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）atdifferent hydrological stations2.3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-sections3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。