黄河下游河道泥沙粒径变化对小浪底水库调水调沙的响应规律

薛博文， 张向萍， 许琳娟， 李军华， 毛鹤崴

(1.华北水利水电大学，河南 郑州 450046; 2.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003)

黄河小浪底水库自1999年10月蓄水以来，已运行了20 a。通过小浪底水库的运用(包括汛前调水调沙)，保持黄河下游河道长期持续冲刷，对减轻下游河道泥沙淤积，提升河道防洪能力具有明显作用[1]。然而，随着清水持续冲刷，下游河道的冲刷能力大幅度降低，冲刷效率明显下降[2]。造成这个问题的主要原因可能是河床粗化：一方面河床粗化增加了河床对水流的阻力；另一方面细颗粒泥沙对水流的供应减少，导致水流可挟带的泥沙减少[3]。黄河下游河道泥沙组成的变化，尤其是泥沙粒径的变化影响河流的输水输沙能力[4-5]。研究黄河下游泥沙粒径对小浪底水库调水调沙的响应规律，为提升下游河道的排洪输沙能力以及运用小浪底水库实施水沙动态调度提供技术支撑[6]。

现有关于黄河下游河道对小浪底水库运用的响应研究方面，倪晋仁等[7]分析不同流量级、含沙量条件下洪水过程对输沙水量的影响，以寻求较优水库调控方案，提高下游河道输沙用水效率。申冠卿等[8]根据非汛期月来水和来沙量实测数据以及河道冲刷量，点绘了月冲刷量与来水和来沙量之间的关系，并回归了月来沙量、月来水量与月冲刷量之间的关系。胡春宏等[9]以实测洪水水沙资料为研究基础，分析下游河道冲淤规律，最后给出了对下游河道有利的漫滩洪水的小浪底水库调控指标。王霞等[10]利用数学模型，提出了洪水资源化高效利用方案。陈建国等[11]从河道的冲刷和河道的平面形态变化两方面来阐明小浪底水库拦沙运用10年来水库淤积及下游河道的再造床过程及其特点，丰富了多泥沙河流兴建大型水库以后下游河道河床演变学科的内涵。孙东坡[12]吴淼[13]等分析了水库泥沙淤积的变化特征及水库生态流量的运用。李军华等[14]研究了黄河下游不同河段的输沙能力的变化规律，分析了在不同持续稳定的流量级下，各河段的冲淤均衡输沙关系，提出了更为优化的河道整治辅助模式。

然而，现有的研究成果大多针对黄河下游河道水沙输移规律和冲淤演变，对于黄河下游河道泥沙粒径变化的相关研究成果较少。为此，本文通过研究黄河下游河道悬移质及河床质两种河道泥沙粒径的变化规律，将每年划分为汛期、非汛期以及调水调沙期3个时期，分析3个时期下游河道泥沙粒径的变化趋势，对缓解下游河道泥沙淤积、恢复河道排洪输沙能力具有重要的实际意义，为补充黄河全物质通量数据资料、揭示下游河流系统对泥沙动态调控的多过程综合响应机理提供理论支撑。

1 研究概况

中数粒径是指在泥沙颗粒级配曲线上与纵坐标50%相对应的粒径值，该数值能有效地反映出河道泥沙的典型情况[15]。文中主要利用黄河下游花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口和利津7个水文站2006—2017年12 a间黄河下游悬移质的泥沙资料，统计2004—2017年14 a间黄河下游花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口和利津等7个水文站的河床质中数粒径的实测资料，分别绘制各水文站测得的悬移质颗粒与河床质颗粒中数粒径的分布图，分汛期、非汛期、调水调沙期3个时期，分析黄河下游泥沙中数粒径的变化规律，探讨黄河下游两种泥沙粒径分布对小浪底水库动态运用的响应机制。根据黄河流域地区的降雨量特点，通常情况下划分黄河(主)汛期为6月至10月，非汛期为11月至来年5月。小浪底水库调水调沙期时间安排见表1，文中汛期数据均不包含调水调沙期的。

表1 小浪底运用以来调水调沙时期表

2 黄河下游悬移质粒径变化对小浪底水库调水调沙的响应

2006—2017年黄河下游7个水文站测得的悬移质中数粒径分布的统计结果如图1所示。

图1(a)中，花园口水文站测得的悬移质多年平均中数粒径为0.029 mm，其中，非汛期的多年平均中数粒径为0.043 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.024 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.017 mm，悬移质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期和调水调沙期的悬移质年平均中数粒径均呈略微增大的趋势，而非汛期的呈减小趋势，减小幅度较大。除2014年和2015年以外其他年份，调水调沙期的悬移质粒径的变化规律为：初始的较粗，后期的变细。

图1 2006—2017年黄河下游水文站的悬移质中数粒径分布

图1(b)中,夹河滩水文站测得的悬移质多年平均中数粒径为0.029 mm，其中，非汛期的多年平均中数粒径为0.043 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.027 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.017 mm，悬移质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期的悬移质年平均中数粒径呈略微增大的趋势，非汛期的呈明显减小趋势，减小幅度较大，调水调沙期的减小幅度较小。除2015年以外其他年份，调水调沙期的悬移质粒径的变化规律为：初始的较粗，后期的变细。

图1(c)中,高村水文站测得的悬移质多年平均中数粒径为0.033 mm，其中，非汛期的多年平均中数粒径为0.045 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.031 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.014 mm，悬移质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的悬移质年平均中数粒径均呈增大趋势，且汛期和调水调沙期的增幅大致相同，非汛期的增幅较缓。除2006年、2009年、2015年以外其他年份，调水调沙期的悬移质粒径的变化规律为：初始的较粗，后期的变细。

图1(d)中,孙口水文站测得的悬移质多年平均中数粒径为0.031 mm，其中，非汛期的悬移质多年平均中数粒径为0.040 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.031 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.017 mm，悬移质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期和非汛期的悬移质年平均中数粒径呈增大趋势，但增大幅度较小，调水调沙期的呈减小趋势。除2015年以外其他年份，调水调沙期的悬移质粒径的变化规律为：初始的较粗，后期的变细。

图1(e)中,艾山水文站测得的悬移质多年平均中数粒径为0.037 mm，其中，非汛期的悬移质多年平均中数粒径为0.045 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.040 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.020 mm，悬移质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期的悬移质年平均中数粒径的变化趋势较平稳，非汛期和调水调沙期的均呈减小趋势，减小幅度不大，非汛期的减小幅度高于调水调沙期的。除2006年、2015年以外其他年份，调水调沙期的悬移质粒径的变化规律为：初始的较粗，后期的变细。

图1(f)中，泺口水文站测得的悬移质多年平均中数粒径为0.033 mm，其中，非汛期的悬移质多年平均中数粒径为0.038 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.032 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.023 mm，悬移质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期和调水调沙期的悬移质年平均中数粒径无明显变化，非汛期的呈现增大趋势。除2006年、2009年、2010年、2015年以外其他年份，调水调沙期的悬移质粒径的变化规律为：初始的较粗，后期的变细。

图1(g)中，利津水文站测得的悬移质多年平均中数粒径为0.025 mm，其中，非汛期的悬移质多年平均中数粒径为0.023 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.030 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.021 mm，汛期、非汛期、调水调沙期的悬移质多年平均中数粒径变化不明显。从变化趋势上来看，汛期和调水调沙期的悬移质年平均中数粒径均呈减小趋势，而非汛期的呈增大趋势。除2006年、2009年、2015年以外其他年份，调水调沙期的悬移质粒径的变化规律为：初始的较粗，后期的变细。

图2为2006—2017年黄河下游悬移质多年平均中数粒径的变化曲线。

从图2总体上来看，2006—2017年黄河下游悬移质中数粒径沿程变化不明显，7个水文站测得的悬移质多年平均中数粒径均集中于0.05 mm以下。分时期来看，除利津水文站以外，其他水文站测得的黄河下游悬移质多年平均中数粒径的变化规律是：非汛期的>汛期的>调水调沙期的；除2006年、2009年、2015年以外其他多数年份，调水调沙期多个水文站点测得的结果均呈现悬移质粒径初始的较粗、后期的变细的变化特征。从时间变化上来看，调水调沙期的悬移质年平均中数粒径随时间变化不明显，汛期除利津水文站测得的悬移质颗粒年平均中数粒径呈减小趋势以外，其他水文站测得的均呈微

增趋势或者趋势变化不明显。非汛期高村水文站以上河段的悬移质年平均中数粒径随时间逐渐变细，高村水文站和孙口水文站测得的结果变化不明显，泺口和利津2个水文站测得的悬移质年平均中数粒径呈逐渐变粗趋势。小浪底水库利用异重流排沙，异重流在向坝前输移的过程中，由于粗沙质量大，易沉降，所以到达坝前的异重流以细沙为主[16]。因此，调水调沙期间，各水文站的实测悬移质粒径低于全年的平均水平。从悬移质粒径变化与小浪底水库的响应关系来看，汛期和调水调沙期的悬移质平均中数粒径变化不明显，与水库响应关系较弱。非汛期，小浪底水库小流量清水下泄，下游河道细颗粒泥沙对水流的供应逐年减少，水库运用初期，孙口水文站以上河段的悬移质粒径较粗，随着水库运用时间增加，悬移质粒径趋于稳定，由于水流挟沙力沿程下降，孙口水文站以下河段的悬移质中数粒径与水库的响应关系较弱。

3 黄河下游河床质粒径变化对小浪底水库调水调沙的响应

2004—2017年黄河下游7个水文站测得的河床质中数粒径分布的统计结果如图3所示。

图3 2004—2017年黄河下游水文站的河床质中数粒径分布

图3(a)中，花园口水文站测得的河床质多年平均中数粒径为0.213 mm，其中，非汛期的多年平均中数粒径为0.239 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.206 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.190 mm，河床质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的河床质年平均中数粒径均呈增大趋势，非汛期的增幅高于汛期的，汛期的高于调水调沙期的。

图3(b)中，夹河滩水文站测得的河床质多年平均中数粒径为0.148 mm，其中，非汛期的河床质多年平均中数粒径为0.158 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.139 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.147 mm，河床质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>调水调沙期的>汛期的。从变化趋势上来看，汛期的河床质年平均中数粒径呈明显增大趋势，非汛期和调水调沙期的增幅不明显。

图3(c)中，高村水文站测得的河床质多年平均中数粒径为0.118 mm，其中，非汛期的河床质多年平均中数粒径为0.124 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.110 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.119 mm，河床质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>调水调沙期的>汛期的。从变化趋势上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的河床质年平均中数粒径均呈增大趋势，汛期的增幅高于非汛期和调水调沙期的。

图3(d)中，孙口水文站测得的河床质多年平均中数粒径为0.107 mm，其中，非汛期的河床质多年平均中数粒径为0.114 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.102 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.105 mm，河床质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>调水调沙期的>汛期的。从变化趋势上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的河床质年平均中数粒径均呈增大趋势，调水调沙期的增幅高于汛期和非汛期的。

图3(e)中，艾山水文站测得的河床质多年平均中数粒径为0.097 mm，其中，非汛期的河床质多年平均中数粒径为0.102 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.098 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.084 mm，河床质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的河床质年平均中数粒径均呈增大趋势，调水调沙期的增幅高于汛期的，汛期的高于非汛期的。

图3(f)中，泺口水文站测得的河床质多年平均中数粒径为0.094 mm，其中，非汛期的河床质多年平均中数粒径为0.103 mm，汛期的多年平均中数粒径为0.093 mm，调水调沙期的多年平均中数粒径为0.073 mm，河床质多年平均中数粒径的变化规律为：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。从变化趋势上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的河床质年平均中数粒径均呈增大趋势，非汛期的增幅最大，其次为汛期的，调水调沙期的不明显。

图3(g)中，利津水文站测得的河床质多年平均中数粒径为0.086 mm，其中，非汛期的河床质多年平均中数粒径为0.087 mm，汛期的河床质多年平均中数粒径为0.085 mm，调水调沙期的河床质多年平均中数粒径为0.084 mm，非汛期、汛期、调水调沙期的河床质多年平均中数粒径差别不大。从变化趋势上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的河床质年平均中数粒径均呈增大趋势。

图4为2004—2017年黄河下游河床质多年平均中数粒径的变化曲线。

图4 2004—2017年黄河下游河床质多年平均中数粒径变化曲线

由图4总体来看，2004—2017年,黄河下游河床质中数粒径变化呈现沿程减小的趋势，河床质多年平均中数粒径的变化范围从非汛期花园口水文站测得的0.239 mm到调水调沙期利津水文站测得的0.084 mm。分时期来看，非汛期各水文站测得的黄河下游河床质多年平均中数粒径最粗，汛期测得的数据与调水调沙期测得的相差不大。孙口水文站以上河段调水调沙期的河床质多年平均中数粒径大于汛期的，孙口水文站以下河段汛期的河床质多年平均中数粒径大于调水调沙期的，从时间变化上来看，汛期、非汛期、调水调沙期的河床质年平均中数粒径均变粗，说明河床存在不同程度的粗化现象。调水调沙期间水流出小浪底水库，流量大、流速快，需要沿程补给细泥沙使挟沙水流达到饱和条件，且水流挟沙能力沿程下降，到达孙口水文站附近，细泥沙淤积在河床。因此，孙口水文站以上河段测得的河床质多年平均中数粒径调水调沙期的大于汛期的，孙口水文站以下河段测得的河床质多年平均中数粒径汛期的大于调水调沙期的。从河床质粒径变化与小浪底水库的响应关系来看，水库运用造成下游河道全河性冲刷，导致无论非汛期还是汛期与调水调沙期间河床质粒径都逐年增大直至粗化现象停止，河床形成稳定粗化层。

4 结论与讨论

依据黄河下游花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口和利津7个水文站的水文资料，区分悬移质、河床质绘制泥沙颗粒中数粒径分布图，探讨黄河下游泥沙粒径变化对小浪底水库动态运用的响应机制，得出以下结论：

1)泥沙粒径变化规律。悬移质方面，黄河下游悬移质粒径沿程变化不明显，7个水文站测得的多年平均中数粒径均集中于0.05 mm以下。除利津水文站以外，其他水文站测得的黄河下游悬移质多年平均中数粒径变化规律是：非汛期的>汛期的>调水调沙期的。调水调沙期的悬移质年平均中数粒径随时间变化不明显，汛期除利津水文站实测的年平均中数粒径数据呈下降趋势以外，其他水文站测得的数据均呈微增趋势或者趋势变化不明显，非汛期高村水文站以上河段测得的悬移质粒径随时间增加逐渐变小，高村水文站、孙口水文站测得的数据变化不明显，泺口水文站和利津水文站测得的悬移质粒径呈逐渐变粗趋势。河床质方面，黄河下游河床质年平均中数粒径变化呈现沿程减小的趋势，河床质多年平均中数粒径变化范围从非汛期花园口水文站测得的0.239 mm到调水调沙期利津水文站测得的0.084 mm。非汛期各水文站测得的黄河下游河床质粒径最粗，汛期测得的数据与调水调沙期的相差不大。汛期、非汛期、调水调沙期的河床质粒径均不同程度地变粗，说明河床出现粗化现象。

2)泥沙粒径变化原因。悬移质方面，小浪底水库利用异重流排沙，异重流在向坝前输移的过程中，由于粗沙质量大，易沉降，到达坝前的异重流以细沙为主。因此，调水调沙期间各水文站实测的悬移质粒径低于全年平均水平。调水调沙期间水流出小浪底水库，流量大、流速快，需要沿程补给细泥沙使挟沙水流达到饱和条件。河床质方面，由于水流挟沙能力沿程下降，到达孙口水文站附近，细泥沙淤积在河床，因此，孙口水文站以上河段测得的调水调沙期的河床质中数粒径大于汛期的，孙口水文站以下河段测得的汛期河床质中数粒径大于调水调沙期的。

3)泥沙粒径变化与小浪底水库的响应关系。悬移质方面，汛期和调水调沙期的悬移质年平均中数粒径变化不明显，非汛期水库小流量清水下泄，水库运用初期，孙口水文站以上河段的悬移质粒径较粗，随着水库运用时间的增加，悬移质粒径趋于稳定，孙口水文站以下河段的悬移质粒径与水库响应关系较弱。河床质方面，水库运用造成下游河道全河性冲刷，导致无论非汛期还是汛期与调水调沙期间河床质粒径都逐年增大直至粗化现象后停止，河床形成稳定粗化层。