2020年11月第42卷第6期1地下水
Ground water
Nov. ,2020
Vol.42 NO.6
D01：10. ki.DXS.2020 -06 -050
荆立祥
(甘肃省张掖市高台县三清渠水管所，甘肃张掖744300)
[摘要]淤沙河岸崩塌模式表现为“河岸坡脚淘刷侵蚀-河岸失稳-崩塌淤床-水流输沙”的复杂过程。本 文基于BSTEM(Bank Stability and Toe Erosion Model)河岸稳定性模型，根据黄河上游典型塌岸观测资料，得出了典型 塌岸观测河段的塌岸侵蚀量，并与实际观测值进行对比验证。本项研究成果对探究黄河上游泥沙来源、计算塌岸入 黄泥沙量具有重要意义，并为河流动力学、土壤侵蚀学及沙漠学等学科的交叉发展做出有益探索。 [关键词]黄河上游；宽谷河段；风沙堆积河岸；塌岸侵蚀量
[中图分类号]TV14 [文献标识码]B[文章编号]1004 -1184(2020)06 -0152 -03
塌岸是河道水流与河岸边坡交互作用的结果，水流冲刷 侵蚀河岸导致河岸边坡变高变陡，河岸稳定性下降；河岸坡体的物质组成和结构决定了河岸的抗冲刷能力[1]。塌岸几乎存在于世界上所有的江河海岸，如美国的密西西比河下游、欧洲的莱茵河，我国七大江河也普遍存在塌岸现象1'1。塌岸威胁江河大堤、岸边建筑物及农田的安全，它是河道泥沙的主要来源之一，是河床演变的重要影响因素，对航运造成不良影响维护黄河健康，保障下游“悬河”安全，减缓洪凌灾害及时开展研究，迫在眉睫。
1研究区概况
如图1所示，研究区属于黄河上游的下段，总长1080 km，平均比降0.25%«，该河段三河河口下游分布有毛不拉、西柳沟、黑赖沟、哈十拉川、东柳沟等十大孔兑。该河段是沙漠、河流交互演化过程的典型区域，形成了沙漠包围河流的独特地貌景观，气候敏感、生态脆弱、沙漠过程和河流过程交 织、风蚀和水蚀过程交错、风沙和水沙过程复合，分布着我国 乃至世界上地表风水复合侵蚀强度最大的区域。
图中水文站从上游到一下依次为：下河沿、青铜峡、石嘴 山、磴口、巴彦高勒三湖河口、头道拐。
2研究方法
淤沙河岸崩塌侵蚀主要由水力侵蚀和重力侵蚀两部分组成。水力侵蚀：河岸坡脚受水力淘刷作用，一方面直接带走河岸泥沙，另一方面改变了河岸形态导致河岸变高变陡，降
低了河岸稳定性；重力侵蚀：河岸含水量的变化及河岸形态
的变化引起河岸本身物理和化学性质的改变，导致河岸土体
的抗滑力小于下滑力，河岸在重力作用下发生崩塌侵蚀。
BSTEM模型基于水动力学一土力学方法判断河岸稳定
性，同时模拟了河岸坡脚由于水力淘刷作用导致的侵蚀及河
岸土体由于重力作用导致的崩塌过程，包括河岸坡脚侵蚀模
块（Toe Erosion Model)及河岸稳定性模块（Bank Stability)，
前者用来预测水力侵蚀引起的坡脚侵蚀速率及侵蚀量，在给
定时间步长内经计算返回坡脚侵蚀后的坡面形态，后者采用
经典的极限平衡法计算稳定系数，判断河岸是否稳定，它能
够输出单次河岸崩塌的侵蚀量及崩塌后的河岸形态[4~为
了计算连续时间段内多组水流条件的塌岸侵蚀量，本研究对
该模型进行了如下两方面的修正：！）根据安全系数确定每次
河岸崩塌的时间步长；2)考虑上一阶段河岸侵蚀对下一阶段
侵蚀的影响，在给定初始河岸形态和多组水流条件及持续时
间等数据后实现模型的循环计算。
1) 基本参数。河岸形态参数：河岸几何形态的确定有两种选择，第一种选择需要有河岸的详细坐标，包括河岸边缘
点、河岸顶点、坡脚顶点、坡脚基点及河床末端点在内的5 ~
23个坐标点；第二种选择需要输人岸高、坡度、坡脚长及坡脚
坡度。河岸物质组成参数：为了精确研究河岸物质组成对塌
岸的影响，在模型中可将河岸分为5层，分别输人每层物质
的属性，包括平均粒径、容重、有效粘聚力、有效内摩擦角。
水流及河道参数包括河道长度、河道比降、水位、水位持续时
间。
2)坡脚侵蚀模块。坡脚侵蚀采用剩余剪切力原理，即当 水流平均剪切力大于土体的抗侵蚀力时，土体被侵蚀，侵蚀
宽度用下试计算[2]:
AB = k x A t x (t-t c)(1)
式中：A B为侵蚀宽度，m;k为土体的可蚀性系数，
甲烷燃料电池
m3/N s，根据H an san实验取值K =0. I x 10_6;A t为时间步
长；T为水流的平均剪切强度，P a；土体的临界抗剪强度，P a,
当平均粒径d<2m m时，采用经验公式取值0.71 d。
陈宝成事件
[收稿日期]2020 -07 -03
[作者简介]荆立祥（ 1968 -)，男，甘肃张掖人，高级工程师，主要从事水利工程建设与施工工作。
152
-------河段1
—河段2 ------河段3
....
0.2 I -----------------------------§1-8/4
8/9
8/14
8/19
8/24
8/29
9/3
9/8
图 3
磴口地下水位
3.3计算结果
采用以上磴口河段实测数据，首先应用B S T E M 模型判 别河岸稳定性。河岸形态输人时采用第二种输入方法，输入
岸髙、坡度、坡脚长及坡脚坡度，河岸模拟形态如图4所示, 分别为对应实测数据中的四类河岸形态，岸高在1.7 ~3.3 m 之间，坡度大于80°。
由于B S T E M 模型中坡脚侵蚀模块和河岸稳定性模块分 开进行，坡脚侵蚀的时间步长越大，坡脚侵蚀量越大，河岸安 全系数越小。本文坡脚侵蚀的时间步长由试算法确定，即通 过假设不同的时间步长计算安全系数，采用安全系数等于1
河段 汛前水深 汛中水深 汛后水深1 1.600. 100.602 1.870.120.803 2.000.30 1.004
2.57
0.45
1.30
河道水深采用钢尺直接测量的方式，每类监测断面测量
虻科三组数据，测量时间分别为汛前2011.5.27 - 201 1.6. 2，讯 中 2011.7. 14 -2011.8. 17，汛后 2011.9. 16 -2011.9. 28。
汛前和汛后河道水位变化较小，地下水位与河道水位持平; 汛期河道水位变化快，河岸地下水位采用孔隙水压计法测 量，每类监测断面埋设一组K X R 系列振弦式孔隙水压力计 进行实时监测，共埋设四组，每组4个探头，相距5 m ，埋深1 ~ 1.5 m 。地下水位计算公式如下[51:
h 地下=h 埋深_ f
( 2 )提高口语表达能力
式中：
为地下水位距地表距离，m ;h wai为孔隙水压
计埋深，m ;P 为被测孔压计的压力值，M P a ;y 为水的容重。
P = k (f ? -f 〇)
(3)
式中：K 为孔压计的灵敏度系数，M P a /H z 2;f 。为孔隙水 压计的初始频率值，H z 2 J 为孔隙水压计工作频率值，H z 。
表
3
磴口河道水深
m
表2
磴口河岸物质参数
距地面深
/m
平均粒径
/m m
容重/K N /m 3粘聚力
/k P a
内摩擦角
/°0. 30.03318.9 5.326. 50.90.03418. 8 4. 827. 21.50.03119. 1 5. 126.92.50.03519. 1 4.727.5计算取值
0.033
19.0
5.0
27.0
3)河岸稳定性模块。图2所/下为河岸受力示意图，定义 安全系数为抗滑力与下滑力之比，当安全系数大于1时，河 岸稳定；当安全系数等于1时，河岸处于临界状态；当安全系 数小于1时，河岸发生崩塌。计算公式参考[3]。
图2
淤沙河岸受力分析示意图
(重力W ，静水压力P ，孔隙水压力U ，基质吸力S ，张裂 缝静水压力V )
采用B S T E M 模型计算塌岸时，首先输入基本参数，然后 运行坡角侵蚀模块，返回新的坡面形态，运行河岸稳定模块, 如果安全系数小于1，则输出本次崩塌体积与河岸后退距离, 否则不发生崩塌;4]。
3
计算结果
3.1 野外监测
磴口监测点位于内蒙古巴彦淖尔市，属于黄河流经河套
平原段，靠近三盛公水利枢纽，位于其下游，距离下河沿485 k m ，监测河段长3 k m 。河岸物质组成平均粒径0.033 m m 左
右，为均质粘性河岸，河岸坡度大，接近垂直，河岸高度低，一 般2 m 左右。磴口降水量小，年降水量在100 ~ 200 m m 之 间，秋末冬初由于河套平原灌溉需水量减小，河水全部进入 主河道流往下游，出现由需水量变化导致的水位升高现象, 诱发塌岸发生。
该河段属于典型的淤沙河岸，交通便利，监测方便，数据 充足。监测时段为2011年和2012年两年，监测指标包括: 1)河岸条件：坡度、岸高、粒径级配、容重、含水率、内摩擦角、 粘聚力；2)水动力条件：水深、流速；3)塌岸特征：塌岸形态、 塌岸过程、河岸后退距离。监测时间包括：汛期前5 -6月， 汛期7-9月，汛期后10-11月。
3.2参数取值
河岸形态参数包括岸高和坡度，在监测河段沿水流方向 每隔50 m 设置监测断面，共设置61个监测断面，采用坡度 仪和钢尺测量岸高和坡度。为了便于计算，将得到数据经过 统计后分为四类，如表1所示。每类监测断面用环刀和土钻 取样三组，采用激光粒度仪法分析粒径特征，剪切试验测定 土体内摩擦角和粘聚力，测得数据如表2所示。
表1
磴口河岸形态参数河段岸高/ m 坡度/°坡脚长
/m
坡脚坡度/°岸段长/ m 1 1.70850. 50458002 2.00850.70501 1503 2.50850.60557504
3.30
80
0.65
50
300
153
时的时间步长进行模拟计算。
输出坡脚水力侵蚀后形成的新的坡面形态，输入地下水位和张裂缝数据，运行河岸稳定性模块。模拟崩塌形态与实际观测一致，坡度较大，崩塌体沿平面滑塌或直接翻转入河，与O s m a n等研究相符。累计31.93 h m2，侵蚀量累计88.78万t，模拟河段长3 k m，则六个月内单位长河岸侵蚀量为29. 59万t/k m，大于乌海河 段的年侵蚀量。
该研究同时采用现场控导线法测量河岸崩塌后退距离，每个监测断面定粧布设控制基准线，通过对比崩塌前后河岸 线距基准线的距离确定河岸后退距离。表4显示了河岸侵蚀后退距离的实测值。通过比较塌岸引起河岸后退距离的
计算值与现场控导线法实测值，计算值略小于实测值，误差 小于10%。据磴口县巴镇旧地村统计资料显示，磴口河段年 塌岸引起的土地损失达500亩，根据模型计算塌岸侵蚀面积为31.93 h m2，约合480亩，计算值约等于年平均值，该计算 方法可以用于淤沙河岸塌岸侵蚀量的i t■算。
4结语
淤沙河岸塌岸侵蚀量的计算在现有的河岸稳定分析模型 B S T E M基础上进行了修正，明确了河岸崩塌的时间步长的确定方法，考虑了上一阶段河岸侵蚀对下一阶段的影响，使 其不仅可以判断河岸稳定性，并且可以在给定初始河岸形态和多组水流条件及持续时间后计算塌岸侵蚀量。通过实例 计算与实际测量值对比验证，结果显示该方法适用于淤沙河岸的塌岸侵蚀量计算。
参考文献
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究综述[J].泥沙研究.2001. (6) :71 -78.
STATTCNCM) STATICN(M)
图4河岸形态模拟
表4塌岸侵蚀量计算值与监测值对比
河段
侵蚀
宽度/m
侵蚀面
积/hm2
泥沙
重量/万t
侵蚀宽度
实测值/m
误差
1133.210.6626.74145.59.23
296.011.0430.30102 6.25
3100.57.5420.79108.57.96
490.02.7010.9597.58.33
合计-31.9388.78--
输出河岸崩塌后的坡面形态，进人下一阶段模拟。本文
模拟时段为2011年5月15日至11月15日，累计六个月。
计算结果如表4所示，河岸崩塌后退距离约100 m，侵蚀面积
B3L3cJL D!zJlzicJL z)cJL3cJL n cJL3cJL z ic JL3tU U3c JL zJ cJL3c JU JcJL=|[z]L3cJ L3c JC a aC=
i.c JL=i.n JL3iz JL i]cJL z)c JL u cJL3c Jla cJL3c JL=i.c JU icJL3C JL3cJL z icJL z ic JL zic JL3cJL3C JL3cJL z icJ ln i=JU c JL3C JL3C JU]C JU C J L iicJ.L=i n j l a d J U cJL u cu
(上接第126页）
调整作物种植结构，普及高效节水农业、推广智能节水灌溉，严格取水用水制度，彻底纠正过去农业粗放经营、大水漫灌 的传统做法，改变地下水无节制超采、滥采的无序局面。以此减少该区农业庞大的用水数量、科学地提高用水质量，有 步骤地减缓用水压力，间接为淀区水污染和生态地质环境治理修复做贡献。
(4)雄安新区的生态地质环境问题存在由来已久，它的形 成是一个系统的、综合性的社会问题。冰冻三尺非一日之寒，如根深蒂固的传统观念、多年形成的生活陋习、淡薄的环境保 护意识等，都有其深远的历史渊源和复杂的社会背景，这些思 想意识形态领域问题的解决需要有个时间过程。因此，实施该 区环境治理和生态修复，是一项十分复杂、投入巨大，而又需要 科学有效治理模式的系统工程，不单单是靠财力的支撑和行政 手段的干预所能彻底解决得了的。故对解决雄安新区的生态地质环境问题要有长期应战、常抓不懈的思想准备。
海员培训参考文献
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[11 ]中共河北省委，河北省人民政府.白洋淀生态环境治理和保护
规划（2018 -2035年）.2019.01.
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