張明武 孫贊盈 彭紅 李勇

摘要：黃河下游河道橫斷面變化直接關(guān)系河道的排洪輸沙能力，橫斷面形態(tài)變化對彎道曲率的影響關(guān)系著河道的河勢變化，一直是黃河下游河床演變研究的重點。從1986-1999年淤積縮窄時期和2000-2013年沖刷展寬時期入手，采用實測大斷面數(shù)據(jù)，對黃河下游各河段橫斷面沖淤情況進行分析，給出了彎道曲率與橫斷面形態(tài)特征的關(guān)系式，分析了黃河下游橫斷面形態(tài)變化對彎道曲率的影響。結(jié)果表明：黃河下游河道各河段在沖刷時期，主槽寬逐漸變大，在理想條件下河道寬淺，彎道流中流速橫向分布不均，容易造成塌岸沖刷，河道將會越來越彎曲。

關(guān)鍵詞：彎道曲率;沖淤變化;橫斷面形態(tài);河道;黃河下游

中圖分類號：TV147; TV882.1

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.006

黃河下游河道橫斷面變化直接關(guān)系河道的排洪輸沙能力，一直是黃河下游河床演變研究的重點之一。小浪底水庫修建前，黃河下游自1986年出現(xiàn)枯水枯沙系列，水沙條件發(fā)生改變，陳建國[1]對黃河下游河道萎縮的機理和基本輸水輸沙通道的規(guī)模進行了研究。小浪底水庫修建后，下游河道水沙條件發(fā)生顯著變化，水、沙量年均值均較水庫修建前急劇減小，且下游河道水量的減幅小于沙量的：水庫的運用調(diào)節(jié)了水量的年內(nèi)分配，使得汛期出庫水量占年均水量的比例有所下降，且泥沙均集中在汛期進、出水庫[2]。2000年以來，黃河下游河道的來沙量明顯減小，但各河段沙量沿程變化在不同時段卻是不同的[3]。這種新的水沙條件勢必引起下游水動力條件的變化。吳保生等[4]研究了黃河下游河段斷面水力幾何形態(tài)與斷面形態(tài)特征參數(shù)之間的相互關(guān)系與變化特點：申冠卿等[5]對不同時期黃河下游河道泥沙沉積與縱、橫斷面調(diào)整進行了研究。

黃河下游河道橫斷面形態(tài)變化對彎道曲率的影響關(guān)系著河道的河勢變化。本文從1986-1999年（共14 a）淤積縮窄時期和2000-2013年（共14 a）沖刷展寬時期人手，分別對黃河下游各個河段的橫斷面沖淤情況進行分析，以期為深入認(rèn)識黃河下游橫斷面形態(tài)變化特征提供重要的理論支撐和依據(jù)。同時，通過理論分析給出彎道曲率與橫斷面形態(tài)特征的關(guān)系式，結(jié)合理論關(guān)系式，分析黃河下游各個河段的沖淤特性以及黃河下游橫斷面形態(tài)變化對彎道曲率的影響。

1 黃河下游橫斷面形態(tài)變化特征分析

1.1 淤積縮窄時期橫斷面形態(tài)特征

以1986年斷面為起始年斷面，以某年斷面相對于起始年斷面的沖淤面積作為主槽累計沖淤量（正淤負(fù)沖，下同）。側(cè)向（或垂向）累計沖淤量表示為某年斷面相對于起始年斷面的側(cè)向（或垂向）沖淤面積，見圖1。其中：側(cè)向累計沖淤量為起始年左岸（ Ll）與計算年左岸（L2）之間的沖淤面積加上起始年右岸（Rl）與計算年右岸（ R2）之間的沖淤面積之和;垂向累計沖淤量為計算年左岸（ L2）和右岸（R2）之間的沖淤面積。本次計算不考慮灘地上的沖淤變化，只考慮主槽相對于起始年的沖淤變化。

（1）伊洛河口以上。伊洛河口以上1986-1999年大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上大于垂向累計沖淤量（見圖2）。

（2）伊洛河口一花園口。與伊洛河口以上河段類似.1986-1999年伊洛河口一花園口大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上大于垂向累計沖淤量。

（3）花園口一夾河灘。該河段大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上大于垂向累計沖淤量。

（4）夾河灘一高村。該河段大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上大于垂向累計沖淤量，兩者差別沒有花園口一夾河灘河段的大（見圖3）。

（5）高村一孫口。該河段大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上大于垂向累計沖淤量。側(cè)向和垂向沖淤量差別沒有夾河灘一高村河段的大（見圖4）。

（6）孫口一艾山。該河段大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上小于垂向累計淤積量。從該河段開始，側(cè)向累計沖淤量均小于垂向累計沖淤量（見圖5）。

（7）艾山一濼口。該河段大斷面垂向沖淤量遠(yuǎn)大于側(cè)向沖淤量，說明該河段以淤積抬升為主（見圖6）。

（8）濼口一利津。該河段大斷面垂向沖淤量遠(yuǎn)大于側(cè)向沖淤量，說明該河段以淤積抬升為主。

1.2 沖刷展寬時期橫斷面形態(tài)特征

以2000年斷面為起始年斷面，以某年斷面相對于起始年斷面的沖淤面積作為主槽累計沖淤量。側(cè)向（或垂向）累計沖淤量分別表示為某年斷面相對于起始年斷面的側(cè)向（或垂向）沖淤量

（1）伊洛河口以上。2000-2013年伊洛河口以上大斷面整體上側(cè)向累計沖淤量和垂向累計沖淤量相當(dāng)（見圖7）。

（2）伊洛河口一花園口。與伊洛河口以上河段類似.2000-2013年伊洛河口一花園口大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上和垂向累計沖淤量相當(dāng)。

（3）花園口一夾河灘。該河段主槽斷面?zhèn)认蚝痛瓜蚶塾嫑_淤量相當(dāng)。

（4）夾河灘一高村。該河段大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量和垂向累計沖淤量相當(dāng)（見圖8）。

（5）高村一孫口。該河段大斷面?zhèn)认蚝痛瓜蚶塾嫑_淤量相當(dāng)（見圖9）。

（6）孫口一艾山。該河段大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量整體上小于垂向累計沖淤量。從該河段開始向下游，側(cè)向累計沖淤量均小于垂向累計沖淤量，說明從2000年以來，該河段主河槽寬度沒有多大變化，主槽沖深產(chǎn)生的沖刷量比較大（見圖10）。

（7）艾山一濼口。該河段大斷面?zhèn)认蚶塾嫑_淤量遠(yuǎn)小于垂向累計沖淤量，說明2000年以來該河段主河槽寬度基本沒變化，沖刷量基本上是由主槽沖深引起的（見圖11）。

（8）濼口一利津。該河段斷面寬度基本無變化，側(cè)向累計沖淤量遠(yuǎn)小于垂向累計沖淤量，說明2000年以來該河段主河槽寬度基本沒變化，沖刷量基本上是由主槽沖深引起的。

1.3 側(cè)向淤積與展寬系數(shù)

各河段沖刷時期主槽河寬變化過程見表1。各河段累計塌灘展寬面積與累計主槽沖深面積的相關(guān)關(guān)系、與塌灘展寬面積占比的相關(guān)關(guān)系見表2。其中：主槽側(cè)向淤積系數(shù)=主槽側(cè)向累計淤積量/主槽總累計淤積量：主槽側(cè)向展開系數(shù)=主槽側(cè)向累計沖刷量/主槽總累計沖刷量。由表2可以看出，在淤積縮窄時期，孫口以上的主槽側(cè)向淤積系數(shù)都大于0.50%，即主槽側(cè)向淤積量大于垂向淤積量，孫口以下則相反。同樣地，在沖刷展寬時期，孫口以上的側(cè)向淤積系數(shù)都大于0.50，孫口以下的側(cè)向淤積系數(shù)都小于0.50，孫口以上各河段主槽以展寬為主，孫口以下各河段主槽以沖深為主。

2 斷面形態(tài)變化特點對彎道曲率的影響

2.1 彎道曲率與橫斷面形態(tài)特征的關(guān)系

橫斷面形狀是由表面寬度B、中心深度D、岸坡斜率z和河床橫比降S所決定的[6].河道概化圖見圖12（a）（其中θ為河彎流路與下行流路的夾角，r為彎道半徑）。為了簡化分析，本文忽略了岸坡斜率z，橫斷面形狀近似于圖12（b）所示，是由表面寬度B、中心深度D和橫比降S所決定的。

河道斷面的橫比降St的幾何關(guān)系式可以表示為

彎曲段水流以螺旋運動或橫向循環(huán)為特征[7]。為預(yù)測一條彎曲的、可侵蝕的河床的橫比降，前人建立了幾種分析模型。本文斷面橫比降的計算基于Odgaard A J的方程[7]：

2.2 黃河下游橫斷面沖淤變化對彎道曲率的影響

黃河下游河道從上到下由寬淺河道逐漸變?yōu)橄鄬φ詈拥馈Ｒ?013年為例，由表1可知伊洛河口以上、夾河灘一高村、高村一孫口、孫口一艾山、艾山一濼口的主河槽寬度分別為1 448、1 065、628、504、458 m.逐漸變小，河道逐漸變窄深。

淤積時期河道寬淺，流速橫向分布不均，容易造成貼邊淤積，即側(cè)向淤積量大于垂向淤積量。孫口以下河道相對窄深，流速橫向分布相對均勻，容易造成淤積。沖刷時期河道寬淺時，流速橫向分布不均，容易造成塌岸沖刷，孫口以上各個河段以展寬為主：孫口以下河段河道相對窄深，流速橫向分布相對均勻，容易造成沖深。

黃河下游河道沖刷時期（2000-2013年）主槽寬度逐漸變大。高村以上河段主槽寬度變化相對較大，高村以下各河段主槽寬度相對變化較小。

3 結(jié)論

在理想的彎曲河道中，r/B的值由F和ζ確定，F(xiàn)為河床阻力、水流速度、泥沙顆粒大小等的函數(shù)。假定F不變，寬深比ζ越大r/B越小，也就是河道越彎曲;r/B越小寬深比ζ越大。

通過分析黃河下游各河段橫斷面形態(tài)及沖淤特性，結(jié)合理論關(guān)系式，給出彎道曲率對黃河下游橫斷面形態(tài)變化影響的關(guān)系。黃河下游河道各河段在沖刷展寬時期（2000-2013年），主槽寬度逐漸變大，在理想條件下（沒有人為控制邊界條件），河道寬淺，在彎道流中流速橫向分布不均，容易造成塌岸沖刷，河道將會越來越彎曲。

參考文獻：

[1] 陳建國，黃河下游河道萎縮機理與基本輸水輸沙通道規(guī)模研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2013：1-10.

[2] 夏軍強，吳保生，王艷平，近期黃河下游河床調(diào)整過程及特點[J].水科學(xué)進展，2008，19（3）：301-308.

[3] 胡春宏.張治昊，黃河下游復(fù)式河道灘槽分流特征研究[J].水利學(xué)報，2013，44（1）：1-9.

[4]吳保生，李凌云.黃河下游河道橫斷面的若干特點[J].人民黃河，2008，30（2）：15-16.

[5] 申冠卿，張原峰，尚紅霞，等，不同時期黃河下游河道泥沙沉積與縱橫斷面調(diào)整[J].泥沙研究，2005（3）：30-34.

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CHANG H H.Fluvial Processes in River Engineering[M].Florida： Krieger Publishing Company， 1992： 261-297.

[7] ODGAARD A J.Transverse Bed Slope in Alluvial ChannelBends[J].Joumal of the Hydraulics Division， 1981， 107：1677-1694.