Ω”形畸形河灣進(jìn)行了斜槽裁彎(圖8c). 1997年汛期，王高寨工程前的彎道發(fā)生斜槽裁彎，至汛后，此河段畸形河灣徹底消亡. 河勢(shì)進(jìn)一步穩(wěn)定，工程基本靠河，水流在工程控制下向下游行進(jìn)(圖8d).

圖8 1992-1997年王夾堤-王高寨畸形河灣演變過(guò)程Fig.8 Evolution processes of an abnormal river bend of the reach between Wangjiadi and Wanggaozhai during 1992-1997

3 河灣形態(tài)參數(shù)和斷面形態(tài)的變化

3.1 河灣形態(tài)參數(shù)的變化

3.1.1 彎曲度的變化 根據(jù)不同年份的汛前或汛后遙感影像，選出8幅具有代表性的遙感圖像計(jì)算其彎曲度并分析畸形河灣的演變過(guò)程，如圖9所示.

圖9 典型畸形河灣彎曲度變化Fig.9 Temporal variation of sinuosity in typical abnormal river bends

由于兩固定斷面間的直線距離變化較小，而河道中心線的長(zhǎng)度隨畸形河灣的演變而不斷延長(zhǎng)，因此彎曲度主要受河道中心線長(zhǎng)度的影響. 如圖9所示，在畸形河灣的形成階段，由于畸形河灣的不斷發(fā)育，彎曲度不斷增大；當(dāng)河灣發(fā)生裁彎時(shí)，原有的蜿蜒河道逐漸被裁彎新河道取代，彎曲度也隨之大幅減小. 對(duì)于柳園口-古城畸形河灣，2005年汛期該河段發(fā)生自然裁彎，并且在10月19日進(jìn)行人工裁彎，因此2005年10月29日中所獲取的遙感影像中彎曲度大幅減少至1.21，但隨后畸形河灣繼續(xù)發(fā)展，彎曲度也隨之增加，在2006年3月二次人工裁彎成功后，彎曲度的增加被遏止，至2006年汛后，彎曲度減小至1.20，與未形成畸形河灣前大小相近. 在圖9c中，彎曲度出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，很好地反映了王夾堤-王高寨河段接連形成了“Ω”形和“M”形2個(gè)畸形河灣的情況. 鞏義神堤-英峪、柳園口-古城和王夾堤-王高寨3個(gè)畸形河灣的彎曲度的最大值分別為：1.21、2.10和1.61，反映了3個(gè)河灣的扭曲程度，即柳園口-古城河段的畸形河灣最為扭曲，彎曲度也最大；鞏義神堤-英峪河段的畸形河灣扭曲程度較小，彎曲度最小.

3.1.2 平面形態(tài)參數(shù)的變化 此處選取王夾堤-王高寨畸形河灣為研究對(duì)象，分析曲率半徑R、水流夾角ɑ、河灣振幅P和河灣間距T在畸形河灣演變過(guò)程中的變化. 由于王夾堤河段同時(shí)形成了“Ω”形和“M”形畸形河灣，因此分別討論兩個(gè)畸形河灣的形態(tài)參數(shù)的變化過(guò)程. 下載1993-1997年該河段每年汛前和汛后該河段的遙感影像并計(jì)算其河灣形態(tài)參數(shù)，結(jié)果如圖10和圖11所示.

圖10a反映了“Ω”形畸形河灣演變過(guò)程中河灣曲率半徑和水流夾角的變化. 1992年汛后此河段并未形成畸形河灣，但在1993年汛前此河段的河灣迅速發(fā)展，形成曲率半徑為626 m的畸形河灣，此河灣在汛期未發(fā)生裁彎并繼續(xù)發(fā)育，至1994年汛前，河灣的曲率半徑減小至422 m，河灣扭曲程度加劇. 在1994年汛期大水作用下，此“Ω”形畸形河灣發(fā)生頸口裁彎，裁彎后河道接近直線，曲率半徑急劇增大至2500 m以上，為最小曲率半徑的605%. 隨著曲率半徑的減小，水流夾角逐漸增大，至1993年12月，水流夾角最大達(dá)157°，對(duì)兩岸灘地和導(dǎo)流工程的頂沖作用也越來(lái)越強(qiáng). 但與曲率半徑不同，水流夾角在裁彎開(kāi)始前已開(kāi)始減小至133°，在裁彎的作用下，水流夾角進(jìn)一步減小，至1994年汛后已減小至92°，為最大水流夾角的59%. 圖10b反映了“Ω”形畸形河灣演變過(guò)程中河灣間距和河灣振幅的變化. 與曲率半徑變化趨勢(shì)相反，河灣振幅在“Ω”形畸形河灣演變過(guò)程中逐漸增加，在裁彎前已從畸形河灣形成初期的1238 m增大至2548 m，在一年時(shí)間內(nèi)增加了106%，在河灣裁彎后，河灣振幅大幅減小至693 m，約為最大河灣振幅的27%. 河灣間距的變化趨勢(shì)與河灣振幅呈相反趨勢(shì)，但與河灣振幅不同，河灣間距在1993年汛后已減小至最小值2204 m，在1994年汛期裁彎開(kāi)始前河灣間距已開(kāi)始增大，在裁彎后進(jìn)一步增大至2921 m，為最小河灣間距的133%. 由圖10b可以看出，相對(duì)于河灣振幅，河灣間距畸形河灣的演變過(guò)程中，變化速率較小.

圖10 王夾堤-王高寨“Ω”形畸形河灣形態(tài)參數(shù)變化Fig.10 Temporal variations in the morphological parameters of a Ω-shaped abnormal river bend of the reach between Wangjiadi and Wanggaozhai

“Ω”形畸形河灣消亡后，“M”形畸形河灣開(kāi)始發(fā)育，在1995年汛后已形成明顯的“M”形畸形河灣(圖8c)，并在1996年汛期開(kāi)始發(fā)生裁彎. 對(duì)于“M”形畸形河灣，此處僅研究水流夾角、河灣間距和河灣振幅的變化(圖11). 1995年汛前，原“Ω”形畸灣舊河道與其下游的河灣相連形成“M”形畸形河灣，因此在“M”形畸灣形成初期，水流夾角較大，達(dá)158°. 水流對(duì)兩岸灘地頂沖作用大，形成明顯的橫河河勢(shì)(圖8c). 經(jīng)過(guò)一個(gè)汛期，水流夾角有小幅升高，但隨后水流夾角持續(xù)下降，至1997年汛后水流夾角減小至58°, 約為最大水流夾角的37%. 裁彎后水流通過(guò)微彎河道流向下游，水流夾角減小，對(duì)兩岸灘地頂沖作用減弱. 圖10b給出了“M”形畸形河灣演變過(guò)程中河灣間距和河灣振幅的變化，與“Ω”形畸灣相比，“M”形畸灣的河灣振幅和河灣間距均較大. 在裁彎前，河灣振幅持續(xù)增加，至裁彎前的1996年6月河灣振幅為3.8 km，年增加超過(guò)1 km. 1996年汛期裁彎后，河灣振幅持續(xù)減小至3.2 m，約為最大振幅的83%，但下降速率較小，約為0.6 km/a. 河灣間距的變化趨勢(shì)整體與河灣振幅相反. 在畸形河灣形成初期，河灣間距達(dá)8.5 km，至1995年汛后減少了約2.5 km. 在1996年汛期裁彎前河灣間距開(kāi)始逐漸增大，且增長(zhǎng)速率較快，約為2 km/a，裁彎后河灣間距進(jìn)一步增大，至1997年增大至9.8 km，約為最小河灣間距的152%.

圖11 王夾堤-王高寨“M”形畸形河灣形態(tài)參數(shù)變化Fig.11 Temporal variations in the morphological parameters of a M-shaped abnormal river bend of the reach between Wangjiadi and Wanggaozhai

綜上所述，當(dāng)裁彎后水流通過(guò)微彎河道流向下游，且形成穩(wěn)定河勢(shì)時(shí)，“Ω”形畸形河灣的曲率半徑、水流夾角、河灣振幅和河灣間距約為其形成“Ω”形畸形河灣時(shí)最值的605%、59%、27%和133%. 對(duì)于“M”形畸形河灣，裁彎后水流夾角、河灣振幅和河灣間距約為其最值的37%、83%和152%. 可以看出，畸形河灣的形成是一個(gè)曲率半徑和河灣間距減小，水流夾角和河灣振幅增大的過(guò)程. 對(duì)于“Ω”形畸灣，曲率半徑和河灣振幅在演變過(guò)程中變化明顯，而“M”形畸灣則是水流夾角和河灣跨度變化明顯.

3.2 斷面形態(tài)的變化

畸形河灣一般是局部性的，影響的河段長(zhǎng)度一般在20 km以內(nèi). 因此特定斷面的形態(tài)變化可以反映出該河段斷面形態(tài)的變化. 圖12為2006-2008、2012年伊洛河口斷面的汛后實(shí)測(cè)橫斷面套匯圖，該斷面位于神堤-英峪畸形河灣斜槽裁彎上游，其相對(duì)位置如圖6所示.

在鞏義神堤-英峪畸形河灣的演變過(guò)程中，2006-2007年是畸形河灣的形成時(shí)期，而2008-2012年是畸形河灣的裁彎時(shí)期. 由圖12可知：在畸形河灣形成時(shí)期，隨著畸形河灣灣頂不斷向左岸(凹岸)灘地移動(dòng)，其上游河道也逐漸向左岸拓寬，速率為94 m/a，而右岸(凸岸)河床在此期間基本保持不變. 由于下游畸形河灣的存在，水流輸沙能力下降，泥沙淤積在畸形河灣上游，致使伊洛河口斷面抬升，深泓點(diǎn)位置上移約1 m. 根據(jù)花園口水文站的資料，2006-2008、2012年的汛期洪峰流量分別為2340、3760、3660和4150 m3/s. 2006-2008年，汛期洪峰流量較小，水流幾乎不漫灘，深槽左岸的嫩灘的畸形河灣形成時(shí)期變化不大，而后隨著裁彎的不斷沖刷，左岸灘地崩退，但仍有相當(dāng)大一部分的灘地在此期間沒(méi)有發(fā)生變化. 2008-2012年，在畸灣裁彎過(guò)程中，位于斜槽裁彎上游側(cè)的伊洛河口不斷發(fā)展沖刷，河槽兩側(cè)灘地不斷崩塌，河槽拓寬. 其中，左岸移動(dòng)速率為134 m/a，右岸移動(dòng)速率較小，為16.75 m/a. 同時(shí)，隨著裁彎的不斷發(fā)展，部分水沙從新河道向下游流去，河道輸沙能力增強(qiáng)，且河道在伊洛河口斷面處逐漸發(fā)展為分汊河流，斷面上出現(xiàn)兩個(gè)深泓點(diǎn)并不斷下切，較2007年最大下切2 m. 對(duì)比2008年和2012年的斷面形態(tài)圖可以看出，裁彎發(fā)展時(shí)沖刷首先從深泓點(diǎn)開(kāi)始，裁彎開(kāi)始時(shí)深泓點(diǎn)快速下切，而隨著裁彎的不斷發(fā)展，沖刷從深泓點(diǎn)逐漸向兩邊發(fā)展，最終深泓點(diǎn)附近河床的高程與深泓點(diǎn)基本一致. 至2012年裁彎完成，深槽寬度為畸灣形成時(shí)寬度的2.2倍，斷面面積增大，河道過(guò)水輸沙能力大大提升.

圖12 2006-2012年伊洛河口斷面形態(tài)的變化Fig.12 Temporal variation in the cross-sectional profile at the Yiluo River outlet during 2006-2012

4 結(jié)論

1)相較于彎曲河流的河灣，黃河下游游蕩段畸形河灣的演變時(shí)間較短，一般為2～8年，并且不斷向兩岸灘地延伸，河灣扭曲程度大，易在流量較大的汛期發(fā)生裁彎. 但由于游蕩段主流擺動(dòng)頻繁，汛后主流可能回歸舊河槽，導(dǎo)致裁彎失敗，畸灣繼續(xù)發(fā)展. 游蕩段3個(gè)典型畸形河灣的演變特點(diǎn)相差較大，其中游蕩段上段的畸形河灣演變緩慢，裁彎過(guò)程長(zhǎng)；中段的畸形河灣演變快速，河灣扭曲程度大；下段的畸形河灣演變迅速，容易發(fā)生自然裁彎.

2)在畸形河灣的演變周期內(nèi)，彎曲度逐漸增加，裁彎完成后則迅速減小至畸形河灣形成前的大小. 河灣越扭曲，彎曲度越大，同時(shí)也越容易發(fā)生自然裁彎. 游蕩段3個(gè)畸形河灣彎曲度的最大值分別為1.20、2.10和1.61，反映了不同畸形河灣的扭曲程度. “Ω”形畸形河灣裁彎后的曲率半徑、水流夾角、河灣振幅和河灣間距約為其演變過(guò)程中最值的605%、59%、27%和133%. 對(duì)于“M”形畸形河灣，裁彎后水流夾角、河灣振幅和河灣間距約為其最值的37%、83%和152%. 所以畸形河灣的形成是一個(gè)曲率半徑和河灣間距減小，水流夾角和河灣振幅增大的過(guò)程. 在畸形河灣形成時(shí)期，伊洛河口斷面位于畸形河灣凹岸側(cè)的灘地不斷崩塌，速率約為94 m/a. 在裁彎后，河槽遭受沖刷，兩岸灘地崩退，河槽展寬速率為148 m/a，而河床底部的沖刷主要從深泓點(diǎn)逐漸向兩邊發(fā)展，最終深泓點(diǎn)附近河床的高程與深泓點(diǎn)基本一致.