庆城县黑河大峡谷河床演变趋势分析

田亚兰

（甘肃省庆阳水文水资源勘测局，甘肃庆阳745000）

根据《中华人民共和国水法》《中华人民共和国防洪法》《中华人民共和国河道管理条例》《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》等有关法律法规，在开展防洪影响评价时必须对河床演变趋势进行分析。本文就庆城县黑河大峡谷河床演变趋势进行了分析。

1 流域概况

庆城县黑河大峡谷位于庆城县太白梁乡巴山村大黑河支流小黑河。黑河发源于环县演武乡路家塬村，东南流经环县吴城子、庆城县冰淋岔后于董志巴家嘴汇入蒲河，在宋家坡汇入泾河。小黑河属于黑河一级支流，黑河属于蒲河的一级支流，蒲河和马莲河又是泾河的一级支流。黑河流域面积786.15 km2，河长62.7 km，其中庆城县内流域面积536.01 km2，河道平均坡降7.6‰。根据黑河太白梁水文站多年实测资料的统计，黑河多年平均流量为6.67 m3/s，多年平均径流量为2.012亿m3，多年平均含沙量为236 kg/m3，多年平均输沙模数为7 700 t/km2，防洪标准为10年一遇洪水重现期。

2 河道历史演变概况

黑河大峡谷所在河道为大黑河支流小黑河河段主沟道，其河床演变比较强烈、频繁，主要是由自然因素引起的横向演变和纵向演变。在忽略人为因素影响的条件下，黑河河段的演变主要是在暴雨条件下的淤积和冲刷。黑河河道分布在山区，坡度较大，所处地区一旦发生暴雨，径流系数大，因而具有洪水汇流时间短、洪水猛涨猛落、变化迅速的特点。流量变化大、持续时间短，洪水切冲沟壑、挟裹泥沙、淤积河床，长期以来河床的横向演变相对剧烈，左右摆动较为频繁，且周期短。河床下切较严重，沟谷切深和沟头延伸速度较快。黑河大峡谷位于小黑河河段中游位置，左右河岸因常年冲刷，河谷下切与主河道形成陡坎，由于上游位置河道比降大，河床结构相对不稳定，水流对其冲刷作用较大，河道演变较为明显。

3 河道近期演变分析

3.1 河道现状

小黑河河道中上游段的纵向稳定性比中下游段稍差，但多年来年际之间和年内冲淤基本平衡，河道纵断面变化较小。由于没有该河段逐年实测的断面资料，尚不能确切分析其变化趋势。依据本次实测断面进行河相关系定性分析，推断河段的近期演变。

黑河大峡谷所在区域地势北高南低，大致由西北向东南倾斜，群山连绵，梁卯交错，沟壑纵横，属典型的黄土高原丘陵沟壑区。黑河大峡谷所在沟道长期受洪水影响，处于不稳定状态。本次分析在小黑河河道内选取梯田花海断面、昆虫园断面、旋转扶梯断面、入口步道断面、阳光沙滩上断面、阳光沙滩下断面共6个横断面，各水文断面的布设见图1。

图1 庆城县黑河大峡谷水文断面布设示意图

3.2 河道演变参数分析

3.2.1 造床流量 河道形态及河势稳定与造床流量密切相关。造床流量下的造床作用最大，该流量是指在洪水期较大但并非最大的洪峰流量。本次分析对各控制断面以2年一遇洪峰流量为造床流量，计算造床流量下的水面宽和平均水深。计算结果见表1。

表1 小黑河控制断面造床流量及河相关系计算成果

3.2.2 河相关系 断面河相系数表达式ξ=B0.5/H，其意为在造床流量下的河宽B与平均水深H之间的比例关系。根据黑河大峡谷河道典型断面造床流量对应的河宽和平均水深计算，黑河大峡谷河段的河相系数为0.72～3.96，属于稳定河段。

3.2.3 稳定河宽 在河道演变分析中用稳定河宽来判断河段是否稳定，并依据稳定河宽确定治理河宽（治理河宽=1.5～2.5倍的稳定河宽）。常用阿尔图宁公式计算稳定河宽。

式中，B为造床流量相应河宽，单位为m；Q为造床流量，单位为m3/s；J为造床流量下的水面比降，用‰表示；A为稳定河宽系数，取值范围为1.1～1.7。本次评价根据各河道典型断面的形态特征，稳定河宽系数A的取值为1.1。计算得到各断面稳定河宽见表2。

表2 小黑河控制断面稳定河宽计算成果

通过计算可得黑河大峡谷各断面的稳定河宽为22.24 m，与当前实际河宽（20.56～45.59）有一定差距，表明在天然状态下该河段在较长时间的水流冲刷演变过程中，河岸边坡稳定性较差。

3.2.4 稳定系数

3.2.4.1 纵向稳定系数。河床纵向稳定系数用下式计算。

式中，ψh为纵向稳定系数；d为河床平均粒径，单位为mm；H为平均水深，单位为m；J为比降，用‰表示。

纵向稳定系数h的大小仅表示泥沙运动的强弱。泥沙运动越强，河床变化越剧烈。稳定系数可作为判断河流泥沙运动强度和沙丘运动引起河床变形强度的依据。h值越大，泥沙运动越弱，河床越不易变形；相反h值越小，泥沙运动越强，河床越易变形。因此，该系数仅体现河床底部的稳定性，并不能体现河岸稳定性。

河床质粒径级配成果见表3。河道断面比降采用实测值，糙率根据河道断面情况查表得到。现场实地采集河床质样，室内筛分分析粒径，并绘制粒径级配曲线（见图2）。计算得出断面河床纵向稳定系数为0.08～0.38（见表4），河段河床稳定性相对较差。3.2.4.2横向稳定系数。影响河岸稳定性的因素主要是河岸泥沙土壤的抗冲能力，其次是滩槽高差。河岸的稳定性用阿尔图宁的稳定河宽系数的倒数表达。

表3 小黑河控制断面河道砂（卵）砾石粒径级配成果

图2 小黑河步道断面河床质粒径级配曲线

式中，φb为横向稳定系数；Q为造床流量，单位为m3/s；B为稳定河宽，单位为m；J为比降，用‰表示。横向稳定系数φb越大河岸越稳定，φb越小则河岸越不稳定。经计算黑河横向稳定系数为0.91（见表4）。一般泾河流域河流的横向稳定系数为0.63，表明各断面河段河岸稳定性较差。

表4 小黑河控制断面纵、横向稳定系数

3.3 河道演变趋势分析

按照河道演变规律，黄土河谷区河流地形一般比较开阔，河道在长期水流作用下易形成宽浅河流，河流平面形态的变化主要受人类活动的影响较大。通过对黑河大峡谷所在河段河道演变情况的调查和分析计算可知，在天然状况下该河段沟道平面变化不大，纵向变化相对稳定，横向变化不稳定。随着国家中小河流治理规划的实施，河道两岸堤防、护岸、疏浚、流域水土保持工程的建设及对河道的严格管理，对稳定河流断面和有效控导河势将起到积极的作用，也有助于加强河流的横向、纵向稳定性。

河床演变参数分析表明，总体上各河道断面纵向稳定性较好，横向稳定性较差。当前小黑河河道槽滩多不分明，河槽宽窄不一（20.56～45.59 mm）；洪水期主流易在河槽内摆动。黑河大峡谷河段河床表层土质松软，河槽易受水流冲蚀而左右摆动。

4 结语

通过对黑河大峡谷河道历史演变、近期演变以及演变趋势的分析，掌握了黑河大峡谷河床的演变规律。该河段在中小河流治理规划工程的调控下，其未来演变趋势将会处于冲淤平衡状态。