第３２卷第２期 ２０１２年４月 水文 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩＮＡ ＨＹＤＲＯＬＯＧＹ Ｖ０１．３２ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２０１２
黄河内蒙段河道冲淤量与水沙输移过程的关系分析
胡兴林 ，一，王 静 ，蓝永超２，李文治３，赵昌瑞
（１．甘肃省水文水资源局，甘肃兰州７３００００； ２．中国科学院寒区旱区环境与工程研究所内陆河流域生态水文重点实验室，甘肃兰州７３００００； ３．甘肃省人民政府黑山峡项目领导小组办公室，甘肃兰州７３００００；
４．黄委会上游水文水资源局，甘肃兰州７３００３０）
摘 要：根据１９５２～２００３年黄河内蒙古河段实测断面资料分析，天然状态下该河段均处在淤积状态， 青铜峡、三盛公水库建成运行初期水库蓄混排清，不同的水沙组合使河道有冲有淤，青铜峡水库蓄满
失去蓄混排清功能后。河道又长期处在淤积状态。河道冲淤量与来水量、来沙量的线性组合高度相 关。表明该河段冲淤量与河道的水沙组合有直接的因果关系。由此建立了计算河道冲淤量的数学模
型。来沙系数是判断河道冲淤变化的关键指标，实测资料分析表明：来沙系数小于或等于０．００５时河
道发生冲刷，来沙系数在０．０ｏ５～０．００９之间时河道有冲有淤，来沙系数大于Ｏ．ｏ０９时河道发生淤积，
来沙系数大于０．０１５时淤积量趋于稳定．且以１．Ｏ为渐近线。 关键词：河道冲淤量；水沙输移；关系分析；黄河内蒙古段 中图分类号：ＴＶ１４２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—０８５２（２０１２）０２—００４４—０５
黄河内蒙古河段近２０年来发生严重淤积．致使河
道严重萎缩，行洪能力降低。导致汛期同流量水位升 高、河势摆动加剧、滩岸坍塌严重，已出现了小水大灾
的情况，防洪压力不断增加，严重制约着当地经济社会
的发展【ｌ－６１。该河段河道过流能力的降低反过来对上游 龙羊峡、刘家峡水库的联合调度运行增加了限制因素．
使其不能按照设计条件进行调度运用。２０世纪９Ｏ年
代以来该河段防凌期刘家峡水库下泄流量一再减小．
严重影响电站的运行发电。影响了上游梯级水电站发 电的经济效益；汛期发生洪水时水库下泄量受到限制．
给黄河上游防汛调度工作造成一定压力。因此，研究黄 河内蒙古河段河道冲淤量的变化规律以及主要影响因
素，对寻求该河段的治理措施显得非常重要。
１研究区河道概况
黄河内蒙古河段指石嘴山至托克托县河口镇
（头道拐）区间，该段河流沿鄂尔多斯高原的西北边
界流动，河流所经大部为荒漠和荒漠草原区，河床平 缓，水流缓慢，两岸有大片冲积平原，即著名的河套
平原。石嘴山一巴彦高勒区间较大的山洪沟有拉憎庙
沟、麻黄沟、艾来都格沟、伊克布拉格沟、乌兰布拉格 沟（陶斯图）、滚勒斯台沟、奇盖沟、葫芦素沟、达拉盖
沟、磨石沟、沙树沟、巴拉贡沟等。这些山洪沟植被非 常差，在夏季发生较大降水时才产生水、沙过程，平
时基本干涸；巴彦高勒～头道拐区间南岸主要接纳
“十大孔兑”等支流加入，北岸主要接纳昆都仑河、五
当沟等支流。十大孔兑包括毛不拉格孔兑、布尔日嘎
斯太沟、黑赖沟、西柳沟、罕台川、壕庆河、哈什拉川、 母花日沟、东柳沟、呼斯太河等１０多条沟道，其共同
的特点是：流域植被差、土质松胶结能力弱，河道流 程短、比降大、水流急、含沙量高，汛期发生暴雨洪水
时极易造成水土流失，平时基本干涸。十大孔兑暴雨
产生的山洪挟带大量泥沙以冲泄形式垂直加入黄
河，在人黄口处形成堆积，并向河心推进挡水，导致
主槽摆动、河势不断变化、弯曲度越来越大．河道越 来越不通畅。
收稿日期：２０１１－０４—２１ 基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（ＫＺＣＸ２一ＹＷ一３２８）；国家自然科学重点基金项目（９０７０２００１）；国家自然科学基金面上项目 （９３１４６８０９３） 作者简介：胡兴林（１９６０一），男，甘肃榆中人，教授级高工，现主要从事干旱半干旱地区水文模型研制、河道水沙演变规律的研究工作。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｓｓｗｈｘｌ＠１６３．１２
ｏｍ 第２期 胡兴林等：黄河内蒙段河道冲淤量与水沙输移过程的关系分析 ４５
２资料情况及来源
黄河干流主要控制水文站有：石嘴山、巴彦高勒、
三湖河１２Ｉ、头道拐４个国家级重要站，资料来源于《黄
河流域水文特征值统计》第２册一黄河上游区下段黑
山峡至河口镇 河道灌区引水资料主要有：河套灌区的东总干渠
（１９６１－１９８９时段）、南总干渠（１９６１—１９８９时段）、沈乌 干渠（１９６１－１９８９时段），以及内蒙古灌区水管部门提
供的１９５２～２００３时段的总用水量。磴口、团结渠引水 量调查资料等。
干流水库有三盛公水利枢纽（１９６０～２００３时段），其
蓄水量采用进出库水量差减区间引出量．淤积量均采 用实测库容曲线数据推算，缺测年份用年来沙量予以
插补，泥沙体积重量换算时容重系数均采用１．３６ｆｆｍ３。
资料统计时段为１９５２～２００３年．其中部分水文站
资料达不到同步时段，通过上下游相关、相邻站相关、
以及多站同步均值比修正等方法插补延长：各灌区缺 测数据是根据总引水量资料修正插补，泥沙缺测资料
是根据引水量与河道含沙量资料计算插补：十大孔兑 的资料是根据黄河水利科学研究院“黄河干流水库调
水调沙关键技术研究课题组”２００６年６月《十大孔兑
的洪水泥沙特性与对内蒙古河道淤积影响综合分析》
报告用泥沙侵蚀模数计算的十大孔兑诸河年输沙总 量，并与赵业安通过１９６２年１０月、１９８２年１０月、
１９９１年１０月、２００４年１０月用断面法测量计算的淤积
量进行修正后获得其资料系列。
３河段冲淤量计算方法
河段区间泥沙冲淤量计算的依据为河段输沙量平
衡原理，即在一定的计算时段 内。进入河段的沙量 与流出河段沙量的差值等于该河段的泥沙冲淤量。即：
｜ｓ上一Ｓ下＝ＡＳ （１）
式中：．ｓ ｈ｜ｓ下分别为该河段上、下断面的输沙量；ＡＳ 为该河段的泥沙冲淤变化量，ＡＳ＞０表示河段发生淤积，
ＡＳ＝０表示河段冲淤平衡，ＡＳ＜０表示河段发生冲刷。
如果考虑到河段沿程加入或引出沙量。水利工程 拦蓄的沙量，则（１）式可改写为：
｜ｓ上＋｜ｓ区间加入－Ｓ区间引出一．ｓ库一Ｓ－￣＝ｚｌＳ （２） 式中：Ｊｓ 间加人为该河段区间加入的沙量；ＳⅨ删出为该
河段区间引出的沙量；．ｓ库为水库冲淤量，“一”为冲刷， “＋”为淤积。
由于黄河内蒙古河段河流特性及区间支流加入
量、引出差异较大，为了分析计算方便，可将该河段分 为：石嘴山～巴彦高勒、巴彦高勒 三湖河口、三湖河
口～头道拐３个区间，则各河段冲淤量计算可在（２）式
的基础上分别表示
（１）石嘴山一巴彦高勒区间 巴颜高勒水文站在１９５９年以前称为渡口堂水文
站，１９６０年以后由于三盛公水利枢纽修建后断面位置 变化，断面改为巴彦高勒水文站，其区间有三盛公水
库产生淤积，河道冲淤量计算需分段表示。
①１９５２～１９５９年
ＡＳ＝Ｓ石一Ｓ渡 （３） ②１９６０－２００３年
４Ｓ＝Ｓ石一ＳⅨＩ＇￣０１出一Ｓ三，－Ｓ Ｂ （４）
式中：５渡为渡口堂断面的输沙量；Ｓ 为巴彦高勒断面 的输沙量；Ｓ三库为三盛公水库冲淤量；ＳⅨ删出为三盛公
水利枢纽的总引出水量；单位均为１０ｓｔ。其它符号意义 同前。
（２）巴彦高勒一三湖河１２１区间
由于三盛公水利枢纽的建成，该区间河道引水位 置相应发生了变化，河道冲淤量计算需分段表示。
①１９５２－１９５９年
＝Ｓ渡＋．ｓ区间加ｘ－Ｓ区Ｉ＇￣１０１出一Ｓ三 （５） （ １９６０～２００３年
． ＡＳ＝Ｓ ｅ＋Ｓ区间加入一５三 （６） 式中：．ｓ三为三湖河口断面的输沙量，单位为１０ｈ；其它 符号意义同前。
（３）三湖河口～头道拐区间
ＡＳ＝Ｓ三＋５ 间加ｘ－Ｓ ＮＮＯｌ ｅｄ－－Ｓ头 （７） 式中：．ｓ头为头道拐断面的输沙量；ＪｓⅨ 人为十大孔兑
各支流的输沙量合成值，单位：１０ｈ；Ｊｓ 删 为包头引
水时引出的沙量。单位１０ｓｔ；其他符号意义同前。
４冲淤量定量计算方法的建立
４．１ 冲淤量与水沙输移过程的数量关系分析 建立河段冲淤量与水沙输移过程定量的数学关
系．就是为了通过水沙输移过程间接估计河道冲淤量
的变化情况，为及时掌握河道变化规律提供科学依据。 众所周知。河道输水、输沙量的变化过程与河道
冲淤量具有因果关系，是分析河道冲淤量的主要因 水文 第３２卷
素。用巴彦高勒～头道拐区间的冲淤量与巴彦高勒站的
来水量加区间来水量之和进行单因子相关分析，发现
其相关系数为一０．１０８，说明河道年冲淤量与来水量之
和没有统计相关；再用巴彦高勒～头道拐区间的冲淤量 与巴彦高勒站的来沙量加区间来沙量之和进行单因子
相关分析，其相关系数为０．５０５，两者虽然有一定相关 关系，但相关系数通不过置信度ａ＝Ｏ．０５的Ｆ检验，说
明相关关系不显著。由此可以看出，河道冲淤量的计算 无法用水、沙输移过程的单因子建立起有效的数量关
系。但是，若用河段冲淤量与来水量之和、来沙量之和
建立二元线性组合关系，其复相关系数较高，说明河道
冲淤量与来水量之和、来沙量之和的线性组合关系显 著，由此可建立计算河道冲淤量的数学模型［６－８］。
用１９５２～２００３年的实测资料进行数据拟合，得出
计算河段年冲淤量的数学模型为：
ＡＳ年＝０．８０３０－０．００７４７Ｗ年＋０．８１７８Ｓ年 （８） 式中：ＡＳ年为巴彦高勒一头道拐河段的年冲淤量，单位： １０ｓｔ；Ｗ年为巴彦高勒断面与十大孔兑年合成水量，单
位：ｌＯ‰。；．ｓ年为巴彦高勒断面与十大孔兑年合成沙
量。单位：１０ ｔ。
该模型复相关系数为Ｒ－－０．８８４，标准差为Ｅ－－０．２７４，
通过了ａ＝Ｏ．０５的Ｆ检验．说明模型具有统计规律，实 测值计算的冲淤量与模型计算的冲淤量比较见图１。
从图中可以看出两者拟合得较好，可以用来计算该河
段年冲淤量。
３．０ｏ ２．５Ｏ ２．００ １．５Ｏ ０ １・０ｏ 司 Ｏ．５Ｏ Ｏ．０ｏ
－０．５Ｏ
—１．０Ｏ ＋实测资料计算冲淤量 一模型计算冲淤量
． ５
蕊 ， 一
墨 一爨 …拳 臻鞑… 蚕
年份 图１ 巴彦高勒一头道拐河段逐年实测与模型计算冲淤量△Ｓ比较 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｙｅａｒｌｙ ｓｃｏｕｒｉｎｇ（ｓｉｌｔｉｎｇ）ａｍｏｕｎｔ ｉｎ Ｂａｙａｎｇａｏｌｅ—－—－Ｔｏｕｄａｏｇｕａｉ ｒｅａｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｙｅｌｌｏｗ ｒｉｖｅｒ
由式（８）可以看出，巴彦高勒一头道拐河段的年冲 淤量在来水量（上游加区间，下同）不变的情况下随来
沙量（上游加区间，下同）的增大而增大，随来沙量的减
少而减少；在来沙量不变的情况下，随来水量的增大而
减少，随来水量的减小而增大。更确切地说，内蒙古河 段的冲淤量与来水、来沙量的线性组合密切相关。水
多沙少表明水沙关系协调河道产生冲刷，水少沙多表
明水沙关系不协调河道产生淤积。
同理，分别建立１９５２～２００３年汛期（７－１０月）、７ 月、８月冲淤量与同时段来水、来沙量（上游加区间）的
线性组合模型分别如下：
４Ｓ汛＝０．２９８５—０．００８６８Ｗ汛＋０．８６９６５Ｓ汛 （９）
ＡＳ７月＝０．０５３３—０．００８１１Ｗ７月＋０．９４３２Ｓ７月 （１Ｏ） ＡＳ８月＝０．１２７４—０．０１０１７Ｗ８月＋０．８５２６Ｓ８月 （１１） 式中符号意义同前。
式（９）～（１１）中复相关系数分别为：０．９３０、０．９８０、 ０．９６２，标准差分别为：０．１９５、０．０５４、０．０６４，均通过了
ａ＝Ｏ．０５的Ｆ检验，说明各模型均具有统计意义，其数
学模型计算成果可在生产实践中应用。 ４＿２河道冲淤量判别指标的确定
河道冲淤量的判别指标可用来沙系数［９１表示。来
沙系数系指某断面悬移质含沙量与相应流量的比值， 其作为一个重要的水沙参数，在黄河中下游泥沙的研
究中得到了广泛的应用。
点绘巴彦高勒站的年来沙系数与巴彦高勒一头道拐
区间河道冲淤量的相关关系见图２，从图中可以看出： （１）河道冲淤量与来沙系数成非线性正比关系，
相关系数为０．７３，关系点据散乱说明还有其他因素影
响，如约束水流的边界条件变化、人类活动影响等；
（２）来沙系数小于或等于０．００５时河道发生冲刷； （３）来沙系数在０．００５—０．００９之间时河道有冲有淤；
（４）来沙系数大于０．００９时河道发生淤积； （５）来沙系数大于０．０１５时淤积量趋于稳定，且以
１．０为渐近线。
５河段冲淤量的逐年变化
为了对照图２分析问题，仍采用巴彦高勒 头道拐
区间的河道冲淤量来分析冲淤量的逐年变化。１９５２ １９５９年该河段没有建立水库。但有引水渠道向灌区输
送灌溉用水，由于其历史较长，可认为该时段为天然状
态，这一时期该河段均为淤积状态。１９６０年以后三盛 公水利枢纽建成运行后该河段的天然状态发生了改 变，１９６８年青铜峡水库建成投入运行后，蓄混排清的
作用使得下游河段在一个较长时段内，水沙输移过程
发生了较大变化，随着来水、来沙的不同组合，河道出
现了有冲有淤的现象．在１９６０～１９８６年的２７年时间
段，
有冲刷的年份为１２年，有淤积的年份有６年，冲淤