黄河内蒙古河段河道演变及水力几何形态研究_冉立山
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DOI:10.16239/ki.0468-155x.2010.04.010
泥沙研究
2010年8月Journal of Sediment Research第4期黄河内蒙古河段河道演变及水力几何形态研究
冉立山1,2,王随继1
(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室,北京100101;
2.中国科学院研究生院,北京100049)
摘要:黄河内蒙古河段的凌汛年年发生,多次引起河道决口导致洪水灾害。
为了提供有效的防洪措施,选取不
同河型段中的代表性河道断面,来研究其河道演变特征及其主要影响因素,并从水力几何形态关系上剖析其
内在驱动因子。
结果表明,河岸组成物质的极大不同决定了各个断面的演变特性及其所在河段的河型差别。
以基岩河岸为主的磴口河段的河道最为稳定;以泥质河岸为特征的头道拐断面所在的顺直河段次之;以泥质
砂质二元河岸结构为主的三湖河口断面所在的弯曲河流段很不稳定;而以砂质河岸为主的巴彦高勒断面所
在的辫状河段最不稳定。
河道的演变势必引起其水力几何形态关系的调整,在黄河内蒙古河段,随着流量的
变化其水力几何形态的调整主要是通过影响水深和流速来实现的。
巴彦高勒断面是上述调整中表现最明显
的断面,因此,它所在的河段也是容易决口的河段。
三湖河口所在河段的一系列凹岸的强烈冲刷引起河道大
幅度摆动,从而也是河道决口的潜在河段。
黄河内蒙古河段的河流治理的侧重点应该针对巴彦高勒断面所在
的辫状河段和三湖河口断面所在的弯曲河段。
对辫状河段要加强整个河段的河岸防护,对弯曲河段以工程防
护手段侧重遏制其凹岸的坍塌后退。
关键词:黄河;内蒙古河段;河道演变;水力几何形态;河型
中图分类号:TV147文献标识码:A文章编号:0468-155-X(2010)04-0061-07
黄河内蒙古河段的河道在近几十年来出现新的变化,比如,一些河段的河床加积升高而变为悬河,部分河段曲流带的大幅摆动导致堤防坍塌,凌汛时高水位引起的洪灾现象时有发生。
河势的变化对河流两岸人民的生活构成了比较严重的威胁。
一些研究者针对该段河道冰凌的时相特点、凌汛的传播特征等进行过必要的研究[1-5],并在河流治理方面提出过相应的对策[6,7];还有研究者分析过周边沙漠区的来沙对河流泥沙变化的影响[8,9]。
河流水沙状况对河道的演变起着非常重要的作用,而河道的演变(包括河床抬升、河道稳定性、边界泥沙特征)直接导致洪水灾害的发生,是防洪中需要首先解决的问题,据此才能提供有效的防洪对策。
可是,有关该段河道演变的研究还很少[10-12],诸多机理还有待探讨。
此外,水力几何形态特征的研究可以揭示河道演变的内在机理,迄今,对黄河主流水力几何形态的研究侧重于其下游河段[13-17],而对其上游河段的相应研究仍然欠缺。
随着人类活动对河流干预的增强,河流水力几何形态的调整也被施加了一定程度的人为影响。
为了揭示黄河内蒙古河段的演变特征及机理,该研究选取磴口、巴彦高勒、三湖河口和头道拐四个水文站的实测资料,对比分析黄河内蒙古河段的河道演变特征、水力几何形态特征及其发展趋势,从而为研究区洪水灾害的防治提供理论依据。
1研究区简介
黄河内蒙古河段地处黄河上游的下段,是黄河流域最靠北的河段,自宁夏内蒙古交界的麻黄沟入
收稿日期:2008-05-21
基金项目:国家自然科学基金项目(40771031)
作者简介:冉立山(1984-),男,重庆酉阳人,从事河流地貌学研究。
通讯作者:王随继。
E-mail:wangsj@
境,至内蒙古自治区准格尔旗马栅乡榆树湾出境,干流全长823km 。
这一河段主要位于河套盆地及呼包
盆地,自第四纪以来,这一区域表现为间歇性的下沉,地壳沉降速率达0.20 0.30cm /a [18],黄河在这一
段因而发育为冲积性河流。
流域内气候干燥,降雨稀少,年均降水量150 400mm ,且年内分布极不均
匀,
75%左右的降水集中在7-9月[8],多年平均径流量为251.6亿m 3。
每年12月到翌年3月,河面结冰,在3月中、下旬开河时凌汛严重[3],引起低流速高水位现象,水流漫滩并在滩地发生沉积,河岸及天然堤发生冲刷。
内蒙古河段上段西有乌兰布和沙漠,整个河段南部比邻库布齐沙漠,流经库布齐沙漠里
的十大孔兑,每年向黄河平均输沙0.2381亿t [11],为该段河流泥沙的主要来源地。
整个河段年均输沙
1.44亿t ,河床质中数粒径平均为0.104mm [19],悬移质中粒径小于0.1mm 的泥沙部分,在巴彦高勒站占
95.0%,在头道拐站占92.6%[8]。
图1研究区及断面位置Fig.1Locations of research area and cross-sections
本文选取内蒙古河段的磴口、巴彦高
勒、三湖河口和头道拐四个水文测站的相
关水文资料来研究该河段的河道演变和水
力几何形态特征(图1)。
从磴口站至头道
拐站,全长576km 。
其中,磴口站至巴彦高
勒站之间河长为55km ,河道宽窄相间,常
发育多河道,河床由砂砾质组成,河道右岸
稳定,左岸常发生冲淤现象,河宽约360m ,
断面形态相对稳定,河道平均比降为
0.21ɢ。
巴彦高勒站至三湖河口站之间河
长为221km ,巴彦高勒站所在的河段为辫
状型河段,河岸由砂质组成,在河岸左侧有
堤坝和砌石护岸,
右侧以砂质滩地为主,主流靠左岸,但水流流线不定,常发生横向摆动,河道平均比降为0.16ɢ,巴彦高勒断面的河宽为700m 760m 。
三湖河口站至头道拐站之间河长为300km ,三湖河口站所在河段为弯曲型河段,河岸以泥质砂质二元结构为主,弯曲系数为1.33,河道平均比降为0.11ɢ,三湖河口断面的河宽约360m 。
头道拐站所在河段为顺直型河段,河岸以泥质为主,河道顺直微弯,河道平均比降为0.1ɢ,头道拐断面的河宽280m 。
在巴彦高勒站上游422m 处建有三盛公水利枢纽工程,主要用于分流灌溉,该工程1959年开工,1966年投入使用,枢纽工程水闸高10m 。
研究中所涉及的数据来自黄委会的实测资料。
2
水文泥沙特征分析2.1年均流量变化特征
黄河在磴口站至头道拐站之间的河段,其支流大多数属于季节性河流,流量很小。
从图2(a )中可
以看出,
四个断面的流量年际变化趋势保持一致,由于三盛公水利枢纽从黄河干流分流一部分用于河套地区灌溉(年均分流流量186m 3/s ),
磴口站的年均流量总是比其它三个站的大,而沿途入汇支流的流量很小,其主要支流十大孔兑年平均流量只有5.5m 3/s ,因此,巴彦高勒、三湖河口和头道拐三个水文站的
年均流量相差不大。
纵观整个年均流量变化序列,可见周期性丰、枯水期交替变化现象[20],变化周期为4-5年。
在图2(b )中点绘了巴彦高勒、三湖河口和头道拐站年均流量分别与相应时段磴口站的年均
流量的比值的年际变化,
除三湖河口站的相对流量在1975-1980年内稍大于另两个断面的外,其他年份则相差很小。
此外,从图2(b )可见,三盛公引水量从1981年以来基本处于增大趋势。
2.2悬移质泥沙输移特征
由图3(a )可见,在1968年以前,年均悬移质输沙率在各断面同时相对剧烈震荡,介于11331kg /s 1930kg /s 之间,该时段四个断面的平均值为6130kg /s 。
1968年以后则大幅减小,年际变幅相对平缓,
该时段四个断面的平均值为2980kg /s 。
图3(b )表明,在1968年以前,年均含沙量的年际变幅相对
图2研究区各站(a)年均流量及(b)相对流量年际变化特征
Fig.2Annual mean discharge(a)and annual relative discharge(b)at different hydrological stations
较大,并随年份呈现明显的下降趋势,上述年份各站的平均含沙量为6.52kg/m3。
在1968年以后,含沙量年际变幅相对减弱,该时段各站的年均含沙量仅为3.6kg/m3,其中巴彦高勒为3.45kg/m3,三湖河口3.55kg/m3,头道拐为4.27kg/m3,显然有沿程增大的趋势。
图3研究区各站(a)年均悬移质输沙率及(b)年均含沙量变化特征
Fig.3Annual suspended sediment transport rate(a)and annual sediment concentration(b)at
different hydrological stations
2.3河道断面形态演变
图4点绘了研究区四个断面的河道断面形态在间隔期为5年的年际变化趋势(图中的左右方向对应河道的左右方向)。
磴口站的河道断面形态多年保持稳定(图4(a)),深泓总是位于河道右岸附近,左侧滩地冲淤相间,总体上加积升高;河床质主要为砂和砾石[11],冲淤变幅明显。
巴彦高勒站河道断面(图4(b))在研究时段加积和冲刷交替发生。
在1972-1975年期间,河床大量淤积,普遍抬升了2.5 6m,平均抬升2.64m,平均淤积速率0.88m/a,最大抬升幅度达6.7m,最大淤积速率达2.23m/a。
该时段悬移质含沙量由2.32kg/m3增大至4.03kg/m3。
1975-1980年间河床由淤积转为下蚀,河床下降了2.5 4m左右,平均下降了2.3m,平均下切速率为0.46m/a。
至1980年悬移质含沙量降低到2.87kg/m3。
1980-1990年河床又相继经历了抬升和下切两个过程,变幅明显减小,平均堆积和下切速率分别为0.29m/a和0.15m/a,同期的悬移质含沙量变幅较小。
三湖河口站河道断面(图4(c))变化剧烈,河道不断向左侧摆动迁移,具有弯曲河流凹岸侵蚀、凸岸侧积特征。
1990年较1965年河道向左岸迁移了290m,平均迁移速率达11.6m/a,1990年局部河床高程较1980年下降了3m,平均下切速率为0.3m/a。
河道总体上向窄深方向发展。
头道拐站河道断面(图4(d))变化也非常明显。
在1970-1980间,河道发生明显的摆动迁移现象:1965-1970年,由于河道向左迁移,左侧高滩地下切3.7m,右侧河床淤高1.83m而成为低滩地;1970-
1975年,河道向右侧迁移,左侧原河床淤高2.41m成为低滩地,右侧低滩地下切1.85m成为河床;1975-1980年,左侧低滩地下切2.66m,右侧淤高2.1m。
而自1980年以后,河道位置及断面形态变化不明显,河道基本处于动态冲淤平衡状态。
图4四个实测断面的演变趋势
Fig.4Change of the four selected cross-sections
3水力几何形态参数特征分析
运用Leopold和Maddock[21]描述河流断面的水面宽(B)、平均水深(D)、平均流速(V)与流量(Q)之间的水力几何形态关系式:B=aQ b,D=cQ f,V=kQ m来研究上述四个站点不同年份实测断面的水力几何形态相关参数的变化特征。
上述关系式中的系数a、c、k的大小主要反映河流自然地理条件的不同和流量级别的大小[22,23],指数b、f、m表示水力几何形态(水面宽、平均水深和平均流速)随流量变化的变化速率,其值越大,意味着其指代的变量随流量变化的变化速率越大。
由图5(a)所绘的水力几何形态关系中的指数三角图可见,磴口、三湖河口和头道拐三个断面水力几何形态非常相似,它们的水深指数f值主要集中在0.1 0.37之间,其平均值分别为0.23、0.26、0.23。
流速指数m值主要集中在0.47 0.7之间,其平均值分别为0.59、0.57、0.59。
而巴彦高勒断面的水力几何形态与上述三个断面相比差别明显,主要表现在其水深指数f值主要集中在0.25 0.55之间,平均值为0.39;流速指数m值主要集中在0.25 0.47之间,平均值为0.39。
上述四个断面的水面宽指数b值非常相似,其变化范围都在0.37以下,其平均值分别为:0.18、0.22、0.17、0.18。
从上面的有关数据可知,巴彦高勒断面与其他三个断面在水力几何形态的调整上差别明显:b值最小,f值和m 值最大。
在图5(b)中绘出了四个断面在不同年份的水深指数f值和流速指数m值的分布趋势,显然,在研究河段,水深指数f值沿程呈现上凸的变化趋势,而流速指数m值则相反,呈现沿程下凹的变化趋势。
图5四断面拟合方程指数变化三角图(a)及其指数f,m沿程变化(b)
Fig.5Tri-axial graph of hydraulic geometry exponents(a)and longitudinal change of exponents f and
m(b)at the four cross-sections
4讨论
三盛公水利枢纽分流的结果导致其下游三个水文站的流量较磴口站明显减小,但是这三个水文站流量非常接近,表明黄河在该河段的支流流量有限,对主河流量的影响不大。
灌溉引水是在非汛期,这时河流含沙量较低,因此,在黄河年均流量因分流而减少的同时,其年均悬移质输沙率并没有发生明显减小。
三湖河口和头道拐断面上相应时段的年均悬移质输沙率较之其上游河段有所增大,表明该段黄河的支流的泥沙供给率远较流量的供给率高,显然是汛期支流的高含沙水流加入主流的结果。
显然,支流对主流的影响主要表现在输沙量而非流量上。
巴彦高勒、三湖河口和头道拐三个过水断面的流量基本一致(图2(a)),而悬移质年均含沙量却表现为沿程逐渐增大的趋势(图3)。
这一现象同样表明,沿途支流(以黄河南岸的十大孔兑为主)在汛期将高含沙水流输送给主河流,因为支流的比降较大,其水动力也较强,当支流与主流汇合后,水动力条件相对变弱,因而支流所带来的悬移质经受再分选作用,部分粗粒级的悬移质发生沉积而转化为河床质,但相当一部分支流悬移质将成为主流的悬移质组成物质而持续输移。
这也是导致主流含沙量沿程增大的主要原因[8,11]。
悬移质年均输沙率及年均含沙量,在1968年以后明显小于1968年以前的,而且年际波动范围也小了很多,这主要跟研究河段上游的刘家峡水库于1968年10月的蓄水运行有关,大量泥沙被拦截在水库中,引起内蒙古河段的年输沙量和含沙量大幅度降低[24-28],尽管更大的水库龙羊峡在1987年10月也投入运行,但因为其位于刘家峡水库上游,因此对该河段的影响不是非常明显。
河道演变主要受到流量变化、来沙组成和河岸物质组成等的影响,当这些因素中的任一因素发生了显著变化,都将导致河道断面发生相应的调整从而引起区段范围内的河道演变。
在上述四个河道断面中,磴口断面的形态非常稳定,虽然此处流量较其他三个断面的大,但河岸主要由于基岩组成,抗冲刷能力强,因此其砂砾质河床冲淤频繁,但河道位置非常稳定。
巴彦高勒断面河道宽浅,砂质河床频繁冲淤且变化剧烈,河岸组成物质以砂质为主,可称为砂质一元结构,体现了最不稳定的辫状河流的特性。
三湖河口位于弯曲河段,河岸由泥质和粉砂质组成的二元结构使得河道的侧向迁移不受约束,且河道摆动的幅度是所有四个断面中最大的,河道弯曲度最大;头道拐位于顺直河段,研究时段早期的侧向摆动明显,后来变得比较相对稳定,因为河岸主要是泥质一元结构组成,抗冲刷能力强;该河段的河道弯曲度为1.05[29],是内蒙古河段中最小的。
水面宽指数b值的年际变化不大,但巴彦高勒断面的b值相对大于其它三个断面的,这是因为巴彦高勒断面位于辫状河段,随着流量的变化其水面宽的调整速率相对明显,因为辫状河流段中的巴彦高勒
断面是该段中较窄的,因此可以想象,在辫状河段更宽的断面上,其水面宽指数b值将会更大。
水深指数f的年际变化表明,磴口、三湖河口和头道拐三个断面的水面深度随流量的变化速率基本相当且相对较小,而巴彦高勒断面则明显较大,反映了流量的变化所引起水流深度的变化在巴彦高勒断面最为明显,也就是其河床的冲淤程度更大,这也反映了辫状河型的特性。
流速指数m的年际变化同样反映出巴彦高勒断面与其他三个断面存在较大的差别。
即随着流量的变化,流速的变化速率在巴彦高勒断面最小,说明该断面附近的水面比降随水位的升降而变化最小,由于水面比降总是与河道比降相关,因而显示出该断面附近的河段具有辫状河流的特性,图4(b)断面上的河道沙坝在低水位时会出露水面呈现心滩微地貌形态,而心滩是辫状河流的典型微地貌特征之一。
位于弯曲河段的三湖河口断面和位于顺直河段的头道拐断面的上述三类对应数据差别不明显,表明其河道形态基本接近,但河道稳定性不同,其中弯曲河段的河道侧向迁移明显,而顺直河段的河道在近年来比较稳定。
以基岩河岸为特征的磴口断面,其水力几何形态的对应指数与三湖河口和头道拐断面的比较接近,其成因还有待进一步研究。
黄河进入内蒙古境内后呈现出冲积河流特性,巴彦高勒、三湖河口和头道拐的断面及水力几何形态特征表明内蒙古河段的河型在空间上经历了由辫状河流向弯曲河流、再向顺直河流的沿程演变,这是在特定的地貌条件和必要的泥沙供给的条件下,河流自动调整的必然结果,反映了河流水动力由大到小的变化趋势。
5结论
黄河内蒙古河段沿程出现的三类河型(辫状河流、弯曲河流、顺直河流)是河流自动调整的产物,反映了河流水动力由大到小的变化趋势。
同时,该河段的河道演变现象表明,河岸组成物质的极大不同决定了各个断面的演变特性及其所在河段的河型差别。
以基岩河岸为主的磴口河段的河道最为稳定;以泥质河岸为特征的头道拐断面所在的顺直河段次之;以泥质砂质二元河岸结构为主的三湖河口断面所在的弯曲河流段很不稳定;而以砂质河岸为主的巴彦高勒断面所在的辫状河段最不稳定。
河道的演变势必引起其水力几何形态关系的调整。
在黄河内蒙古河段,随着流量的变化其水力几何形态的调整主要是通过影响水深和流速来实现的,而水面宽度对它的响应不显著。
巴彦高勒断面是上述调整中表现最明显的断面,因此,它所在的河段也是最容易决口的河段。
单从水力几何形态关系来看,三湖河口和头道拐两个断面基本一致,但三湖河口所在河段的弯曲河流的急剧侧向摆动表明该段依然是洪灾潜伏的危险河段。
根据河道演变及水力几何形态关系的研究结果,认为黄河内蒙古河段的河道治理与管理工作,重点应该针对巴彦高勒断面所在的辫状河段和三湖河口断面所在的弯曲河段。
对辫状河段要加强整个河段的河岸防护,对弯曲河段以工程防护手段侧重遏制其凹岸的坍塌后退。
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Study on channel evolution and hydraulic geometry in the
Inner Mongolia reach of the Yellow River
RAN Li-shan1,2,WANG Sui-ji1
(1.Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes,Institute of Geographical Sciences and
Natural Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Beijing.100101.China;
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing.100049,China)
Abstract:The ice flood occurred in the Inner Mongolia reach of the Yellow River yearly and has brought channel breach frequently which resulted in flood disasters.To provide some effective flood control measures,four representative cross-sections(Dengkou,Bayangaole,Sanhuhekou and Toudaoguai)which are located in different channel pattern reaches were selected to research the characteristics of channel evolution and its influencing factors,and analyze its driving forces from the view of hydraulic geometry.The results showed that the huge difference of sediment component of river banks determined the evolution traits of the different cross-sections and the distinctions among the different river reaches.The channel of Dengkou reach,mainly formed by bedrock banks,is in the most stable level.The channel of the straight reach(the Toudaoguai located)with muddy banks is stable.The meandering reach,in which Sanhuhekou located,with upper muddy and lower sandy stratum in banks is considerably unstable.The braided reach(Bayangaole located)with sandy banks is also unstable.Any channel evolutions will inevitably lead their hydraulic geometry to adjust accordingly,with the discharge change.The adjustments of hydraulic geometry in the Inner Mongolia reach were conducted by influencing water depth and flow velocity.The Bayangaole cross-section was the most obvious one in the process of adjustment among the four cross-sections,so the reach it located was the most vulnerable one to flood disasters.The channel of the reach Sanhuhekou located experienced evident migration especially along concave bank,so it was also a dangerous reach to potential flood disasters.Considering the analysis mentioned above,some conclusions were put forward as below:the river management should be paid more attention to the braided and meandering reaches.River bank protection should be stressed to the whole braided reaches,and collapse prevention to the concave banks of the meandering reach using engineering means.
Key words:the Yellow River;the Inner Mongolia reach;channel evolution;hydraulic geometry;river pattern。