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浅谈黄河下游河道不淤的可能性
http://www.irtces.org    2004年12月14日10:42     


     众所周知,黄河下游的河道淤积主要决定于来水来沙和河床形态,本文将从这两个方面根据研究成果与实测资料的分析,论述提高挟沙能力、减少淤积、增加冲刷、争取河道不淤的可能性。

     一、调水调沙的理论与实践

     根据上个世纪20年代至70年代黄河下游水沙资料及冲淤情况分析,我们曾得出这样的概念:多年平均进入江河下游的年均总水量500亿m3,总沙量16亿吨,水量在汛期与非汛期分配比例为6:4,汛期四个月平均流量3000 m3/s,非汛期八个月的平均流量1000 m3/s,泥沙淤积在河道内4亿吨,3/4的泥沙可以输送入海,汛期和非汛期分别为10亿吨和2亿吨,按此测算输送每吨入海沙量,汛期需水30 m3,非汛期需水100 m3。年均河道的输沙量,不但与水量有关,更重要的是流量的大小。从这一概念出发,人们有充分理由相信,如果将全年水量尽可能地集中下放,就可能大大增加入海沙量,减轻河道淤积。从而导致了人造洪峰的理论与措施。

     1.泥沙专家钱宁教授的论点与测算

     人造洪峰是利用水库调节天然径流,集中下放,形成洪峰用以加大河道的冲刷能力。水流的挟沙能力是和流量的高次方成比例的,在水量相同的情况下,集中下放就能比平均下放时的挟沙能力提高好几倍。根据黄河下游20世纪80年代以前的水沙冲淤关系,举例测算如表一。由表可见,冲刷每吨泥沙所需水量,决定于冲刷期的平均流量,在一定水量的情况下,平均流量与历时成反比,历时过长,河道冲刷,河床粗化,影响冲刷效率;历时过短,在洪水演进中,洪峰流量逐渐减少,冲刷作用降低,一般历时,在三五天之间较为合宜。

 

     2.三门峡和小浪底人造洪峰试验

     利用干流水库对水沙运行进行有效的控制和调节,既能发挥大水输沙能力强的特性、减少河道淤积,又能改善河床形态,增加主槽的平滩流量,对黄河下游河道整治具有重要意义。据此,进行了三门峡小浪底人造洪峰试验,成果见表二。

     由表可见,各次试验除三门峡1964年外,历时都太长,导致平均流量小,冲刷效果低。如将三门峡1963年历时缩短到1/3,流量增加到三倍;小浪底2002、2003两次试验历时缩短到1/2,流量增加到两倍,平均流量均可达到5000 m3/s左右,估计完全可以达到,或近似达到表一中吨沙冲刷的用水效果。遗憾的是,据说为了保护某些滩区生产和居住安全,淡化了水库的运用与下游防洪减淤的效益,如何权衡轻重得失,值得研究。

     需要说明,表中冲刷量由全断面全程统计,由于槽冲滩淤和上冲下淤的影响,淤积量抵消了部分冲刷量,如2002年试验,滩地淤积就达0.7亿吨。今后随着平滩流量的提高,滩淤减少,主槽冲刷的效果将更为显著。要避免上冲下淤,主要是花园口的水沙关系,钱宁认为应有足够的水量和流量;李国英曾在“人民黄河”2004年2月期刊上提出控制花园口水沙的经验公式,都是值得研究的。

     应当指出,表中所列试验都是在现状河床形态中进行的,如果考虑将来束水攻沙,窄深河槽的作用,总的冲刷效果还会大为增加。

     3.水沙多年调节的新概念

     多年调节是扩展年内蓄清排浑的措施,在年际间将枯水年的泥沙调节到丰水年洪水期排泄,利用其较大输沙能力,增加入海的沙量、减轻河道淤积;人造洪峰是利用洪峰冲刷作用,减少河道的淤积量。两者的目的是一致的,途径各异。

     黄科院的科研人员对1970至1996年的水文系列,在现状河道整治条件下,进行了运用方案及其减淤效益的计算。该26年按三门峡站的资料统计,年均水量333.4亿m3,年沙量10.5亿吨,最大年水量450亿m3,最大年沙量20亿吨,最小年水量250亿m3,最小年沙量5亿吨,汛期水量占54%,汛期沙量占94%。同期下游河道年均淤积1.95亿吨。

     运用方案经过分析,按水库调沙库容的不一样,在26年中利用洪水调沙的年分,分别为12年和16年。测算成果见表三。

     表中作为衡量水沙调节的效果以利津水沙为准测算其每吨入海沙量的用水量,有别于人造洪峰以起始的花园口水量为准测算每吨河道冲刷量所用水量。由表可见:

     不同时期的输沙效率,以每吨入海泥沙的用水量计,26年实测情况为27 m3,16年排沙期为16 m3,其中高峰期为10.7 m3,非峰期为22 m3,年均减淤效果1.56亿吨,与26年实测淤积量1.95亿吨相比,效果显著。

     水库调沙库容小,泄水机会多,单位泥沙的输沙水量大;反之,水库调沙库容大时,泄水机会少,单位水量输沙效率高。压缩泄水频次,提高排沙效果,更能节约水量。

     26年的减淤总效果,主要来自高峰期的排沙效率,但遗憾的是,高峰期的历时太短,仅占26年汛期总水量的20%,要增加历时,必须增加总水量。

     二、束水攻沙的河槽特性

     水流的挟沙能力,即每m3的水所能挟带的沙量以kg计,正比于流速的高次方。在相同过水面积的测算表中可知,挟沙能力的增加为流速增加的2.22次方;平滩流量由7400 m3/s提高到14400 m3/s,相应挟沙能力就由23.7 kg/m3提高到218 kg/m3,挟沙能力的增率4.5倍于流量增率;按扎马林公式计算,当河宽缩窄到六分之一时,相应挟沙能力就提高到九倍,束水攻沙的道理就在于此。

 

     窄深河槽不但束水攻沙,对防洪也有很多好处。根据曼宁公式,在河床比降与糙率不变的条件下,流量与水深的1.6次方相关,水深的增率与流量的0.4次方成反比,由表四可见,流量提高八倍左右,水深只提高四倍左右,水深相对于流量的变率只有50%,流量愈大,水深增长愈慢,水位更加平稳。虽然,河宽的减少,抵消了部分流量增加的趋势,但是随着河宽从3000 m降低到500 m,总的泄流能力却提高了一倍。窄深河槽无碍于洪水排泄。

     1958年花园口的水位流量关系显示,在不受相同过水面积限制的天然泄洪情况下,流量从5000 m3/s上涨到15000 m3/s,水位只上升一米,而主槽平均水深却由原来的1.94 m增长到4.82 m。同期山东洛口站流量从5000 m3/s上涨到10000 m3/s,水位升高2.9 m,主槽平均水深由6.7 m增加到13.1 m。水深的增率基本相当或接近流量的增率,水位的增值相当于水空增值的40%。山东河段相对于流量增长的河槽冲深速度大于河南河段,每增加1000 m3/s的流量,山东河道冲深1.3 m,河南只有0.28 m。窄深河槽的排洪能力具有更多的向下发展空间。这既是黄河洪水的特点,也是黄河防洪的优点,在下游河道整治中具有重要意义。

     最后,必须指出:本节除实测资料外,表四中有关数字与指标都受测算时的某些假定影响,与实际情况会有出入,甚至矛盾。敬请读者在应用或思考时,慎重对待。

     三、水流塑造河槽,河槽约束水流

     冲积河流的特性取决于流域因素,来自流域的水沙条件,决定了河床的形态与比降,左右河床演变;河床的形态与比降,反过来又决定水流的强弱与输沙特性,约束水流,两者之间既相互促进又相互制约,经过长期的反复互动,从而形成黄河下游当前相对平衡的基本河势。这种河势既是在经常性来水来沙与中小洪水时形成的,其适应范围也只限于类似条件。经不起特殊水情的冲击,这种冲击可以大幅度、短时间改变其状态。若非人工干预,它又会恢复到基本河势。

     1933年是黄河三门峡站有记录以来的最大洪水,洪峰流量22000 m3/s,最大含沙量519 kg/m3。孟津以下河道普遍漫滩,铁谢至高村河段淤积泥沙15亿吨,河床平均升高一米。大量淤积的同时,冲刷也很突出。黄河铁桥部分桥礅基础受冲,桥身摇晃,交通中断,参照1958年类似情况,桥下冲深当在5 m以上。淤滩刷槽同时并进。

     1973年8月,花园口洪水流量4000〜5000 m3/s,最大含沙量450 kg/m3,是月均含沙量的三倍。这场洪水迫使河床发生剧烈变化,以8月28日与8月31日实测断面对比,仅仅三天时间,河宽由3150 m缩窄到1000 m,最大水深由2.5 m增加到4.5 m以上,以窄深河槽替代了宽浅游荡性河型。

     1977年7、8月,花园口实测洪峰7500 m3/s,月均含沙量120 kg/m3,最大含沙量809 kg/m3。其断面形态的变化详见表六。

     由表可见,仅仅四天时间,同流量水面宽度缩减到1/4,水深增加4倍,这种情况一直延长到一个月左右,水面宽度进一步缩小,水深进一步增加。以1/6的河宽能同样排泄河宽未缩狭前的全部流量。充分显示窄深河槽的巨大排洪输沙能力。

     总之,以上所述,既有力学理论为依据,又为无数事例所证实,确实增加了人们对高含沙水流的认识,它不但塑造新的河槽,而且还强化其排洪输沙能力,两者相辅相成,相互协作,相得益彰。其作用不仅限于科学发展,而且更具现实实用意义。塑形过程中的冲刷烈度,深槽形成后的输沙能量,都是探索黄河下游河道不淤的主要支撑力。建议有关单位及领导下大力对此进行攻关,促其早日实现沿黄人们的长期愿望。

     四、两个关键问题

     综上所述,在各种减沙措施的配合下,以调水调沙和束水攻沙为主导,达到黄河下游河道不淤的目标是可能的,但长期以来对其中的两基本问题遭质疑。为此,提出

     以下看法:

     1.调水调沙的水量

     调水调沙的设想早在上世纪六、七十年代就已经提出,但是由于水少沙多,在流域工农业发展,水资源供需矛盾日趋紧张的情况下,要经常挤出调水调沙的用水,确有困难。言者多,行者少,用水成为拦路虎。查新中国成立以来1950〜2002年黄河下游多年平均年均淤积量1.50〜2.00亿吨,根据目前河床形态,利用两次人造洪峰即可冲刷干净,需水50〜60亿m3。如果利用高效的水沙多年调节,按1970〜1996年水文系列估算,可将年均淤积1.95亿吨减少到0.40亿吨,如欲全部消灭,需要增加年均用水10亿m3左右。建议,积极进行河道整治,提高输沙能力,结合水保减沙,放淤用沙等措施,向好处争取,有可能缓解甚至解决上述矛盾。作不利打算,根据国务院2002年7月14日以国函[2002]61号文批复的“黄河近期重点治理规划”所列,现状水资源开发利用分析,正常年缺水40亿m3,中等干旱年缺水100亿m3。规划要求近期补水40亿m3,远期西线调水工程实施后补水100亿m3。借水冲沙本是笔者长期以来的设想,现在正式见诸文字,前景可期,希望早日落实计划,并建议先期将黄河下游两省灌区尽可能转为南水北调供水,让出黄水归故。

     2.窄深河槽的构建

     固定中水河槽,束水攻沙,已经提出多年,问题复杂、困难重重,难以实施。随着时间的推移,水沙得到调控,河势初步稳定,治河技术不断提高,参考国内外经验,结合黄河特点,黄委同志已有新的理念:

     ——整治下游游荡型河段,不仅是限制游荡范围,更重要的是稳定流路。

     ——利用高含沙水流塑造的有利河势,结合部分工程,因地制宜,因势利导,策划河型,明确重点。

     ——根据黄河大水趋中小水坐湾的现象,适应较大水流的排洪输沙要求,河流纵断面采取微湾型流路。

     ——河槽的横断面既要利于主槽刷深,又要防止影响泄洪水位,仅衡轻重,整治河宽控制在600〜1000 m之间。

     ——针对易冲易塌的细沙河床,建议采用双岸整治,强化稳定流路和防止横河斜河的作用。

     ——双岸整治的具体措施,参考国内外先进经验,继承治黄传统,似采取对口丁坝,并在实施中逐步改进提高。

     ——中水河槽、双岸整治,既不要妨碍洪水漫滩,又要考虑没入水下时的安全,避免汛期抢险,工程应一次到位,不采取过去多次抛石固基的办法。

     以上这些措施经过花园口至夹河滩河段整体模型试验显示:河道输沙能力大幅度提高,河段水沙基本平衡,洪水水位降低,平滩流量达到6000 m3/s以上,既减少洪水漫滩,又能有效控制河势。成果不错,可以说,在一定程度上解决了束水攻沙的难题。

     五、结论与展望

     从以上有关论述的测算、分析和实际事例的参证,笔者认为在充分节约工农业供水和挖掘水资源潜力的情况下,最大限度地发挥调水调沙和束水攻沙的作用,争取黄河下游河道不淤是可能的。如若不然,借助外流域调水,补充不足水源,则保证黄河不淤将更有把握。

     调水调沙与束水攻沙是从源头与本体两个方面互相配合,共同作战的综合性策略;是以水治水,以河治河,充分利用天然能量,以智力替代劳力的新思维在治黄事业上的体现;是科学发展观的典型范例,其重要意义与深远影响,远远超出治河业务的本身。

     束水攻沙的效果,经双岸整治的试验说明,主槽能够迅速刷深,平滩流量相应提升,漫滩机会大幅度减少,当前滩地上的所有问题,必将逐渐淡化。展望远景,以现状堤外地面为标准,形成绝对地下河也不是不可能的。

     总之,我对黄河不淤充满信心!

     作者简介:刘善建 教授 原国家计委国土局。

 
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