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生产堤对塑造中水河槽的作用(齐璞)
http://www.irtces.org    2005年4月25日17:25     

                                                                        
                                生产堤对塑造中水河槽的作用
                                                                                                    
                                            齐  璞

                                      (黄河水利科学研究院)


   
1  淤滩与刷槽之间没有必然的联系
  滩地与主槽的过流边界条件不同,因此造成水流输沙能力有很大差别,洪水漫滩后主槽与滩地输沙特性与冲淤特性表现也各不相同,滩地冲淤与主槽冲淤并没有必然联糸。

    1.1实测洪水过程分析
    近年来,对具有窄深断面形态的稳定河段的输沙特性与冲淤特性的研究表明,主河槽的冲刷主要发生在涨水期,在落水期不管含沙量大小,均处于淤积状态。由于涨水期的冲刷深度往往大于落水期的淤积厚度,使洪水期河床呈现冲刷。1958年大水,花园口、泺口断面实测资料图1表明,大水过程中涨冲落淤。随着涨水平均河底高程和最低河底高程都是在降低,最大洪峰的时候河底高程达到最低。洪水的泄洪能力的增加主要是靠河床冲刷,水深的增大实现的。花园口站在1958年这场洪水中,流量从5000m3/s涨到15000m3/s,水位只增高了1m,但是河槽冲深了3m,河槽的冲深对河流的过洪能力起着至关重要的作用,这是黄河的特点。
              

                                    图1  花园口、洛口站1958年大洪水过程中涨冲落淤过程

    一场大洪水在通过具有复式断面的河段时,随着洪水流量的增大,水位升高,主槽过流量增加的同时,漫滩水量也在增大,這两者是同时发生的。主槽过流量增大,无疑会增加主槽冲刷量与冲刷强度。而滩地的淤积量的大小,则取决于漫滩的水量与上滩含沙量。造成滩地淤积的主要原因是滩地糙率大,水流流速低,泥沙很容易淤积。多沙河流洪水漫滩后,泥沙首先在滩唇上落淤,形成自然堤,阻断了滩地退水流流路,漫滩水流只能沿着堤河缓缓地向下游流动,“走一路淹一路,一直淹到陶城堡”,显现了滩区的滞洪滞沙作用。漫滩水流的运动速度远远低于主槽内洪水的传播速度,只有在下游险工的上首,水位较低时,才有机会回归主流。因此造成漫滩水流往往在落水期汇入主槽。从上述洪水期涨冲落淤形成过程可以看出,漫滩水在落水期汇入主槽,只能起到减少河槽淤积的作用。至于漫滩水流加到洪水期平水段发生的冲刷,与涨水期相比其冲刷强度弱,作用也较小,难以抵消洪水期漫滩后减弱的河槽的冲刷。因此,在一场洪水中,主槽的冲刷滩地淤积是相互独立的,二者之间没有必然的联系。

    1.2百年一遇洪水滩槽冲淤动床试验结果
    百年一遇设计洪水,洪峰流量15300m3/s,最大含沙量113kg/m3,在这种水沙条件作用下,韦滩以下河段均发生大漫滩,各典型断面河槽形态均发生不同程度的变化(图2)。在本场洪水的作用下,河槽又进一步扩宽冲深,最大冲深达2~5m。河道呈现出了槽冲滩淤现象,滩地落淤范围在河槽两侧300m以内的滩唇落淤较厚,黑岗口以下河段滩唇淤高0.4~0.7m,黑石、韦城等断面具有明显的横比降。试验中,涨水期漫滩后的水流,在滩区流动的非常缓慢,漫滩的大量清水在洪水落水期河槽水位下降后才缓缓归槽,滩槽水流交换并不频繁,漫滩水回归主槽的刷槽作用也不够明显。


                
                                           图2 各典型断面槽冲滩淤变化图

    1.3洪水的非恒定性决定了河床的“涨冲落淤”
    河床的冲淤与底沙的运动状况有关。已有的研究成果表明,床面处于高输沙动平整状态时,其运动强度取决于作用在床面上的剪力τ=γhj或功率Φ=γhjv。当作用在床面上剪力或功率逐渐增加,底沙的输移逐渐增强时河床产生冲刷,否则河床发生淤积。即:Φ1<Φ2  时河床为冲刷、Φ1=Φ 时河床为输沙平衡、Φ1>Φ 时河床为淤积,见图3。 

                      

                                            图3  河床输沙状态判断

    洪水过程中的流量、水深、流速、附加比降的变化 ( J=J0 +▽J,▽J=▽Z/▽t/Vm),见下图。

                     

                                          图4  洪水过程中的水利因子变化

    洪水过程中作用在河床剪力或功率与河床冲淤变化见图5。
                    
                                    图5 洪水的非恒定性必然造成河床“涨冲落淤”

   
由于洪水流量的剧烈变化,使得水深、流速、比降发生相应的调整,引起作用在床面上的剪力或功率相应增强或减弱,从而造成底沙输移强度的增强或减弱。在涨水期,随着流量的增加,比降和附加比降均迅速增加,作用在床面上剪力、功率也随之增大,底沙的运动增强, 河床发生冲刷,河床平均高程随之降低,反之河床不断淤高。其中剪力、功率的变化过程与河床平均高程变化过程相反,最大流量发生时,剪力、功率最大,河床平均高程最低。因此造成涨水期河床必然冲刷;在落水期河床必然淤积,与洪水是否漫滩没有内在的联系。

    从以上分析可知,艾山至利津河段比降虽比较平缓,但当进入本河段的洪水造床和输沙作用增强后,仍会造成本河段的强烈冲刷,有利于本河段的减淤。

    1.4洪水不漫滩河槽仍可发生强烈的冲刷
    从1983和1985年洪水在山东艾山、泺口、利津断面的冲淤过程图6均可以看出,在流量大于1800m3/s的时候,河床开始冲刷,随着流量的增大,河床的冲刷不断加深,平均河底高程逐渐降低,在最大洪峰的时候,河底高程最低,到了落水时段河床才逐渐淤高。
                   
                                图6 艾山  洛口  利津三站1983、1985年大洪水过程中涨冲落淤现象

    从1982年利津站实测洪水过程线与河床高程变化过程和尹学良同志绘制的1977年利津高含沙洪水期,洪水过程中河床对应涨冲落淤的过程都可以看出,洪水的涨冲落淤过程非常明显。不仅是低含沙量洪水,高含沙量洪水也是这样。1973年8月、1977年7月、1977年8月、1992年8月的高含沙量洪水,根据花园口的流量、含沙量过程,从平均河底高程和最深点高程可以看出来,涨水都是冲的,落水的时候都是淤的。
    通过对大洪水的分析,特别是对几次典型大洪水深入全面分析,艾山以下稳定河道不论是低含沙量洪水,还是高含沙量洪水,艾山、利津水文站实测成果都是涨水冲刷、落水淤积的。对于过渡段或者游荡性河段,大部分也是涨冲落淤,造成个别例外的缘由,主要是河槽宽浅,河势变化无常所至。对于比较稳定的河段都是涨水冲刷,落水淤积的。由此可以看出来,河槽的冲刷主要靠流量,且都发生在涨水过程中。
    综上所述,滩地淤积与主槽冲刷,在洪水过程中虽然是同时发生,但两者之间没有必然的联系,更构不成因果关系。

    2  生产堤存在有利于集中水流多输沙入海
    今后中常洪水出现机会增加,大洪水出现机会明显减少,从增加河道输沙能力来说,若通过滩地削减洪峰,不利于输沙入海,不利于洪水对河槽的冲刷。水库调水调沙的任务就是增大洪水的造床输沙作用,在这种情况下,生产堤存在是有利的。

    图7艾山至利津河段平均流量与艾山至利津河段冲淤特性与输沙特性,以往已有不少研究[8]。其主要结论是河道冲淤主要取决流量的大小;而河道输沙能力在流量大于一定值后,主要取决上游站的含沙量。

    2.1黄河下游窄河段冲淤特性与输沙特性
   
图7给出艾山至利津河段,汛期、非汛期平均流量与断面法测得的冲淤量,3000m3/s水位差及用含沙量表示的河段排沙比关系。由图7-a可知,在非汛期随流量的增加,淤积量增大,当平均流量在800~1000m3/s时,淤积最为严重。非汛期的淤积可达0.6~1.0亿m3。进入汛期,随着流量增加,河道淤积量减少,当平均流量达到1800m3/s,由淤积转为冲刷。从图7-b、c给出的3000m3/s水位差值及河段排沙比与流量间的变化规律,也显示出河道冲淤主要取决流量大小的特性。

                  
                                       图7  艾山 ~ 利津 河段冲淤与流量关系

    2.2历年高含沙洪水的输沙情况
    为了说明河道输沙能力在流量大于1800~2000m3/s时主要取决于上游来的含沙量,我们统计了1950年至1988年平均流量大于1800m3/s,平均含沙量50~150kg/m3,47场洪水的实测资料,点绘成图8,从图可知,在上述范围内,河段的排沙比在90~110%之间,看不出含沙量的变化对河道排沙比的明显影响,呈现出窄深河槽“多来多排”的输沙特性。为了进一步论证这一输沙特性,我们分析了1959、1973、1977年六场高含沙洪水时的河床冲淤情况,及洪水前后3000m3/s水位差变化,在流量3000~6000m3/s,含沙量100~200kg/m3时,河床一般为冲刷,一场洪水冲刷面积100~300m2,只有1977年8月洪水略有淤积。3000m3/s水位差变化也说明上述洪水期的冲刷情况。从以上分析可知,造成艾山以下河道严重淤积的主要是流量在800~1000m3/s的小水,而流量大于2000m3/s(单宽流量大于5m3/s),呈现出“多来多排”的输沙特性。流量大于3000m3/s,含沙量在100~200kg/m3范围可顺利输送,且河床会产生一定的冲刷,这段河道存在着较大的输沙潜力。

                                
                                  图8 艾山至利津河段排沙比与艾山站含沙关系

    3 塑造中水河槽需要改善水沙搭配
   
游荡性河流以小水挟沙过多而造成河槽严重淤积引起河道游荡多变为显著特点。实测资料表明,最小平滩流量与最高洪水位同时发生,说明河槽严重淤积,而严重淤积是造成平滩流量小的主要原因。二级悬河产生的主要原因,是在游荡性河道不利的来水来沙条件没有得到根本改变之前,在游荡性河道上进行河势控导的结果。在小水挟沙过多没有得到控制之前,单纯的采取工程措施控导主流,对当时的防洪虽起到积极的作用,但因主流的摆动范围得到控制,小水淤积的范围也随之固定,经常走水的主槽不断淤高,而不能摆动,改变了天然游荡性河道通过主流自由摆动平衡滩槽差的演变规律。生产堤的破除,虽然洪水上滩后增加了滩地的淤积,但滩地面积大,大漫滩机会少,且在滩面形成滩唇和1/2000横比降,主槽的抬升速度仍大于滩区,久而久之形成目前的二级悬河。造成“小水大灾”的条件是二级悬河普遍存在、平滩流量小、洪水漫滩。要想避免“小水大灾”发生,首先要控制小水挟沙过多,从而控制河槽的严重淤积,使平滩流量逐年增大,使一般洪水不漫滩,增加洪水的造床和输沙作用。

    几十年的治理实践,使人们认识到维持黄河主槽必需的泄洪输沙能力,是黄河下游治理的关键所在。面对黄河来水来沙条件的不利变化,在特殊情况下形成的三门峡水库“蓄清排浑”泥沙年调节的运用方式,受库区条件限制不能对黄河水沙进行大幅度调节,因此无法解决目前下游河道出现的问题。要想从根本上解决二级悬河的问题,则应与小浪底水库调水调沙运用结合。通过水库的泥沙多年调节,改变进入下游的水沙搭配,控制小水挟沙与河槽淤积,利用大洪水输沙,塑造有利输沙的中水河河槽,使平滩流量增大。

    4 生产堤需要双向整治配合才能形成有效的排洪输沙通道
  
由地方兴建的黄河滩区的生产堤,堤距一般3~4km,远远大于使黄河下游河道保持不淤积时的整治河宽500~600m。生产堤存在对不漫滩的小水没有约束作用,只是减少了漫滩洪水的漫滩范围与淹没损失,因此也无法解决游荡性河道小水挟沙过多所造成的主槽严重淤积问题。生产堤存在只是把大堤的间距缩窄了,过水的河槽仍是宽浅的,无法提高小水的挟沙能力;无法控制清水冲刷时河槽展宽;无法形成窄深河槽,稳定河势,与提高河道的输沙能力。

    要彻底解决游荡河道防洪与河槽淤积问题,首先要通过中游水库进行泥沙多年调沙,优化进入下一游的水沙搭配,同时在游荡河段进行双向整治,把游荡性河道改造成窄深、稳定、归顺的排洪输沙通道,游荡性河道的防洪与河道淤积问题才能得到很好的解决。

 
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