黄河下游水沙复杂变化与河床调整的关系

2004年11月SHUILI XUEBAO第11期
文章编号: 0559-9350(2004)11-0001-06
黄河下游水沙复杂变化与河床调整的关系
曹文洪
(1.中国水利水电科学研究院泥沙研究所，北京，100044)
摘要：冲积河流具有自动调整的功能，针对不同的来水来沙和边界条件，河流会作出相应的调整。

1986年以来黄河下游水沙呈现有效造床洪水峰值减小且出现频率下降，枯水历时大幅度增加和小流量对河道的造床作用加强等特点。

本文通过分析黄河水沙变化特性，探讨了河床沉积与形态调整的变化。

研究表明，黄河下游河道的冲淤特性与不同时期年均来沙系数具有较好的相关关系，当年均来沙系数小于0.015时，下游河道处于不淤的临界状态。

通过小浪底水库调控水沙过程，保证一定规模的造床流量，对于塑造黄河下游合理的滩槽结构是非常重要的。

关键词：水沙变化；河床调整；水库调节；黄河下游；河势
中图分类号：TV143 文献标识码：A
冲积河流的河床形态是在长期的来水来沙条件作用下与边界条件相适应的产物，河道具有自动调整的功能。

针对不同的水沙和边界条件，冲积河流将朝一定的趋向发展，最终结果是力求使来自上游的水沙能通过河段下泄，河流保持一定的相对平衡，同时使河流体系内部的能量趋向于按照一定规律进行分配。

冲积河流的这种调整主要是通过挟沙水流与河床边界之间的物质交换作用来实现的，这种交换作用表现为河床的冲淤过程[1]，来水来沙变幅越大，河床冲淤越迅速，河道的自动调节作用越强。

黄河水少沙多，年际、年内水沙变幅巨大，河流含沙量可以从非汛期的1.0kg/m3以下变化到汛期的1000 kg/m3以上，从而造就了下游河道极强的自动调节功能。

近年来，随着人类活动影响的加剧，极大地改变了进入下游河道的水沙条件，造成黄河下游河道淤积和主河槽萎缩，平滩流量由20世纪80年代中期以前的6000m3/s以上减小为目前的3000m3／s左右，一些河段甚至不足2000m3/s，小洪水条件下即可造成大范围漫滩。

2002年小浪底水库进行调水调沙试验，下泄流量仅2500～3000m3／s，但造成下游河道多处漫滩。

因此，研究黄河下游水沙复杂变化与河床形态反馈调整之间的关系，探讨水沙调控机制具有十分重要的意义。

1 水沙复杂变化特性
黄河下游是举世闻名的地上悬河，洪水危害极其严重。

50年来，在黄河干支流上先后修建了龙羊峡、刘家峡、三门峡和小浪底等20余座大型水利水电枢纽，总库容超过500亿m3，基本与黄河的天然径流量持平。

黄土高原实施大规模水土保持建设，已累计治理水土流失面积16.6万km2，年均减少入黄泥沙3亿t，年均减少径流量10～20亿m3。

随着社会经济的发展，沿黄两岸的引水量不断增长，年均引水量保持在300亿m3左右。

此外，堤防加固、疏浚、河道整治工程和河口尾闾摆动等也改变了河流边界条件。

因此，黄河已经从自然河流逐步转变为自然因素与人工干预双重作用下的河流，水沙变化与河床调整更为复杂。

1.1 水沙量减少、年际变化幅度有所缩窄图1给出了1950年～1999年花园口站年径流量与年输沙量关系，在图中将各年代的水沙量变化范围用虚线标出。

20世纪50、60年代年均径流量489亿m3，变化范围
收稿日期：2004-07-02
基金项目：国家自然基金重点项目(50239040)
作者简介：曹文洪(1963-)，男，满族，黑龙江黑河人，教授级高级工程师,主要研究方向为水力学及河流动力学。

2004年11月SHUILI XUEBAO第11期201～861亿m3；年均沙量13.1亿t，变化范围4.4～27.3亿t。

70年代年均径流量380亿m3，变化范围276～549亿m3；年均沙量12.3亿t，变化范围6.0～17.8亿t。

80、90年代年均径流量335亿m3，变化范围1.43～614亿m3；年均沙量7.3亿t，变化范围2.5～13.2亿t。

可见，进入黄河下游的水沙量呈逐年代减少的态势，并且年际变化幅度有所缩窄，反映了人类控制和干扰的能力增强。

图1 花园口站1950～1999年水沙关系
图2 花园口站1950～2000年来沙系数变化
1.2 来沙系数未减，并与干流水库运用密切相关河流含沙量S(kg／m3)与流量Q(m3／s)的比值S ／Q(kg・s／m6)称之为来沙系数，反映了河道来水来沙搭配条件。

近年来，尽管进入黄河下游的水沙量大幅度减少，但来沙系数并未减少，个别年份还有所增大(图2)。

从变化过程看，来沙系数变化与干流水库建设与运用密切相关。

三门峡水库蓄水运用期(1960.09～1964.10)下泄清水，来沙系数小于0.01；滞洪排沙期(1964.11～1973.10)平均来沙系数恢复为0.027。

1986年以后，龙羊峡、刘家峡水库联合运用改变了上游径流量的年内分配，加之气候变化和中游大规模人类活动的影响，来水来沙明显偏枯，但来沙系数有所增大，1986～1999年平均来沙系数达0.030。

2000年小浪底水库蓄水运用后，来沙系数下降至0.01以下。

1.3 小流量历时大幅度增加，有效造床洪水出现频率下降图3和图4给出了黄河下游不同时段的实测流量过程。

1974～1985年系列中，大于4000m3／s和3000m3／s流量的洪水平均一年出现23.2d和38.3d；而1986～1997年系列，同等流量的洪水平均一年只出现
2.3d和7.3d。

在图中标出了大于3500m3／s 的有效造床洪水出现频率，1986年以后有效造床洪水不仅峰值有所下降，而且出现频率也由每年出现延长至3～4年才出现1次。

同时，小于1000m3／s流量的枯水历时大幅度增加，小水流量对河道的造床作用加强。

2004年11月SHUILI XUEBAO第11期
图3 1974～1985年花园口站实测流量过程
图4 1986～1997年花园口站实测流量过程
1.4 洪水过程发生较大变化，改变了塑造下游河槽的动力条件 1950～1997年黄河下游共发生了398场洪水，其中1986～1997年发生了100场。

陈孝田等[2]分析了洪水特性，将历次洪水分为3种，即最大含沙量大于300kg/m3的高含沙洪水有33场；平均含沙量小于10kg/m3的低含沙洪水有48场；其余为一般洪水有317场。

从表1可见，1986年以后每场洪水的水量和沙量有所减少，但历时增长；每场洪水平均流量大幅度减少，而含沙量有所增大，来沙系数增大。

洪水过程的这种变化，一方面使得下游河道缺乏大洪水冲刷主槽，另一方面洪水来沙系数增大加剧了主槽回淤。

表1 黄河下游历次洪水水沙特性[2]
洪水分类时段/a 洪水/场历时/d水量/亿m3沙量/亿t
流量/
(m3・s-1)
含沙量/
(kg・m-3)
来沙系数/
(kg・s・m-6)
1950～1997 317 12.5 24.85 1.129 2402 45.4 0.0189 一般洪水
1986～1997 77 13.2 15.78 0.878 1651 55.7 0.0337
1950～1997 33 12.9 23.10 3.772 2388 163.3 0.683 高含沙洪水
1986～1997 12 16.1 22.42 3.153 1786 140.6 0.0787
1950～1997 48 18.9 24.73 0.094 1801 3.8 0.0021 低含沙洪水
1986～1997 11 31.0 20.02 0.122 791 6.1 0.0077
1950～1997 398 13.3 24.69 1.224 2329 49.6 0.0201 历次洪水
1986～1997 100 15.5 17.02 1.068 1573 62.7 0.0398 2 河道调整变化
2.1 河道冲淤调整为了研究下游河道的冲淤调整对于不同水沙组合的响应过程，将1950～l999年黄河
下游的水沙和河道冲淤量划分为1950～1959自然演变、1960～1964三门峡水库蓄水拦沙、1965～1973三门
峡水库滞洪排沙、1974～1980三门峡水库蓄清排浑、1981～1985有利水沙和1986～1999不利水沙等 6个时
2004年11月 SHUILI XUEBAO 第11期 期。

以不同时期年均来沙系数S ／Q 表示水沙条件的组合，并与相应时期不同河段的年均主槽和全断面的冲淤量建立关系如图5和图6所示。

可见，在过去的50年中，1950～1959、1965～1973、1974～1980和1986～l999四个时期下游河道处于淤积状态，年均淤积量分别为3.61亿t 、4.39亿t 、1.81亿t 和2.23亿t 。

从淤积的横向分布看，在1950～1959的自然演变过程中，下游河道经常发生较大洪水，淤滩刷槽作用显著，主槽淤积量仅占总淤积量占22.7%；1986年以后由于水沙过程发生了异常变化，造床流量减小和出现的频率下降，主槽淤积量占总淤积量高达72.3%。

1960～1964三门峡水库蓄水拦沙，下泄清水，下游河道发生冲刷；
1981～1985水丰沙少，年均含沙量仅20.1kg ／m 3，造床流量出现的频率大和历时长，下游河道主槽发生了
自上而下的沿程冲刷。

图5 河道主槽冲淤与来沙系数关系 图6 河道全断面冲淤与来沙系数关系
从一个较长时期（几年至十几年）的角度看，黄河下游河道的冲淤特性与不同时期年均来沙系数具有较好的相关关系（见图5和图6）。

随着年均来沙系数由小到大，下游河道由冲刷转为淤积；随着来沙系数的进一步增大，淤积进一步增强。

当年均来沙系数小于0.02时，下游河道主槽基本达到冲淤平衡；当年均
来沙系数小于0.015时，可以作为下游河道不淤的临界条件。

黄河下游的多年平均流量为1300m 3／s ，按年
均来沙系数为0.015计算，则下游河道不淤的临界年均含沙量为19.5kg ／m 3。

这一结论与下游河道不淤积的
1981～1985年均含沙量20.1g/m 3和数学模型[3]计算的临界不淤含沙量21g/m 3相一致。

2.2 河床形态调整 冲积河流的河床形态变化与一定时期内的来水来沙条件密切相关，通常用河相关系描述与所在来水来沙条件及河床边界条件相适应的均衡形态。

表征河相关系的阿尔图宁公式为
2.05
.0J
Q B ε= (1)
式中：B 为稳定河宽；Q 为造床流量（或平滩流量）；J 为河道比降；ξ为稳定河宽系数。

由式(1)可见，稳定河宽与造床流量成正比，与河道比降成反比。

从过去50年黄河下游河道的纵比降
变化看
[4，5]，不同时期比降的变化是十分有限的。

因此，河床的调整主要是通过横断面的形态变化来实现，并与平滩流量密切相关。

图7给出了黄河下游平滩流量的变化，平滩流量已经从20世纪80年代中期以前的
大于6000m 3／s 减少到目前的3000m 3／s 左右，甚至局部河段只有2000m 3／s 。

与此相应，下游河道不断淤积
2004年11月SHUILI XUEBAO第11期萎缩，中水河槽缩窄严重。

根据不同时期的航空照片资料量测得到不同时期游荡性河道河槽宽度的变化见表2[6]，1986年以后，由于长期小流量作用和有效造床洪水出现的频率大幅度下降，黄河下游中水河槽宽度缩窄到不足2km，仅为50年代中水河槽的40%～70%。

游荡性河段（图8（a））主河槽嫩滩淤积严重，滩唇明显淤高，形成枯水小河槽；加之生产堤的约束，洪水漫滩几率减少，泥沙大部分淤积在两岸生产堤之间，甚至出现部分河段主槽河底高程已高出临堤滩面高程的现象，滩地横比降加大，“二级悬河”形势严峻。

弯曲性河段（图8（b））以主槽和近岸边淤积为主，断面其他部分也都有淤积，河道横断面形态趋于窄深。

图7 下游河道平滩流量变化
表2 黄河下游河槽宽度
变化[6](单位：m)
年份
河段
1956 1972 19821996铁谢～
花园口
2806 3252 30001937花园口～
夹河滩
3742 3644 30791555夹河滩～
高村
2890 2707 14511207
图8 黄河下游河道典型断面变化过程
2.3 河势调整
2.3.1 主流摆动幅度减小河势的调整与上游的来水来沙条件和相应河道的边界条件有着极其密切的关系。

王卫红等[7]最近对1952年以来游荡性河道主流摆动宽度进行了统计计算，我们将其资料点绘在图9中。

20世纪50年代的自然条件下，河势摆动激烈，主流平均摆动幅度为2.5～3.0km。

1960～1964年为三门峡水库下泄清水时期，除个别河段因塌滩主流摆动增大外，主流线摆动宽度有所减小。

此后，随着整治工程的不断完善和来水来沙变化幅度的减弱，游荡性河道主流摆动幅度逐步减少，1986～1999年主流线平均摆动幅度仅为1.5～2.2km，约为50年代的50%～73%。

2.3.2 小流量长期造床易于产生畸形河弯一般而言，造床流量是指其造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的某一种流量。

这种流量对塑造河床形态所起的作用最大，它既不等于最大洪水流量，因为最大洪水流量的造床能量大，但时间过短；也不等于枯水流量，因为枯水流量作用时间长，但造床能量弱。

2004年11月SHUILI XUEBAO第11期然而1986年以后黄河下游的水沙条件发生了新的变化，小水的历时过长，从而使其对河床演变的影响逐渐突出出来。

为此，我们[8]曾对黄河下游不同时段的水沙条件进行分析，提出了枯萎河道的“双河相”关系，强调枯水流量对河道的造床作用，枯萎的河道形态就是在不断经历“数年逐渐的萎缩——大洪水造床——下一轮萎缩”这个循环。

黄河下游河道具有“小水坐弯、大水趋中”的特性，当出现数年枯水时段时，小水形成的过分弯曲的小弯道，由于得不到较大洪水的调整和整治工程的控制，就会形成连续畸形河弯（图10）。

图9 游荡性河道主流线平均摆动幅度变化
图10 柳园口至府君寺河段的畸形河弯
2.3.3 小浪底水库的调节运用将进一步减缓河道游荡摆动程度钱宁教授在20世纪60年代提出了影响游荡性河道河势演变的3个要素，即（1）来水条件：流量变幅大，洪峰暴涨暴落；（2）来沙条件：来沙较粗和床沙质来量偏大；（3）边界条件：主要包括河流具有较陡的比降和较大的河流功率，河床组成物质具有较小的抗冲性等。

而小浪底水库运用后这些影响因素正在和将要发生较大的变化，即洪峰削减流量变幅减少，拦截了较粗颗粒的泥沙，下泄低含沙水流，河道整治工程的完善使边界条件日趋稳定等。

上述要素的变化将使河道游荡摆动程度进一步减缓。

事实上，三门峡水库下泄清水期间，铁谢～裴峪河段的平面形态发生了明显变化。

图11给出铁谢～裴峪河段的变化过程，表明随着清水下泄该河段由宽浅散乱逐渐向水流趋于集中的单一河槽发展，游荡程度减弱。

2004年11月SHUILI XUEBAO第11期3 结语
(1)通过分析1950～1999年实测水沙资料得
出：进入下游河道的水沙量呈逐年代减少的态势，
年际变化幅度有所缩窄；而来沙系数并未减少，个
别年份还有所增大，且与干流水库运用密切相关，
反映出人类控制和干扰作用增强。

(2)1986年以来
黄河下游水沙呈现有效造床洪水出现频率下降、峰
值减小，枯水历时大幅度增加和小流量对河道的造
床作用加强等特点。

(3)从一个较长时期(几年至十
几年)的角度看，黄河下游河道的冲淤特性与不同
时期年均来沙系数具有较好的相关关系。

当年均来
沙系数小于0.015或者年均含沙量小于19.5kg/m3
时，可以作为下游河道不淤的临界条件。

(4)小浪
底水库调水调沙运用，改变了游荡性河道演变的影
图11 铁谢至裴峪河段河势变化[9]
响要素，将可以进一步减缓河道游荡摆动程度。

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Relationship between variation of sediment carrying flows and readjustment of riverbed in
the lower reaches of Yellow River
CAO Wen-hong
(China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100044, China)
2004年11月SHUILI XUEBAO第11期Abstract: Alluvial river possesses the capability of self-adjustment conforming the variation of runoff, sediment and river boundary conditions. Remarkable changes occur to the lower reaches of Yellow River since 1986, such as the reduction of flood peaks and reduction of occurrence frequency of effective floods. Since then the River is under the long-term action of small discharge. In this paper, the characteristics of the flow-sediment variation and the corresponding adjustment of riverbed shape are studied based on the observation data. It is found that the silting or erosion of the river is closely related to the annual average incoming sediment coefficient (ratio of sediment concentration to river discharge). When the annual average incoming sediment coefficient is less than 0.015, the river reaches the critical state in which deposition will not take place. So that it is very important to provide a certain incoming discharge for forming the reasonable shape of river channel by means of the optimized operation of Xiaolangdi Project. The configuration of riverbed must consist of main channel and flood plain.
Key words: variation of sediment carrying flows; channel adjustment; reservoir control; lower reaches of Yellow River; river regime。