黄河中游干流泥沙组成规律(张晓华, 潘贤娣, 李勇,岳德军)

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黄河中游干流泥沙组成规律水利论文+Ej2W+B'c,@.U%J

张晓华, 潘贤娣, 李勇,岳德军

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(黄委会黄河水利科学研究院,;黄河水利委员会,)水利论文gv%v|VW+X.p

摘要:本文利用系统、一致的颗粒级配资料,详细分析了黄河中游主要控制站长时期泥沙组成和泥沙粒径的变化,认为近期黄河中游有来沙细化的现象,但这是由于来沙量的减少造成的,泥沙组成规律并未发生明显的趋势性变化。水利论文lG }fU(c{1?@ {/L

关键词:黄河中游;泥沙组成;细化

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基金项目:水利部第二届黄河水沙变化基金资助项目水利论文]E{&kR `

作者简介:张晓华(1970-),男,四川省广元市人,黄河水利科学研究院工程师。水利论文o(}s ]6e8|[;W

1 前言水利论文#H4_(D'i+k1b!n+Me

  进入黄河下游的粗泥沙(d>0.05mm)约占总沙量的20%,但其淤积量却占到总淤积量的50%,又主要淤积在主槽中,对河道行洪极为不利,因此减少粗泥沙的来沙量对下游河道减淤尤为重要。从河口镇到潼关的黄河中游干流段,是黄河粗泥沙的主要来源地区,也是国家治理的重点,70年代即开展大规模水土保持综合治理,改变了流域的下垫面条件,有效拦减了入黄沙量。同时近期黄河流域的气候发生改变,降雨有所减少。上述两方面共同作用造成中游来水来沙量减少,泥沙组成也有新的变化。水利论文"]*}aB+S\

  国家“八五”科技攻关及水保基金等一些项目,对黄河粗泥沙来源区水土保持综合治理的拦沙,尤其是拦减粗泥沙的作用进行了大量的研究工作,得到许多认识,其中重要的一点是粗泥沙来沙量减少,泥沙组成变细了。本项目在分析长时期中游水文站颗粒级配的基础上,仅从河流所输送的泥沙粗细的角度研究中游泥沙组成的变化,期望取得较前人研究更深入的对黄河泥沙组成的认识。黄河流域泥沙颗粒分析,1960年前使用的是吸管法,1960~1979年采用粒径计法,1980年后为光电法。其中粒径计法计算的粒径偏粗,本文采用黄委会水文局1997年8月刊印资料,1960~1979年颗粒级配已经过改正,泥沙粒径d<0.05mm的泥沙改正较大,与前人所用资料可能存在差异。

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2 黄河粗泥沙来源

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  黄河泥沙主要来自河口镇~潼关的中游地区,河口镇以上上游地区来沙较细,以下中游支流的汇入,造成龙门、潼关泥沙组成变粗。详细分析区间各条支流泥沙组成,该区间黄河两岸粒径组成有明显的分带性,从西北到东南中值粒径从0.045mm以上,逐渐减小到0.015mm以下。粗泥沙主要来自两个地区:第一区是干流头道拐~吴堡区间的两岸支流,主要有皇甫川(出口站皇甫)、孤山川(高石崖)、窟野河(温家川)、秃尾河(高家川)等,其中值粒径多在0.030mm以上;第二区是吴堡以下无定河(白家川)、北洛河及马莲河上游地区,以及晋西北的忻县地区。水利论文2T xk-\!R/G/z^

3 干流泥沙组成变化特点水利论文NLBy)Q y8H7J:}

  黄河流域中游地区主要是暴雨产流产沙,全年泥沙的80%以上来自汛期,因而此次着重研究汛期泥沙组成的变化。水利论文A6M4BLc

3.1 各分组沙量均减少

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  由表1可见,中游干流汛期来沙量大量减少,河口镇、龙门、潼关三个站1986年后年均沙量比1968年前分别减少80%、50%、46%。其中各分组泥沙量也都大量减少。

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3.2 粗泥沙比例减少,细泥沙比例增加

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  各分组泥沙的减少幅度并不一致(表1),1986年后河口镇细泥沙(d<0.025mm)、中泥沙(0.025mm<d<0.05mm)、粗泥沙的年均沙量分别比1968年前减少75~85%;龙门各分组沙量减幅分别为38%、57%、72%;潼关减幅为40%、51%和60%,因而粗泥沙减少最多,中泥沙次之,细泥沙最少。水利论文/G%s*g;G"X3fv?Q b

  各分组沙量的不均匀减少造成泥沙组成发生变化。河口镇变化不大;龙门主要表现在粗、细泥沙占全沙的比例调整,中泥沙所占比例变化较小,细泥沙增加较多,由1968年前的占44%增加到近60%,粗泥沙减少较多,由28%减少到仅仅16%;潼关细泥沙占全沙的比例同样增加,由54%增加到61%,中泥沙、粗泥沙的比例减少值相差不大。

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表1 中游干流汛期不同时期各分组沙量多年平均值

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Yearly average amounts of graded sediment

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站 名时 期沙 量(亿t)占全沙比例%


全沙细泥沙中泥沙粗泥沙细泥沙中泥沙粗泥沙

1960~19681.5870.9810.3780.228622414
河口镇1971~19860.9290.5560.2080.165602218
1987~19950.3250.2090.0580.058641818
1960~196810.1934.5412.8212.831442828
龙 门1969~19866.1482.8961.6481.604472726
1987~19964.8322.8191.2240.789592516
1961~196812.7456.9223.5182.305542818
潼 关1969~19869.0725.1802.3521.540572617
1987~19966.7734.1401.7180.915612514

4 干、支流各站中值粒径d50均有所减小水利论文GHps3@0Y_:n9E/pT%W

  中值粒径d50是大于和小于某粒径的沙重正好相等的粒径,它是在一定程度上反映泥沙粗细的特征值。从表2各时期干流汛期d50多年平均值的变化可以看到,各站都是明显变小的,其中龙门变化最大,减少近0.01mm。而中游各主要粗泥沙产沙支流的多年平均中值粒径d50也都减小了,尤其进入90年代以后,来沙细化十分显著。

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表2 黄河中游干、支流主要控制站中值粒径d50变化(单位:mm)

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Variations for median diameter (d50) of particles at main stations in Middle Yellow River

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时期头道拐龙门潼关时期皇甫川孤山川窟野河无定河

1960~19680.01800.0290.0231966~19690.0590.0260.0540.036
1969~19860.01850.0270.0211970~19790.0590.0410.0500.036
1987~19950.01450.01950.0191980~19890.0510.0310.0480.033
1990~19950.0300.0260.029
1960~19900.0150.0280.0221966~19950.0510.0330.0520.034

注:干流为汛期平均,皇甫川为7~8月平均
    将干流历年7、8月份d50(黄河暴雨产沙主要发生在7~8月)变化过程绘于图1,图中反映出,龙门d50从70年代即开始变小,除个别高含沙量洪水发生年(如1977年、1988年)外,基本上是减小的趋势。河口镇和潼关80年代以后d50也趋于减小。

2qRnIa:M%ev&O0    上述分析都说明黄河中游自70、80年代以来,特别是90年代以后,无论从多年平均概念,还是从逐年过程来看,干、支流来沙组成都变细了。

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5 泥沙组成与来沙量的关系水利论文 p}} O WeF

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图1 龙门中值粒径d50变化过程

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Variation for median diameter (d50) of particles at Longmen

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  以上从多年平均的角度对各时期分组沙的变化趋势进行了分析。前人多年的研究认为,黄河泥沙组成随来沙量大小而变化,因而又深入探讨了泥沙组成的变化规律。

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5.1 不同来沙条件下的泥沙组成

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  点绘典型干、支流长系列各分组沙量与全沙的关系(9~10月图略),见图2。存在普遍的泥沙组成规律:①各分组沙量与全沙沙量都呈正相关关系,全沙量增大则各分组沙量也增大。②各分组沙中,细泥沙、中泥沙与全沙的关系很好,点群带比较窄;而粗泥沙与全沙的关系较散乱,尤其在沙量较大时,粗泥沙变化幅度很大。这反映了水流挟沙的规律,粗泥沙起动、输移条件比较复杂,因而输沙量不稳定。③随着沙量的增大,细泥沙的增幅越来越小,中泥沙变化不大,粗泥沙增幅越来越大。中游来沙量大的龙门、潼关这一特点比河口镇更明显,这与大量来沙多为中游大暴雨形成,粗泥沙来量多有关。④7~8月份的泥沙相对9~10月份细一些,是由于7~8月为流域面上来沙,而9~10月来沙部分为河道冲刷补给。水利论文5vXUExn

    基于以上认识,用1960~1996年的长系列实测数据进行多项式回归,建立干流各分组沙量与全沙沙量的关系,公式为

Wsi=aW2s+bWs水利论文\,qT n%J

式中Wsi为各分组沙量,Ws1为细泥沙,Ws2为中泥沙,Ws3为粗泥沙;Ws为全沙沙量;a,b为系数。系数取值见表3,回归关系线见图2。同时列出回归公式的相关系数r,细、中泥沙相关性很好,相关系数大多在0.9以上,粗泥沙较差,也在0.87以上,关系式具有较高可信度。由关系式给出各站不同来沙量时各分组沙量,即泥沙组成,见表4。

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5.2 相同来沙条件下泥沙组成没有发生明显的趋势性变化

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   为探求各时期泥沙组成是否发生变化,将各时期以不同标记区分开。由2图可见,干流各时期的点子基本上掺混在一起,没有显著的分化现象,说明黄河干流的泥沙组成规律没有发生明显的趋势性变化。支流泥沙组成的特点与干流相似,70年代前后各分组沙量与全沙的关系未见明显差异,而且发生高含沙洪水、沙量较大的1977、1988年粗泥沙比例并未减少。

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图2 干、支流典型站7~8月各分组沙量与全沙沙量的关系水利论文lCe!{Bn$Ex'}

Relationship between graded and total sediment in July and August in main stem and its tributaries

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表3 中游干流主要站各分组沙量与全沙关系式系数取值水利论文VAES;U,T"n V

Coefficients in formulas for graded and total sediment in main stem of Middle Yellow River

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站 名分组沙7~8月9~10月


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河口镇Ws1-0.00040.61970.97-0.08020.62650.98
Ws2-0.09460.26340.920.0790.19840.98
Ws30.09560.11670.870.00080.17530.87
龙 门Ws1-0.00530.48720.97-0.02980.51460.97
Ws2-0.00080.27720.990.01530.24140.98
Ws30.00610.23550.950.01460.24410.95
潼 关Ws1-0.01640.6780.97
Ws20.00250.23990.97
Ws30.01390.08210.93

表4 中游干流主要站不同来沙条件下泥沙组成

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Sediment composition under different incoming sediment conditions in main stream of Middle Yellow River水利论文Qg[ n-B0gv]


站 名月 份沙 量 (亿t)各分组沙所占比例 %


全沙细泥沙中泥沙粗泥沙细泥沙中泥沙粗泥沙

7~80.20.1240.0490.027622414
0.40.2480.0900.062622315
0.60.3720.1240.104622117
0.80.4950.1500.155621919

9~100.20.1220.0430.035612118
0.40.2380.0920.070592318
0.60.3470.1480.105582517
0.80.4500.2090.141562618

7~82.00.950.550.50482725
4.01.861.101.04472726
6.02.731.631.64462727
8.03.562.172.27452728
10.04.342.692.97432730

9~100.50.2500.1240.126502525
1.00.4850.2560.259482626
1.50.7050.3960.399472627
2.00.9100.5440.546462727

7~821.290.490.2265411
42.451.000.55612514
63.481.530.99582517
84.372.081.55552619
105.142.652.21512722

  总结以上分析结果,归结为两个认识,一是从各时期多年平均来看,来沙变细了,二是相同来沙条件下泥沙组成没有明显趋势性变化。似乎两者是矛盾的,其实关键在于沙量的变化。黄河汛期的来水来沙量大量减少,干流各站1986年以后的年均沙量仅为1968年前的20~50%,由图2龙门站可见,1986年后的点子基本上都集中在图的左下方,大沙量很少。泥沙组成规律是,沙量越大粗泥沙比例越高,沙量越小细沙比例越高,1986年后在来沙量大大减少的前提下,细沙比例增高,来沙粒径变细就不足为奇了。进一步研究了典型支流窟野河、皇甫川、孤山川、无定河、渭河、汾河的泥沙组成变化特点,由图2可见,正因为泥沙组成规律未变,才形成来沙变细这一结果。可以设想,如果河龙区间发生大面积大暴雨而大量产沙的话,泥沙组成还有可能变粗。

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参 考 文 献水利论文&r1a |Qvf o

[1] 黄河水沙特性变化综合分析。黄委会水科院,1998.12.水利论文!s7[1t&Qx$F}3H f

[2] “八五”攻关专题报告“拦减粗泥沙对黄河河道冲淤变化影响”。清华大学水电工程系,1995.12.水利论文(XYQ g eCwQ

[3] 胡一三。中国江河防洪丛书。黄河卷。黄委会,1996.8.

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[4] 黄河流域水土保持研究。黄委会水土保持局,1997.9.

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