減緩寧蒙河道泥沙淤積方案及效果研究

張曉華，鄭艷爽，張防修，竇身堂，豐 青

（1.黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.黃河水利委員會(huì) 黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003）

黃河上游寧蒙河道所在區(qū)域是重要的能源基地、糧食主產(chǎn)區(qū)及少數(shù)民族集聚區(qū)，區(qū)域安全至關(guān)重要。該區(qū)域風(fēng)沙與水沙交織，支流高含沙水流入?yún)R，泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律特殊。 近期上游水資源開發(fā)利用導(dǎo)致主槽淤積萎縮，形成新懸河。 關(guān)于寧蒙河道淤積原因，前期已開展了大量的研究工作，取得較多認(rèn)識(shí)。 楊根生等［1］發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古河道淤積泥沙多為粒徑大于0.1 mm 的風(fēng)成沙，來(lái)源于烏蘭布和沙漠和庫(kù)布齊沙漠，因此認(rèn)為沙漠粗泥沙大量匯入是內(nèi)蒙古河道泥沙淤積的主因；劉曉燕等［2］通過(guò)分析長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)輸沙量資料發(fā)現(xiàn)巴彥高勒—頭道拐河段淤積泥沙主要源自十大孔兌洪水；羅秋實(shí)等［3］通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析，表明支流來(lái)沙量與寧蒙黃河干流淤積量的相關(guān)性較強(qiáng)，是影響寧蒙河道淤積的主要因素之一。 對(duì)于20 世紀(jì)80 年代后寧蒙河道淤積加重的原因也有比較一致的共識(shí)，張紅武等［4］、安催花等［5］、田世民等［6］的研究都表明，龍羊峽和劉家峽水庫(kù)（龍劉水庫(kù)）聯(lián)合運(yùn)用調(diào)蓄洪水、改變徑流分配是導(dǎo)致寧蒙河道淤積萎縮的主因。 這些認(rèn)識(shí)都是基于對(duì)寧蒙河道全沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析研究，而由泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)可知，不同粒徑組泥沙在河道傳播輸移的特性有很大差異，辨析分組泥沙的來(lái)源及其在河道中的調(diào)整對(duì)水沙條件的響應(yīng)，可深層次揭示河道演變?cè)?，增?qiáng)河道減淤方案制定的針對(duì)性，提高方案實(shí)施效果。

1 研究區(qū)概況

黃河寧蒙河道位于寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)境內(nèi)，是黃河上游的下段，自寧夏中衛(wèi)市香山鄉(xiāng)至內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗馬柵鄉(xiāng)，全長(zhǎng)1 203.8 km，約占黃河總長(zhǎng)的五分之一［7］。

寧夏河道下河沿—青銅峽和青銅峽—石嘴山河段，峽谷與寬河道相間出現(xiàn)，右岸有支流清水河、苦水河匯入，并經(jīng)過(guò)河?xùn)|沙地，河段內(nèi)建有青銅峽水庫(kù)。 內(nèi)蒙古河道石嘴山—巴彥高勒河段左岸為烏蘭布和沙漠，河段內(nèi)建有海勃灣水庫(kù)和三盛公水庫(kù)；巴彥高勒—頭道拐河段為沖積型河道，河道演變劇烈，近期因河道淤積嚴(yán)重已形成懸河形勢(shì)，是黃河上游防洪防凌的重點(diǎn)河段，其中三湖河口—頭道拐河段右岸有10 條支流（孔兌）匯入干流，孔兌上游為砒砂巖出露的丘陵溝壑，暴雨洪水經(jīng)庫(kù)布齊沙漠后形成高含沙洪水挾帶大量泥沙入黃。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與計(jì)算方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究所用干支流水沙資料和引水引沙資料主要來(lái)自歷年《黃河水文年鑒》。 十大孔兌只有3 條設(shè)有入黃控制站，其他缺少觀測(cè)資料的孔兌年沙量采用文獻(xiàn)［8］插補(bǔ)的成果。 風(fēng)沙入黃量采用參考文獻(xiàn)［9］的成果。

依據(jù)流域泥沙的基本特性，黃河泥沙按粒徑一般劃分為細(xì)泥沙（d≤0.025mm）、中泥沙（0.025 mm＜d≤0.05 mm）、較粗泥沙（0.05 mm＜d≤0.1 mm）和特粗泥沙（d＞0.1 mm），其中較粗泥沙和特粗泥沙又可合稱為粗泥沙（d＞0.05 mm）［10］。

2.2 計(jì)算方法

基于黃河數(shù)學(xué)模擬系統(tǒng)（YRNMS）（軟著登字第0234904 號(hào)），采用一維非恒定水沙動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型開展方案計(jì)算。 水動(dòng)力學(xué)模塊采用圣維南方程組描述水體在河道內(nèi)流動(dòng)，泥沙模型主要包括懸移質(zhì)泥沙連續(xù)方程、 推移質(zhì)輸沙率及河床變形方程。 采用Preissmann 四點(diǎn)隱格式離散控制方程、追趕法進(jìn)行求解。 采用張紅武公式計(jì)算全沙挾沙力，韓其為方法計(jì)算分組挾沙力級(jí)配，分界粒徑為0.008、0.016、0.031、0.062、0.125、0.250 mm，分別求各分組沙的輸移及引起的河床變形，并根據(jù)本次粒徑分組插值得到各粒徑組沖淤量。 采用1991—2000 年的觀測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行了率定與驗(yàn)證（見圖1），由驗(yàn)證結(jié)果可見計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。 特別是近年來(lái)，每年汛期采用該模型對(duì)黃河上游水沙演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤計(jì)算，模型參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)的處理方法能較好地適應(yīng)黃河上游的實(shí)際情況。

圖1 巴彥高勒—頭道拐河段沖淤量模擬驗(yàn)證結(jié)果

3 基于分組泥沙輸移規(guī)律的減淤方案

3.1 分組泥沙來(lái)源

統(tǒng)計(jì)1959—2012 年下河沿—頭道拐區(qū)間各來(lái)源區(qū)的分組沙量，合計(jì)得到寧蒙河道總來(lái)沙量及粒徑組成，同時(shí)可計(jì)算出寧蒙河道各粒徑組泥沙的來(lái)源構(gòu)成（見表1）。 由表1 可見，寧蒙河道多年平均來(lái)沙量1.760億t，其中：1.050 億t 來(lái)自下河沿以上黃河上游地區(qū)，占總量的59.6%，而且主要是細(xì)泥沙和中泥沙；0.357 億t來(lái)自寧夏河段的支流（清水河、苦水河），占20.3%，同樣細(xì)泥沙和中泥沙較多；其他為十大孔兌來(lái)沙和入黃風(fēng)沙，分別為0.197 億、0.156 億t，分別占總來(lái)沙量的11.2%和8.9%，粗泥沙來(lái)量偏多，尤其是入黃風(fēng)沙中特粗泥沙比例極高。 由此可知寧蒙河道總來(lái)沙量的構(gòu)成特點(diǎn)為：細(xì)泥沙比例高，達(dá)到54.1%；其次是中泥沙，占到19.0%；較粗泥沙和特粗泥沙較少，僅分別占總量的12.6%和14.3%。

表1 1959—2012 年寧蒙河道各來(lái)源區(qū)年均分組沙量 億t

圖2 顯示了寧蒙河道各分組泥沙的來(lái)源分布，可以看到，不同粒徑泥沙來(lái)源明顯不同。 細(xì)泥沙、中泥沙和較粗泥沙主要來(lái)自干流下河沿以上的上游地區(qū)和發(fā)源于黃土高原的寧夏支流（清水河、苦水河），這兩部分來(lái)源的細(xì)泥沙合計(jì)量占寧蒙河道總細(xì)泥沙量的91.8%，中泥沙合計(jì)量占寧蒙河道總中泥沙量的92.6%，較粗泥沙合計(jì)量占寧蒙河道總較粗泥沙量的77.5%。 特粗泥沙則主要來(lái)源于十大孔兌和入黃風(fēng)沙，兩者合計(jì)占寧蒙河道總特粗泥沙量的79.0%，其中入黃風(fēng)沙占52.8%。

圖2 寧蒙河道分組泥沙來(lái)源分布

3.2 分組泥沙沖淤調(diào)整對(duì)水沙條件的響應(yīng)

采用反映河道泥沙調(diào)整強(qiáng)度的沖淤效率dSd來(lái)量化分析寧蒙河道泥沙輸移與水沙條件的關(guān)系，沖淤效率表示的是單位水量的沖淤量，計(jì)算方法為

式中：dSd為沖淤效率，kg／m3；dWs為沖淤量，億t；dW為水量，億m3。

利用寧蒙河道實(shí)測(cè)資料計(jì)算得到不同流量級(jí)、不同含沙量級(jí)的場(chǎng)次洪水沖淤效率，建立分組泥沙沖淤效率與流量和含沙量的關(guān)系。 寧蒙河道不同粒徑組泥沙對(duì)水沙條件的響應(yīng)規(guī)律有較大區(qū)別，以差別較大的細(xì)泥沙和特粗泥沙為例進(jìn)行說(shuō)明。

由圖3（a）可見，在洪水期平均流量670 ～3 100 m3／s、平均含沙量0 ～30 kg／m3范圍內(nèi)，細(xì)泥沙沖淤效率調(diào)整對(duì)含沙量變化敏感，表現(xiàn)出隨含沙量增大而增大的趨勢(shì)；同時(shí)各級(jí)含沙量的沖淤效率變化都有共同的特點(diǎn)，即與流量呈反比，隨著流量增大，沖淤效率降低；平均含沙量小于7 kg／m3的洪水，當(dāng)流量達(dá)到一定量級(jí)時(shí)河道可由淤積狀態(tài)轉(zhuǎn)為沖刷狀態(tài)。

由圖3（b）可見，特粗泥沙沖淤調(diào)整對(duì)水沙條件的響應(yīng)與細(xì)泥沙差別很大。 寧蒙河道特粗泥沙沖淤效率與水沙條件的關(guān)系并不緊密，各場(chǎng)次洪水基本上是淤積的，而且各流量級(jí)沖淤效率差別很小；沖淤效率對(duì)含沙量的變化也不是很敏感，僅在小流量含沙量較高時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)度較大的淤積。

圖3 寧蒙河道洪水期細(xì)泥沙和特粗泥沙沖淤效率與水沙條件的關(guān)系

以3～7、20 ～30 kg／m3兩組含沙量為例定量評(píng)價(jià)提高洪水期流量時(shí)河道減淤效果。 由表2 可見，不同含沙量條件下平均流量從1 000 m3／s 增加到2 500 m3／s 時(shí)淤積效率都明顯降低，而且各粒徑組泥沙的沖淤效率都隨流量的增大而降低，說(shuō)明增大洪水期流量可起到提高河道輸沙能力、減少河道淤積（或增大沖刷）的作用。

表2 寧蒙河道洪水期平均流量由1 000 m3／s提高至2 500 m3／s 時(shí)河道沖淤效率降幅

對(duì)比各粒徑組泥沙沖淤效率降低值可知，降低較多的主要是細(xì)泥沙和中泥沙，較粗泥沙和特粗泥沙變化不大，如當(dāng)洪水期平均含沙量為20 ～30 kg／m3時(shí)，全沙沖淤效率降低4.75 kg／m3，細(xì)泥沙和中泥沙沖淤效率分別降低3.04、0.98 kg／m3，合計(jì)占全沙沖淤效率降低值的85%；而較粗泥沙和特粗泥沙沖淤效率僅分別降低0.36、0.37 kg／m3，合計(jì)僅占全沙沖淤效率降低值的15%。 由此可知，通過(guò)提高水流流量減少河道淤積的主要是細(xì)泥沙和中泥沙。

3.3 減淤方案制定思路

基于對(duì)寧蒙河道分組泥沙來(lái)源及沖淤效率對(duì)水沙條件的響應(yīng)研究成果，針對(duì)性地制定減少河道淤積方案。

細(xì)泥沙和中泥沙沙量大，但是來(lái)源區(qū)主要是下河沿以上的上游地區(qū)和寧夏清水河、苦水河流域，屬于水力侵蝕，來(lái)沙集中于汛期洪水期，且與水流強(qiáng)度的跟隨性較好，對(duì)流量變化比較敏感。 因此，最高效的治理措施為“排”和“調(diào)”，通過(guò)水庫(kù)調(diào)節(jié)恢復(fù)干流洪水過(guò)程提高細(xì)泥沙和中泥沙的輸沙能力。

粗泥沙尤其是特粗泥沙主要來(lái)源是入黃風(fēng)沙和十大孔兌，而十大孔兌來(lái)沙也是因流經(jīng)庫(kù)布齊沙漠而造成挾帶的粗泥沙較多。 分析可知，粗泥沙有以下特點(diǎn)：①水流輸送效率偏低且隨流量變化很??；②進(jìn)入干流河道的風(fēng)沙呈沿程分散，水流難以集中輸送，輸沙效率偏低；③黃河流域風(fēng)季為冬春季節(jié)，干流入黃沙量最大的時(shí)段一般為3—5 月，而此時(shí)段正是干流流量較小的時(shí)期，水沙過(guò)程不協(xié)調(diào)；④十大孔兌發(fā)生高含沙洪水時(shí)才能挾帶粗泥沙進(jìn)入黃河干流，不僅造成入?yún)R河段三湖河口—頭道拐河段長(zhǎng)期淤積，成為寧蒙河道防洪防凌的重點(diǎn)河段，而且洪水匯入歷時(shí)短，強(qiáng)烈淤積經(jīng)常淤堵干流河道，形成洪水災(zāi)害。 因此，對(duì)于較粗泥沙和特粗泥沙應(yīng)以水土保持和沙漠治理的“攔”為主，降低侵蝕強(qiáng)度，減少其進(jìn)入河道的機(jī)會(huì)。

綜上所述，寧蒙河道泥沙治理思路應(yīng)為“攔粗排細(xì)”，即采取水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙和水土保持并行的綜合治理措施。

4 減緩淤積方案效果計(jì)算分析

根據(jù)寧蒙河道“攔粗排細(xì)”的治理思路，設(shè)置了多種治理方案，并利用數(shù)學(xué)模型對(duì)各方案進(jìn)行河道沖淤效果計(jì)算，評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣。

4.1 減淤方案設(shè)置及計(jì)算條件

計(jì)算初始地形為2012 年汛后地形。 計(jì)算以1990—2012 年實(shí)測(cè)水沙系列為基礎(chǔ)，設(shè)置4 個(gè)代表性治理措施，共形成5 個(gè)減淤方案，各方案的水沙量情況見表3。

表3 計(jì)算方案水沙量

方案1：1990—2012 年實(shí)測(cè)水沙系列，下河沿年均水量、沙量分別為249.4 億m3、0.630 億t，年均引水量、引沙量分別為127.0 億m3、0.392 億t，寧夏支流、十大孔兌來(lái)沙量和入黃風(fēng)沙量分別為0.393 億、0.114億、0.156億t。 該系列中包含連續(xù)10 a 左右的枯水年以及上游發(fā)生較大洪水的年份（1999 年、2005 年、2012年），同時(shí)2005 年以前來(lái)沙量偏多，2005 年以后來(lái)沙量明顯減少，因此該系列能夠反映寧蒙河道的來(lái)水來(lái)沙狀況。

方案2：水庫(kù)調(diào)控方案，恢復(fù)龍劉水庫(kù)聯(lián)合運(yùn)用前寧蒙河道7 月20 日—8 月20 日的洪水過(guò)程，該時(shí)段黃河上游和寧蒙河道區(qū)間支流來(lái)沙集中，有利于輸送、沖刷細(xì)泥沙和中泥沙。 鑒于2012 年洪水后寧蒙河道主槽過(guò)流能力最小約2 200 m3／s，設(shè)計(jì)洪水過(guò)程為洪峰流量最大2 000 m3／s 的平頭峰型。 方案2 中除下河沿沙量受流量過(guò)程差別影響稍有不同外，其他各來(lái)源沙量與方案1 相同。

方案3：攔沙方案，即開展水土保持和風(fēng)沙治理以減少進(jìn)入河道的全粒徑組泥沙。 考慮到減沙目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)性，將近期來(lái)沙量較少的2008—2012 年各來(lái)源區(qū)年均沙量作為攔沙治理能夠?qū)崿F(xiàn)的目標(biāo)，將其定為計(jì)算系列各來(lái)源區(qū)的均值沙量。 其中下河沿以上、寧夏支流和引沙量分別減少至0.370 億、0.158 億、0.128 億t，與方案1 相比分別減少41%、60%、67%；十大孔兌沙量和入黃風(fēng)沙量分別參考文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］的成果，分別減少至0.018 億、0.043 億t，與方案1 相比分別減少84%、72%。

方案4：綜合治理方案，即水庫(kù)調(diào)控和攔沙措施并行開展。 除下河沿沙量受流量過(guò)程差別影響稍有不同外，其他各來(lái)源沙量與方案3 相同。

方案5：水庫(kù)調(diào)控加粗泥沙治理方案，即水庫(kù)調(diào)控和十大孔兌、風(fēng)沙治理措施并行開展。 作為方案4 的對(duì)比方案，除十大孔兌沙量和入黃風(fēng)沙量外，其他各來(lái)源沙量與方案2 相同。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

模型計(jì)算寧蒙河道各方案沖淤量見表4，各河段計(jì)算結(jié)果見圖4。

表4 寧蒙河道減淤方案沖淤量計(jì)算結(jié)果

圖4 寧蒙河道減淤方案模型計(jì)算分河段沖淤量結(jié)果

從寧蒙河道全河段來(lái)看，與方案1 相比，各方案河道淤積量均有明顯減少。 水庫(kù)調(diào)控恢復(fù)部分洪水過(guò)程方案（方案2）雖然減少淤積0.126 億t，但河道仍年均淤積0.343 億t；而攔沙方案（方案3）減淤量達(dá)到0.354 億t，河道年均僅淤積0.115 億t，減淤效果更好；如果采取綜合治理措施，“攔粗”與“排細(xì)”同步實(shí)施，由方案4 的計(jì)算結(jié)果可見，寧蒙河道減淤幅度達(dá)到105.3%，河道由淤轉(zhuǎn)沖，年均微沖0.025 億t；方案5 河道仍淤積0.201 億t，說(shuō)明如果只治理粗泥沙，即使配合水庫(kù)恢復(fù)洪水過(guò)程，因?yàn)榧?xì)泥沙來(lái)量大，所以河道仍持續(xù)淤積。 由此可見，單項(xiàng)治理措施減淤效果都是有限的，只有“調(diào)”和“攔”并舉綜合治理，才能實(shí)現(xiàn)河道不淤積的目標(biāo)。

從各方案分河段的河道沖淤情況可見，寧蒙河道淤積最為嚴(yán)重的是內(nèi)蒙古石嘴山—頭道拐河段，減淤效果最好的河段為寧夏下河沿—石嘴山河段，方案3和方案4 該河段甚至發(fā)生大量沖刷。 寧夏河段以細(xì)、中泥沙為主，由此可見，現(xiàn)狀水庫(kù)運(yùn)用方式形成的水流條件對(duì)細(xì)、中泥沙輸送十分不利，是河道淤積的重要原因。 表4 列出各方案巴彥高勒—三湖河口和三湖河口—頭道拐河段減淤量占寧蒙河道減淤總量的比例，對(duì)比各方案對(duì)內(nèi)蒙古河段的減淤效果，方案2 和方案5 內(nèi)蒙古河段減淤量所占比例最大，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)，水庫(kù)調(diào)控恢復(fù)洪水過(guò)程對(duì)內(nèi)蒙古河段的減淤作用較大。

5 結(jié)論

（1）寧蒙河道不同粒徑組泥沙沖淤效率對(duì)水沙條件的響應(yīng)規(guī)律有較大區(qū)別，細(xì)、中泥沙的沖淤效率隨含沙量增大而增大、隨流量增大而減小，在含沙量較低條件下流量增大到一定程度時(shí)能夠轉(zhuǎn)淤為沖；較粗泥沙和特粗泥沙以淤積為主，隨流量增大變化很小，尤其是特粗泥沙在各流量級(jí)條件下沖淤效率基本相同。

（2）寧蒙河道來(lái)沙量中細(xì)泥沙比例達(dá)到54.1%，是來(lái)沙的主體，中泥沙、較粗泥沙和特粗泥沙僅分別占19.0%、12.6%和14.3%。 細(xì)泥沙、中泥沙和較粗泥沙主要來(lái)自下河沿以上的上游地區(qū)和寧夏支流，主要是水力侵蝕隨水流進(jìn)入河道的；而特粗泥沙主要來(lái)源于十大孔兌流經(jīng)的沙漠和干流入黃風(fēng)沙，具有空間上分散進(jìn)入河道的特點(diǎn)，且入黃時(shí)間與干流水流過(guò)程不協(xié)調(diào)。

（3）根據(jù)分組泥沙來(lái)源和水流輸送特點(diǎn)，提出寧蒙河道“攔粗排細(xì)”的減淤方案設(shè)置思路：寧蒙河道減淤需要采取多種措施綜合治理；粗泥沙尤其是特粗泥沙以“攔”為主，開展水土保持和風(fēng)沙治理；細(xì)泥沙和中泥沙以水流“排和調(diào)”為主，利用水庫(kù)恢復(fù)洪水過(guò)程調(diào)水調(diào)沙。

（4）以1990—2012 年實(shí)測(cè)水沙條件為基礎(chǔ)，設(shè)置了水庫(kù)調(diào)控恢復(fù)7—8 月洪水過(guò)程輸送細(xì)、中泥沙和水土保持、風(fēng)沙治理攔減粗泥沙的治理方案組合，進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型方案計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果表明，與1990—2012 年河道實(shí)際淤積狀況相比，各種措施均能起到減淤作用，但是各種單項(xiàng)措施減淤效果都有限，河道仍持續(xù)淤積，只有“攔粗排細(xì)”綜合治理方案河道轉(zhuǎn)為微沖，且包含水庫(kù)調(diào)控恢復(fù)洪水過(guò)程的方案對(duì)內(nèi)蒙古河段的減淤效果較好。