吳國(guó)威，曹 兵

（1.昌邑市水利局，山東 昌邑 261300；2.東營(yíng)市水利灌溉管理處，山東 東營(yíng) 257091）

近年來，受氣候變化、水庫調(diào)蓄、人類活動(dòng)等多方面的影響，黃河下游山東段年均流量與含沙量逐步減少，水沙組合條件更趨多樣，河段沖淤演變規(guī)律更趨復(fù)雜。黃河下游山東段西起山東省東明縣，東至墾利縣注入渤海，河道全長(zhǎng)628km，流域面積1.83萬km2，沿程分布有高村、孫口、艾山、濼口、利津等水文站。近年來，受氣候變化、上游水庫調(diào)蓄、人類引水等多方面的影響，黃河下游山東段來水來沙形勢(shì)出現(xiàn)了明顯的變化，總體表現(xiàn)為來水量、含沙量不斷減少，水沙組合條件更趨多樣，河段沖淤演變規(guī)律更趨復(fù)雜。

眾所周知，沖積河流河床沖淤演變主要取決于來沙量與水流挾沙能力的對(duì)比以及泥沙縱向沿程的變化情況。根據(jù)Lane、Bagnold等人的研究，河流處于平衡狀態(tài)下的輸沙能力主要與總的水流功率有關(guān)。當(dāng)河道比降變化不大時(shí)，河道輸沙能力主要與流量有關(guān)。20世紀(jì)60年代，竇國(guó)仁提出了矩形均勻斷面形態(tài)條件下的不平衡輸沙微分方程。韓其為等于70年代末進(jìn)一步將其擴(kuò)展應(yīng)用于天然河道，建立了一維恒定漸變流不平衡輸沙微分方程，并成為黃河下游一維泥沙數(shù)學(xué)模型中水動(dòng)力學(xué)模型類型的基礎(chǔ)。

本文以黃河下游山東段中的艾山-利津河段為研究對(duì)象，基于一維不平衡輸沙理論，對(duì)來水來沙變化情況下河道泥沙輸移的沿程變化情況進(jìn)行概化分析計(jì)算。

1 黃河下游山東段來水來沙變化情況

黃河下游艾山-利津河段全長(zhǎng)約為281.9km，懸沙平均粒徑約為0.018mm。由黃河下游山東段艾山與利津站年均流量與含沙量的變化情況分析可知，兩站年均流量與含沙量總體上均呈現(xiàn)出逐步減少的趨勢(shì)。特別是20世紀(jì)80年代中期以后，兩站年均流量多小于1000m3/s。2002年后受調(diào)水調(diào)沙等因素影響年均流量略有升高，不過依然小于1000m3/s。不同量級(jí)流量下黃河下游艾山-利津河段的斷面水力幾何形態(tài)關(guān)系如表1所示?？梢钥闯鲭S著流量的減小單寬流量也會(huì)相應(yīng)減小。

表1 黃河下游艾山-利津河段斷面水力要素表

2 泥沙輸移沿程演變規(guī)律分析

2.1 一維不平衡輸沙模型的建立

一維恒定漸變流不平衡輸沙簡(jiǎn)化微分方程為：

對(duì)于均勻流，可以得到式（2）的解析解，表述為輸沙率的形式為：

式中，QS為輸沙率；S為含沙量；x為縱向沿程距進(jìn)口斷面距離；QS*、S*為平衡狀態(tài)下河道輸沙能力對(duì)應(yīng)的輸沙率、含沙量指標(biāo)；ω為泥沙沉速；q為單寬流量；α為泥沙恢復(fù)飽和系數(shù)。

根據(jù)黃河下游艾山～利津河段1950—2010年實(shí)測(cè)流量-輸沙率資料，認(rèn)為當(dāng)進(jìn)出口含沙量差值百分比在10%以內(nèi)時(shí)，河段近似處于沖淤平衡狀態(tài)，則經(jīng)過擬合率定，可以得到艾山～利津河段水流輸沙能力的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式如下：

圖1 黃河下游艾山～利津河段水流輸沙能力與流量關(guān)系

2.2 黃河山東段泥沙輸移沿程演變規(guī)律

基于表1，采用上述一維不平衡輸沙模型可以計(jì)算得到黃河下游艾山～利津河段在不同量級(jí)流量（1000m3/s與2000m3/s）下利津站年均輸沙率隨艾山站年均來沙率的變化情況，如圖2所示。圖中實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)是根據(jù)艾山站多年實(shí)測(cè)流量值分為＜1000m3/s與 1000～3000m3/s兩組，其中，＜1000m3/s組流量多為20世紀(jì)80年代中期以后。可以看出：

1）20世紀(jì)80年代中期以后，在艾山站相同年均來沙率的情況下，利津站年均輸沙率相比50年代有明顯減小。這主要是由于流量減小后，河道輸沙能力隨之明顯減小。

2）20世紀(jì)80年代中期至2002年期間，艾山站年均來沙率一般大于河道輸沙能力，河槽出現(xiàn)淤積；2002年以后，受水庫攔沙及調(diào)水調(diào)沙影響，河道來沙率多小于河道輸沙能力，河道出現(xiàn)沖刷。

3）根據(jù)式（1）、（2），20 世紀(jì) 80 年代中期以后由于艾山～利津河段單寬流量較小，河道泥沙沿程速率變化較大，進(jìn)而導(dǎo)致泥沙沖刷量或淤積量占來沙量的比例較大。

圖2 黃河下游艾山～利津河段水流輸沙能力與流量關(guān)系

3 結(jié)論

1）20世紀(jì)50年代以來，黃河下游艾山～利津河段年均流量不斷減小。80年代中期以后，年均流量多小于1000m3/s，河道輸沙能力隨之明顯減小，導(dǎo)致在艾山站相同年均來沙率的情況下，利津站年均輸沙率明顯減小。

2）相比20世紀(jì)50年代，80年代中期以后由于艾山～利津河段流量減小后，河道輸沙能力隨之明顯減小，導(dǎo)致在艾山站相同年均來沙率的情況下，利津站年均輸沙率有明顯減小。

3）20世紀(jì)80年代中期至2002年期間，艾山站年均來沙率一般大于河道輸沙能力，河槽出現(xiàn)淤積；2002年以后，受水庫攔沙及調(diào)水調(diào)沙影響，河道來沙率多小于河道輸沙能力，河道會(huì)出現(xiàn)沖刷。

4）20世紀(jì)80年代中期以后，由于艾山～利津河段單寬流量較小，河道泥沙沿程速率變化較快，進(jìn)而導(dǎo)致泥沙沖刷或淤積量占來沙量的比例均會(huì)較大。