黄河内蒙古河段冲淤演变及其影响因素

（月．日）
计算起始时 计算终止时
１９７８ 华县
６．１７－１１．２６
３３８．８
１５４９
１４５１ －９８ －９０ ８．８９
１９９０ 三湖河口 ５．７－８．２０
１０１８．５５
１０２５
１１７２ １４７ １５４ ４．５５
２ ０００ 头道拐
７．６－９．１７
９８７．２３
(图 1)。那么 A'0 可以表示为：
A'0 = A0 + A1 + A2
(1)
式中：A1 为由水位变化引起的面积变化；A2 为河槽冲淤变化带来的面积变化。则冲淤面
积 A2表示为：
A2 = A'0 - A0 - A1
(2)
式中：A1 可用梯形面积近似计算；A2 可正可负，冲刷时，A2 为正，淤积时，A2 为负。这样经
内蒙古河道地处黄河上游区下段，近几十年来，在气候变化、水库调节及排沙，孔兑淤堵 等因素的综合作用下，该河段淤积速率增加，主槽萎缩，过流能力显著降低，同流量水位升 高，河势不稳，主流摆动增强，塌岸严重，支流口门淤堵，防洪形势十分严峻[1]。针对内蒙河道 的防洪与水资源利用问题，很多专家学者对该河段的水沙问题进行了深入的研究，总体上 看，在淤积成因方面存在 3 种观点：赵文林等[2]认为龙羊峡水库运用后，宁蒙河段淤积严重， 即水库影响观点。寒旱所杨根生等[3]通过打钻取样分析，发现该河段河道淤积沙样的粒径主 要是大于 0.1 mm 的颗粒，而且 80%为风成沙，多来源于乌兰布和沙漠和十大孔兑的库布齐 沙漠，即当地产沙影响观点。刘晓燕等[4]认为巴彦高勒—头道拐河段淤积量主要受十大孔兑 洪水影响。1969-1986 年之间，由于上游来水来沙条件较好，河床淤积量不大；1987 年以后， 由于上游水库群汛期调蓄和汛期降水减少使区间来沙对内蒙古河段淤积的影响凸现，即水 库调节、气候变化和孔兑来沙共同作用的观点。
78
面积变化累积值／ｍ２
从巴彦高勒、三湖河374口站
443
的横断面冲淤指标变化104图1 (图
2、3) 看到，两个断面的1变186化趋 势十分相似，都存在明18显65的 3
1872
２５００ ２０００ １５００ １０００
个 阶 段 的 趋 势 变 化 。 对891于 三
５００
湖 河 口 来 说 ，1976-199-049年 是
面积变化值，比 1976 年10初36始面积增加了 1200 m2，B 点为年末变化值，约为 190 m2)，没有明显
864
的变化趋势，说明横断面672基本保持稳定。1991-1999 年间横断面冲淤指标持续减小，河道开
始淤积，处于不平衡变化379阶段，经过这个剧烈变化调整期，2000 年以后又达到一个新的稳定
324-330 页
3期
秦 毅 等：黄河内蒙古河段冲淤演变及其影响因素
325
1 横断面冲淤演变时间序列的生成
Z'0, B'0, Z0, B0
从河槽冲淤演变趋势探讨河槽变化和成因的关 键在于找到能够反映趋势变化的时间序列。本文采
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A2
A0
A1
用一种横断面冲淤面积指标计算方法，它能够按时间
跟踪计算水流过程中冲淤引起的横断面面积变化值
误差略有增大，如 1981 年大洪水期间，三湖河口实测横断面面积增加了 1437 m2，而根据式 (2) 的计算结果为 1629 m2，相对误差 13.3%。换句话说，对于冲积河流真实的 A2真与计算 A2呈 正比，即 A2真 = cA2，单式河槽时，c ≈ 1，而复式河槽时，一般 c > 1。鉴于冲淤面积真实值与计 算值有一定差距，但依然能够代表横断面冲淤的变化，故称 A2为横断面冲淤指标。它的好处
序列长度
变化一般都不大
(
如
图12730中
1072
A
图
2
巴彦高勒站 1976-2006 年冲淤面积变化图“( +”为冲刷，“-”为淤积)
点为 1981 年大洪水期1间175冲刷
Fig. 2 Change of erosion-deposition area at BYGL station in 1976-2006
m
m
T
∑ ∑ ∑ 过任意一段时间 T = (t2 - t1)i = ∇ti 后的河槽横断面冲淤情况可用 A2,t 表达。为了验
i=1
i=1
t = t0
证该方法的合理性，将该计算值与汛前汛后的实测大断面的变化值进行比较(表 1)。
由表 1 发现，无论是在黄河还是渭河，其计算误差都在 10%以内，只有漫滩情况下，计算
在认识尚未统一的前提下，再次探索河槽淤积的主要根源和现状特点对于制定内蒙河 道治理策略仍将具有重要意义。按照钱宁等[5]的观点，由于流域因素的多样性和复杂性，来 自上游的水流所挟带的泥沙，不可能总是正好和河槽当前水流下的挟沙能力相等，河槽会有 一定的暂时性的冲淤变化。因此冲积河流的河床无时无刻不处在变形和发展的状态之中， 但是冲积河流的自动调整作用又使河流朝着冲淤变形停止或者消失的方向发展，这样，在较 长的时期内，河流有可能处于相对平衡的状态。在准衡时段内，河道依然能够在平面摆动和 断面有冲有淤的演变过程中达到一个稳定、平衡的一般形态，河道的主要几何尺寸基本不 变，即不论冲或淤，河槽都是可恢复的，只有当水沙条件发生长时间的较大变化，这种平衡才 会遭到破坏。这种特性必然反映在河槽冲淤演变的趋势之中。因此，可以从河槽横断面的 冲淤演变趋势探索河槽变化的特点及引发原因。
收稿日期：2010-09-18; 修订日期：2010-12-16 基金项目：国家重点基础研究发展计划项目 (2011CB403305) [Foundation National Basic Research Program of China,
No.2011CB403305]
作者简介：秦毅 (1959-), 女, 江苏常州人, 教授。研究方向为干旱区水文水资源、河流泥沙。 E-mail: 13571991500@126.com
表 1 黄河不同河段、不同站汛前，汛后断面面积变化
Tab. 1 Changes of section area before and after seasonal flood
年代 站名
ΣＡ２的计算 期间最高水位
起止时间
Ｚｍ／ｍ
Ｚｍ 下相应的 大断面面积／ｍ２
面积 ΣＡ２ 误差／％ 差值
０
１９７６－１９８６
１９８７－１９９４ 缺测
１９９５－２００６
一个相对稳定期，表现为194这十
－５０００ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ４００
几年中虽然冲淤变化不50断4，即 汛期大水时冲刷、非汛期9 86 26 1又回
淤，但到年末的时候冲淤871面积
－１０００ －１５００ －２０００
出了历史上由于孔兑来沙产生大灾害的年份。
2.2 采用资料
对于内蒙古河段来说，巴彦高勒到三湖河口是淤积最为严重的河段，考虑到巴彦高勒、
三湖河口位于十大孔兑上游，它们既能反映上游河道来水来沙变化，又能对孔兑影响作出响
应，故采用 1976 年到 2006 年黄河巴彦高勒、三湖河口的实测流量成果进行分析计算。由于
巴彦高勒 1989、1990 年资料缺测，因此将三湖河口站作为主要分析对象，以三湖河口 1976 年
1 月 2 日的断面面积 1080 m2为初始面积，按照横断面冲淤指标跟踪计算法计算每月月末相
对于这一初始面积的冲淤面积变化值，得到长度为 372 的时间序列供分析之用。
3 河床演变与成因
40
313
3.1 趋势变化特点
第 66 卷 第 3 期 2011 年 3 月
地理学报
ACTA GEOGRAPHICA SINICA
Vol.66, No.3 Mar., 2011
黄河内蒙古河段冲淤演变及其影响因素
秦 毅1, 张晓芳1, 王凤龙2, 颜 恒1, 韩海军1
(1. 西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室, 西安 710048; 2. 哈尔滨市水利规划设计研究院, 哈尔滨 150076)
在于：可以连续、定量给出横断面冲淤变化的时间序列，为分析提供方便。本文采用这种横
断面冲淤指标序列，探讨河槽演变特征和河槽萎缩的诱因。
2 河段概况及采用资料
2.1 河段概况 内蒙古河段地处黄河上游区下段，从宁夏石嘴山到内蒙古河口镇，全长 673 km，河道纵
比降约 0.17‰[6]，接近黄河河口比降，是没有富裕挟沙能力的冲积平原河道，干流四大水文站 从上到下依次为：石嘴山、巴彦高勒、三湖河口和头道拐。黄河上游存在着水沙异源现象，上 游水量的 98%来自兰州以上，54%的泥沙来自兰州以下[7]。1961 年开始黄河上游干流相继修 建了盐锅峡、三盛公、青铜峡、刘家峡及龙羊峡等一系列水利枢纽，再加上其他引黄灌溉措施 的影响，内蒙河段来水来沙条件有较大幅度调整。尤其是龙羊峡水库投入运用以后，黄河上 游河段汛期水量较刘家峡水库运用期减少了 54%、洪峰流量由 1969-1986 年的 2000~4000
“ 孔 兑 ”)，十 大 孔 兑 总 面 积 10 767 km2，其生态环境十分脆弱，
１９７９
洪水泥沙问题突出，每当汛期遇到较大降雨，便会形成山洪，1998 年西柳沟流域洪峰 1600
m3/s，含沙量达 1150 kg/m3，大量泥沙进入黄河形成沙坝，堵塞河道。据冯国华[8]等人的研究，
十大孔兑多年平均向黄河输沙 2711 万 t，其中 60％以上是粒径大于 0.05 mm 的粗沙。表 2 给
口段西岸分布着乌兰布和沙漠， 时期 ５０年代 ６０年代 ７０年代 ８０年代 ９０年代 ２０００年以来
磴口到河口镇南岸分布有库布 齐沙漠和十大山洪沟谷 (蒙语为
发生年份 １９５９
１９６０ １９６１
１９７３
１９７６ １９７８
１９８２ １９８９
１９９４ １９９８
２００３
右，从 1991 年开始持续7增86加，1997 年增大到 0.010 kg·s·m-3，之后几年保持在 0.009 kg·s·m-3
附近变化。这与横断面158变5 13 1化的 3 阶段特征相对应。
3.2 突变分析
1226
567
-48
3期
秦-131毅 等：黄河内蒙古河段冲淤演变及其影响因素
摘要：冲淤平衡的河流具有调整河床变形使之趋向不变形的特性，这种特性必然反映在河床横 断面冲淤演变的趋势之中。据此，采用横断面冲淤指标跟踪计算法生成黄河上游巴彦高勒、三 湖河口站 1976-2006 年的横断面冲淤演变时间序列，对该长期序列的趋势变化和突变特点进行 分析后发现：内蒙古河床演变明显存在 3 个阶段，即演变相对稳定阶段、河床快速萎缩变形阶段 和新的相对稳定阶段，以及孔兑来沙大的年份是横断面冲淤面积趋势改变的时间。大型水库修 建后，孔兑来沙对河道横断面冲淤趋势变化的影响更加显著，表明近年来大洪水缺失和孔兑来 沙的共同作用是导致河床萎缩的重要根源。90 年代中后期横断面冲淤演变再次发生突变之后， 内蒙河段进入到一个新的相对稳定期，河床边界条件已经和来水来沙条件相适应，因此在新的 稳定条件下，如何治理内蒙河道的淤积萎缩值得探讨。 关键词：内蒙河段；横断面冲淤指标；河床演变；平衡
期，表现为冲淤可以恢复，再次失去趋势性，但是此时的断面面积相对 1976 年已经萎缩了将
近 400 m2。另外一个值4得00注意的现象是巴彦高勒变化的时间比三湖河口提前 3、4 年时间。
河道横断面的演变3是59水沙条件与河床边界条件相互作用的结果，分析三湖河口站 3 个
461
时期的水沙条件发现，1597786-1990 年间汛期来水来沙系数比较稳定，维持在 0.004 kg·s·m-3左
的指标，从而获得由指标构成的时间序列。具体思想
如下，设某时刻 t1 的河槽横断面面积为 A0，水位为 Z0， 水面宽为 B0，到 t2时刻，相应各个量变化为 A'0 , Z0' ，B'0
Fig. 1
图 1 横断面冲淤变化示意图
Schematic diagram of erosion-deposition variation in cross section
７２５
７４６ ２２ ２４ ８．３３
326
地理学报
66 卷
m3/s 降低至 1000~1500 m3/s[4]。沿 表 2 内蒙河段历史上有记录的产生大灾害的孔兑来沙发生年份
河两岸风沙地貌发育，乌海到磴
Tab. 2 Disaster years of ten tributaries recorded in history