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对黄河下游游荡性河道认识的重大突破
http://www.irtces.org    2004年12月14日10:16     

(黄河水利科学研究院 邮编450003)

        钱正英副主席早在1988年他就指出:“在整治河道这个问题上,我感到近些年来对下游河道也有很大的突破。除了利用淤临淤背加固堤外,黄科所同志提出利用窄深河槽输送高含沙水流,以及进一步调节中小流量减少淤积等问题,都值得进一步研究。因为这些问题如果能够得到突破,那么对于下游河道输沙所需要的水量,以及输沙的能力都可能有很大的改变。现在输沙所需要的水量,据我所看到的资料,是10立方米/吨,到30立方米/吨,就是说,每输送1亿吨泥沙入海,有些认为需要30亿方水,有些认为需要10亿方水。现在拟定的输沙水量是200—240亿立方米,其中非汛期为80—100亿立方米。对输沙用水和河道输沙能力的各种意见,应当给予重视,希望规划中能尽可能的提出评价性意见,并提出今后的努力方向。”

        由于近年来,随着对黄河输沙规律认识的深入,对各种水库调水调沙运用方式的适应性的认识也更清楚,为此黄河下游河道的治理方向也更加明确。认真总结治黄的历史经验,会使今后的治黄工作少走弯路。千万不要忘记黄河及黄河流域的基本特性。

        50年代曾提出正本清源治黄方略。然而,几十年的治黄实践说明,黄河不可能清,也没有必要清。说不可能清:是因对水土保持的长期性,复杂性,艰巨性应有充分的认识。说没有必要清:是因黄河下游河道存在着很大的输沙潜力。水土保持完全生效后,黄河年均来沙量仍有8亿吨,利用河道输沙入海是治黄中一项长期的而艰巨的重要任务。

        1.黄河水少沙多,水沙不平衡,调节水沙是关键

        在拦、排、调、放、挖中调是核心,是关键。我同意韦直林老师关于黄河水沙变化趋势是不可逆转的分析,只有把泥沙调到洪水期输送才能利用下游窄深河道“多来多排”的输沙规律多输沙入海;只有把泥沙调节成含沙量较高时输送才能节省输沙用水。

        我们对调水调沙研究表明可分以下三种类型:

        A、改变水沙搭配,利用洪水输沙,使下游河道少淤或不淤,三门峡水库的“蓄清排浑”,小浪底水库的泥沙多年调节,利用洪水相机排沙均属此类,其潜力最大。

        B、调节下泄流量过程,人造洪峰,用60~70方水冲一吨沙,且百分之70~80在高村以上。在小浪底水库淤满30亿立米死库容之前,不能利用洪水高效排沙时,在丰水年可多造峰冲刷下游河道,但不可靠它解决黄河下游泥沙游积问题,使其成为地下河。

        C、同时调节流量与水沙搭配,多库联合运用。如三门峡与小浪底水库的联合调祘表明,在利用洪水排沙时,可使小浪底水库提前放空,大幅度提高泄空冲刷效率。

        河流的来水来沙条件是塑造河道特性控制条件,是改造下游河道的关键,而河道整治只是改变河道的边界条件。

        2.当前下游防洪中存在最突出问题

        2002年7月小浪底水库调水调沙期高村以下流量1800m3/s开始漫滩,濮阳滩区受淹,形成明显的“小水大灾”。

        2003年小浪底水库下泄2600m3/s,在蔡集上首滩地坐弯,冲垮生产堤淹没河南山东滩地19万亩,影响人口14万。惊动中共中央,类似的灾情今后不该发生。

        造成大灾的主要原因是游荡性河段河槽极为宽浅,河势不能得到有效控制与二级悬河的普遍存在。

        3.二级悬河形成的根本原因

        二级悬河与一级悬河产生的原因相同。均是因形成游荡性的来水来沙条件,小水挟沙过多,河槽连年淤积而又不能摆动,是造成二级悬河的根本原因,生产堤的存在不是产生二级悬河的主要原因。

        通过洪水期河床冲刷与滩地清水回归主槽过程分折,说明主槽冲刷与漫滩淤积间没有必然联系,洪水不漫滩河槽仍可发生冲刷。在动床试验中可清楚的看到,在洪水漫滩后在滩唇很快形成自然堤,漫滩的清水缓缓的流动,看不出滩槽水流交换,在洪水降落主槽水位下降后,清水才回归主槽,此时河槽均处于淤积状态。

        4.宽河固堤与窄河固堤思想的历史背景

        新中国成立后宽河固堤是正确的,利用河南宽河段滞洪滞沙,削减了洪峰战胜了1958年的特大洪水。龙羊峡、刘家峡等大型水库投入运用以后,上大洪水的峰与量也都有很大的削减。三门峡、小浪底等干支流大型水库投入运用,进入下游洪水的峰与量也相应地减小,不管黄河中游来水来沙如何变化,都要通过小浪底水库调节进入下游,按泥沙多调节运用,可以使绝大部泥沙调节到洪水期输送。

        温善章、赵业安等从社会发展,经济效益等多方面分析后,提出的窄河固堤的思想。他们主张把生产堤变成临黄堤,现在的黄河大堤作为第二道防线,同时在滩区兴建横堤,分段蓄洪,以减少洪水漫滩造成的淹没损失。

        需要说明的是他们提的 “窄河”固堤,若只是把大堤的间距缩窄了,过水的河槽仍是宽浅的,同样无法稳定河势与提高河道的输沙能力,仍不能解决下游河道存在的主要问题。

        5.宽河是造成横河,斜河的主要原因

        游荡性河道河槽宽浅,一则对水流约束作用差,河势变化呈随机性。二则是由于河道在2~3公里范围经常摆动,形成河床中耐冲的粘土夾层与易冲的粉沙分布十分复杂,洪水不能沿着最大比降方向流动,极易形成横河、斜河。1983年在化工控导与大玉兰控导之间河势失去控制,发生钻裆的严重险情,2003年蔡集出险就是这样造成的。在2003年6月在蔡集工程上游1000多米主流遇粘土抗冲层开始坐弯,形成畸形河势,在中水流量2600秒立米常时间作用下,引起河势不断下挫,并右倒直冲蔡集34、35坝,造成蔡集工程出大险,直至冲垮生产堤。

        6. 束水攻沙

        潘季驯在几百年前虽然提出束水攻沙的主张,修建堤防,减少洪水的淹没范围,排洪输沙入海。但在以前的历吏条件下无法实施。钱宁1965年针对束水攻沙的治河思想指出,要把全部泥沙输入大海,避免河道淤积,要使各级流量挟沙不淤,在平滩流量5000秒立米时,河宽为512米,显然在来水来沙条件没有改变之前,把几公里宽河道缩窄到半公里以内,在技术上谈何容易。

        7.对河道输沙能力认识的突破~窄深河槽有很强的输沙潜力

        窄深河槽是指随着流量增大,宽深比减小的河槽。河宽的縮窄会使水深、流速增大。

        在卄世纪60年代麦乔威、赵业安、潘贤娣,刘和清等人发现黄河下游洪水期输沙特性存在着窄深河道多来多排、宽浅河段多来多排多淤、主槽多来多排而滩地多淤。不仅全沙如此,造床质泥沙(d>0.025mm粗泥沙)也存在着同样的输沙规律。

        在卄世纪80年代,对黄河干支流不同河段的高含沙水流输沙特性的对比分析表明,窄深河槽有利于高含沙水流输送,造成高含沙洪水在黄河下游河道严重淤积,和在输送中产生异常现象的主要原因是河槽极为宽浅。适宜输送的含沙量不是低含沙量,而是含沙量大于200多kg/m3的高含沙水流。目前的山东河道在流量2000-3000m3/s,不仅可以输送实测含沙量小于200 kg/m3的洪水,待含沙量增加到400~500kg/m3时,会更有利于输送。

        造成河道多来多排的机理,在低含沙水流时是因水流的流速达到1.8~2m/s,床面进入高输沙动平整状态。对高含沙水流而言,是因为黄河泥沙组成细,含沙量增高后流体的粘性增大所致。实测河道输沙特性分析表明利用洪水排沙,水库不必拦粗排细。当河流的来沙主要由高含沙洪水输送,而造成塌滩的清水洪峰很少发生时,可塑造成窄深稳定的河流(北洛河模式)。

        8.高含沙水流产生问题

        水库水位骤降,造成淤土易滑动的固有特性是造成高含沙水流的力学基础,水库虽然有大小,但淤土的性质是相似的。由三门峡水库2003年汛初泄空后资料分折,可产生300~500kg/m3高含沙水流,利用洪水排沙有可能

        9.利用高含沙特性输沙是一种比较理想的技术途径

        钱宁开创的高含沙水流的特性研究表明,由于黄河泥沙组成比较细,含沙量的增加,引起流体的粘性增加,使粗颗粒的沉速大幅度降低,含沙量在垂线上的分布更加均匀,而河床对水流的阻力并没有增加,仍可利用曼宁公式进行水力计算。

        利用高含沙特性输沙是一种比较理想的技术途径。因此为小浪底水库进行泥沙多年调节,利用洪水排沙入海提供了可能。

        10.小浪底水库泥沙多年调节  

        在黄河“八五”攻关中,首次对小浪底水库泥沙多年调节,利用洪水排沙运用方案进行了较详细的方案计祘,初步制定了水库运用原则。因此,小浪底水库的运用方式由初期的削减高含沙洪水发展到利用洪水排沙。

        近年来的深入研究表明“八五”攻关中得出的基本认识是正确的[10],利用小浪底水库进行泥沙多年调节,可使黄河水资源得到充分的利用,输沙用水较规划的200亿m3~240亿m3,可节省四分之三,且均排在丰水年洪水期,小浪底无法调节利用的平枯水年份取消输沙用水。三门峡与小浪底水库联合运用可提前放空小浪底水库,大幅度提高了泄空冲刷效率。

        在小浪底水库建成后,把游荡性河道治理成窄深、规顺、稳定的排洪输沙通道是唯一的选择的呼声渐高。

        11.缩窄河宽有利于冲刷向纵深方向发展

        下表的计祘结果表明,过水面积相同,河宽500米时过流能力比河宽3000米时的过流能力大一倍。缩窄河宽有利于洪水期冲刷向纵深方向发展。

        12.游荡性河道进一步整治对下游窄河段影响

        由于底沙的运动状况决定了河床的冲刷或淤积,其运动速度远小于洪水波的传播速度,因此洪水在几百公里,甚至上千公里长,比降变化甚至相差十倍的冲积河道中均可产生强烈冲刷。游荡性河道进一步整治后,将会增加下窄河段洪水的造床和输沙作用。造成艾山以下河道淤积的主要是小水挟沙过多造成的。

        13.双岸整治方案的治理目标                                

        游荡性河道之所以难治的根本原因是河槽极为宽浅,河势变化的随机性,造成横河、斜河,钻裆等出人意料的险情。有了稳定的中水河槽不仅可以控导河势,同时可以提高河道的输沙能力,多输沙入海。游荡性河段比降陡,无法通过河床自动调整达到河岸的稳定而提出双岸整治。1966年张瑞瑾先生提出把治理成“宽滩窄槽”的设想。

        治理目标是形成窄槽宽滩,窄槽用于排洪输沙,宽滩用于特大洪水时滞洪削峰,并没有强调窄河固堤,但若主槽能迅速刷深,漫滩流量迅速增大,漫滩机会大幅减少,自然形成窄河。

        14.整治河宽采用实测流量与水面宽下限值是600m

        历年游荡性河道整治河宽:

        1922年美国水利工程师费礼门提出整治河 宽约为538m。

        1946年严恺院士:500m 。利用对口坝双岸整治,比降万分之一河道能通过的流量在比万分之二的河道中自然能通过(河宽、水深相同时,两者差百分之四十一)。

        葛罗同、萨丹奇、雷巴特对整治河宽500m表示赞同 。

        1950年代后期,河道的整治槽宽定为600m,位山以下定为400~450m。

        以上建议由于受历史条件的限制,在当时无法实现,现在小浪底水库建成后,为实施这些建议提供了可能

        整治河宽应根据泄洪与排沙时河槽不淤积而定。如整治河宽600米是按小浪底水库利用3000秒立米洪水排沙时河槽不会淤积。在清水冲刷期起护滩作用,使冲刷向纵深方向发展。

        15.窄深河槽的过洪机理:

        从1958年特大花园口站、洛口站,洪水过程线与河底高的变化过程可知,涨水期河床不断冲刷,落水期河床不断淤积,最大洪峰时河床最低,过流能力最大,是造成窄深河槽过洪能力大的主要原因。

        16.应按大水较顺直河势布置整治工程

        为了有利于排洪输沙河道整治规划治导线应按大水河势布置。由于设计者企图人为建造河弯,使本来顺畅的河道变得弯弯曲曲。按小弯布置河道整治工程,流路变得弯弯曲曲,不利于排洪输沙。在世界上多沙游荡性河流整治成弯曲性河流尚无成功先例。

        阿姆河下游是世界上与黄河下游游荡段最为相似的多沙河流,在1981年的治理规划中由原来的弯曲整治改为双岸整治,其主要原因是变弯曲整治方案存在着无法克服的缺点,小水河势上提,大水时下挫,河势无法稳定。与黄河得出的认识基本相同,控导工程虽不断的上延下接,还无法有效的控制河流的摆动,仍会出险。

        整治河宽的减小,对于双岸整治方案而言,可以增大单宽流量,增加河槽的输沙能力;而微弯整治方案,规划的流路更加弯曲,不利于输沙排洪,并未引起足够的关注。

        17.双岸整治动床模型试验

        通过花园口~夹河滩河段双岸整治动床模型试验,在黄委会设计院提供15年系列的小浪底水库泥沙多年调节的运用条件下,试验河段整治河宽采用600m,能够在3~5年的清水冲刷时间里,双岸整治工程控制滩地的坍塌,河槽展宽,河势流路稳定,平滩流量由试验前期的3000~4000m3/s增大到6000m3/s以上。

        在后的十年小浪底水库利用洪水相机排沙运用期,百分之八十至九十的泥沙由流量大于2500秒立米洪水挟带的情况下,河槽宽度虽有所缩窄,主槽输沙能力明显提高。在清水冲刷,洪水输沙,少量小水挟沙的共同作用下,实现了河段输沙基本平衡,为主动减灾,河床不抬高抢造了条件

        18.双岸整治的技术支撑

        双治方案要求在主槽两岸构筑汛期不抢险,比较稳定的丁坝,这就需要在工程结构上有相应的技术支撑。

        传统的抛石抢险的工程结构是历史条件的产物,但随河道整治对程工的进一步要求,2003年9月蔡集控导抢险的被动局面使其缺点充分显示出来。近年来在河道工程整治结构上进行了许多探索和革新,土工织物沉排、长管袋沉排、插管桩坝、透水桩坝…做了大量的工作。钱塘江河口整治中采用桩式丁坝,汉江下游游荡性河道航道整治有护底的堆石潜坝,阿姆河一次将双岸整治坝头的设计抛石量堆放到位,汛期不抢险坝等新结构,新工艺都为黄河下游游荡性河道双岸整治方案提供了可资借鉴的技术支撑,为双岸整治付诸实施提了可能。

        19.应尽早明确游荡性河道的治理目标

        为了实现黄河下游河道不抬高,需要采取多种治黄措施。下游河道的治理也应围绕这个中心。为此首先要改变进入下游的水沙搭配,这是治理下游的关键。其作用往往不引人注意,如三门峡水库的“蓄清排浑”运用不仅避免非汛期小水挟沙淤槽,下泄清水后对河槽反而产生冲刷,有利于中水河槽的形成,对稳定河道的作用是功不可抺的。否则目前的河道整治不会有这样的效果,对此必须有足够重视。

        但是三门峡水库的“蓄清排浑”作用是有限的,尤其是不能适应黄河水沙变化的发展趋势,也不能充分利用下游河道可能达到的输沙濳力输沙入海,黄河的水资源也不能得到充分合理的利用。小浪底水库进行泥沙多年调节运用的作用,远大于三门峡水库“蓄清排浑”的作用,也是我们进行进一步整治游荡性河道根据。

        为此游荡性河道的治理目标应根据治黄的全局需要,尽早确定。治理目标确定后,究竞需要采取什么样的工程措施、方案,都要符合治理目标的要求,保证治理目标的实现。

        如只有把游荡性河道改造成窄深、归顺、稳定的排洪输沙通道,才有可能达到河床不抬高。若游荡性河道的治理还停留在减少洪水游荡范围,宽河段仍需保留滞沙作用,还要发挥“淤滩刷槽”的作用,总之不改变目前传统的治理方法,就无法实现黄河长远的治理目标。

        20.结语

        综上所述,必须形成窄槽才能保证防洪的安全;必须形成窄槽才能提高河道的输沙能力,充分利用下游河道在洪水期的输沙潜力多输沙入海,从而达到更好的减淤目的,…。由此可见形成有一定过洪能力窄深河槽是游荡性河道治理主攻目标。主槽过流能力增大了,洪水漫滩机会减少了,才能使黄河滩区人们与自然和谐相处。

        为了推动游荡性河道的整治进程,应在游荡最为严重的赵口至黑岗口河段进行试点,以试点带动科学研究,完善双岸整治中工程结构,施工技术,完善工程设计方案,取得经验后再推广。

 
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