水利工程論文-黃河下游河床演變中的地貌臨界.doc

水利工程論文-黃河下游河床演變中的地貌臨界摘要：從地貌學(xué)的角度，比較深入地研究了黃河下游河床演變中的幾個(gè)臨界問題：縱剖面調(diào)整的臨界問題、河道平面形態(tài)的臨界問題、河型對(duì)河床邊界的臨界響應(yīng)問題以及河床斷面形態(tài)的臨界判別問題。并且以河型轉(zhuǎn)化趨勢(shì)預(yù)測(cè)為例，對(duì)地貌臨界在河床演變中的應(yīng)用作了進(jìn)一步的探討。結(jié)果表明，小浪底水庫(kù)建成后，在其清水下泄期間，下游河型將不會(huì)發(fā)生改變。關(guān)鍵詞：黃河下游河床演變地貌臨界趨勢(shì)預(yù)測(cè)1前言河床演變，作為河流動(dòng)力學(xué)和河流地貌學(xué)交叉研究的領(lǐng)域，具體是指在水流的作用下,河流的邊界所發(fā)生的變化。而這種變化實(shí)質(zhì)上體現(xiàn)了組成邊界的物質(zhì)的沖刷、搬運(yùn)和堆積過(guò)程。在諸過(guò)程中塑造的地貌現(xiàn)象，如河床縱橫斷面、河谷形態(tài)、邊界組成和河型等，在內(nèi)外營(yíng)力共同作用下達(dá)到一定的限度，將會(huì)出現(xiàn)巨大的質(zhì)的變化。我們將其稱之為河床演變中的地貌臨界。自Schumm于上一世紀(jì)70年代首次將臨界規(guī)律引入到地貌系統(tǒng)的研究之中以來(lái)，經(jīng)過(guò)一些學(xué)者的不斷努力，逐步形成了所謂的“地貌臨界論”。由于該理論從嶄新的角度審視地貌現(xiàn)象由量變到質(zhì)變或者說(shuō)由漸變到突變的轉(zhuǎn)化規(guī)律，使得對(duì)地貌演化過(guò)程中發(fā)生的明顯變異現(xiàn)象進(jìn)行合理的解釋成為可能，因此受到地質(zhì)地貌界的普遍關(guān)注。研究地貌臨界不僅蘊(yùn)涵著比較深刻的哲理和科學(xué)理論意義，而且具有一定的實(shí)踐意義，如通過(guò)確定和運(yùn)用地貌過(guò)程中的臨界閾值，對(duì)地貌發(fā)育階段進(jìn)行量化，洞察地貌要素之間相互作用的內(nèi)在機(jī)理、強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界條件，進(jìn)而預(yù)測(cè)地貌現(xiàn)象的發(fā)展趨勢(shì)，為國(guó)土整治服務(wù)。本文試圖從地貌學(xué)角度，研究黃河下游河床演變中的一些與地貌有關(guān)的臨界問題，以辯識(shí)臨界條件發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，同時(shí)對(duì)地貌臨界的應(yīng)用作了進(jìn)一步的探討。2縱剖面調(diào)整的臨界響應(yīng)根據(jù)黃河下游堆積區(qū)的地層、堤防和基準(zhǔn)面的影響，可以發(fā)現(xiàn)黃河下游縱剖面的發(fā)育已經(jīng)歷了四個(gè)階段1，即構(gòu)造控制階段或適應(yīng)構(gòu)造階段、自由發(fā)展的加積階段、人工控制階段和侵蝕基準(zhǔn)控制階段，以及三種調(diào)整形式，即沿程淤積的調(diào)整形式、溯源淤積的調(diào)整形式和平行抬升的淤積形式。對(duì)縱剖面的形態(tài)和比降的年際變化，分別用凹度指標(biāo)2（即通過(guò)縱剖面線上下端點(diǎn)作矩形，縱剖面線將矩形分為上下兩半，它們的面積之比形成凹度指標(biāo)。該指標(biāo)大于1，縱剖面為凹型；等于1，為直線型；小于1，為凸型）和比降點(diǎn)繪了圖1(a)和圖1(b)。由圖1(a)可以看出，從晚全新世地層底板到1954年，縱剖面的凹度是逐漸減小的，但到了1954年后，即從19541983年，曲度指標(biāo)的變化就不大了，即多年平均凹度為1.35，分別比晚全新世地層底板、1855年和1935年的縱剖面凹度減少了37%，12%和7.5%，其均值與1954年以來(lái)最大和最小凹度相比，分別小于3%和大于3.7%。從圖1(b)來(lái)看，仍以1954年為界，1954年后的河床比降均在均值上下微小變化，多年平均為1.28，與最大和最小值的偏離，分別為2%和1%，比凹度的偏離還小。圖1(a)黃河下游花園口到利津段凹度的歷年變化ChangesofconcavityfromHuayuankoutoLijinintheLowerYellowRiverduringthepastyears圖1(b)黃河下游花園口到利津段河床比降的歷年變化ChangesofthechannelslopefromHuayuankoutoLijinintheLowerYellowRiverduringthepastyears綜上所述，不論是縱剖面凹度，還是河床比降，就長(zhǎng)時(shí)段的變化來(lái)說(shuō)，都不大，這說(shuō)明，此段從1954年至1983年在平均沉積速率為8.64cm/a的情況下，河床是平行抬高的。這種平行抬高，就是縱剖面調(diào)整的臨界響應(yīng)。它說(shuō)明了兩個(gè)問題：其一，黃河下游已經(jīng)發(fā)育到了老年期階段，是發(fā)育史上的臨界階段；其二，抵擋歷史大洪水的能力大大減小，出現(xiàn)大險(xiǎn)、大災(zāi)的機(jī)會(huì)更多。我們認(rèn)為，縱剖面平行抬升，是由于黃河下游河道處在特殊的地理環(huán)境中，流經(jīng)不同的地貌部位，流域的來(lái)沙量和水流的挾沙能力不相適應(yīng)，所以自發(fā)育以來(lái)就是一條加積性河流，其河流縱剖面在加積的環(huán)境中作自動(dòng)調(diào)整。加之受到地貌類型的影響，各段調(diào)整的形式不同。如黃河出山口后的河南段，處于復(fù)合沖積扇上，地面坡降陡然減緩，為了力求使水流挾沙能力與來(lái)沙量相適應(yīng)，河床比降以沿程淤積的方式調(diào)整增大；人工控制的順直微彎段，流經(jīng)沖積平原和河口三角洲，由于河口三角洲的前緣不斷淤積向前推進(jìn)，河長(zhǎng)不斷增加，基準(zhǔn)面相對(duì)上升，河床比降以溯源堆積的形式調(diào)整減??；處于疊加的沖積扇前緣的彎曲段，為了要在河口不斷延伸的條件下保持一定的輸沙能力，通過(guò)沿程淤積和溯源淤積的共同作用，每年在河道中就必然要淤積一定量的泥沙，當(dāng)縱剖面形態(tài)與流域的水文狀況和地理環(huán)境相適應(yīng)而達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，縱剖面必然平行抬高。3河道平面形態(tài)的臨界規(guī)律伴隨著河床物質(zhì)影響河型的同時(shí)，河岸的相對(duì)可動(dòng)性也同時(shí)影響著河流的平面形態(tài)。在一定流量的情況下，河寬的大小反映了河岸侵蝕后退的程度。因此，可用河寬作為河岸相對(duì)可動(dòng)性指標(biāo)。不同的河型具有相應(yīng)的臨界河寬。一般說(shuō)來(lái)，河岸抗沖性極強(qiáng)或極差的河流多為低曲率河流，其河寬可以很大或可能很小，而具有一定（中等）抗沖能力；河岸可動(dòng)性適中的河流多具有較高的曲率。從圖2看出，黃河下游三種不同河型的平面形態(tài)與河寬的顯著差異：順直微彎段的河寬小于1000m（40m），河岸的相對(duì)抗沖性最強(qiáng)，曲率最小，即1.15，為人工控制的結(jié)果；過(guò)渡段河寬介于10002000m，河岸的相對(duì)抗沖性中等，曲率最大，即1.30；游蕩河段的河寬大于3000m，河岸的抗沖性最差，因此，曲率也最小，即1.14。由此可見，黃河下游不同河型，具有明顯的臨界河寬。另外，平原河流與曲流發(fā)育過(guò)程中也體現(xiàn)著臨界規(guī)律。據(jù)研究3，曲流河灣緊密度R/W（河灣半徑R與河寬W之比）與河床擺動(dòng)速度存在著這種規(guī)律。一般來(lái)說(shuō)，開闊型河灣緊密度約為6.0，緊密型的約為2.0。大于6.0和小于2.0時(shí)，河灣擺動(dòng)很小或不擺動(dòng)。開闊型和緊密型的分界值約為3.0，小于或大于3.0時(shí)，河灣擺動(dòng)速度迅速下降。通過(guò)黃河過(guò)渡段河灣擺動(dòng)速度與緊密度的資料研究表明，也有類似的規(guī)律。開始，隨著河灣緊密度的增加，擺動(dòng)速度迅速增大。當(dāng)緊密度達(dá)到2.4左右時(shí)，擺動(dòng)速度達(dá)到最大值（臨界最大擺速），約為600m/a。此后，隨著緊密度的繼續(xù)增大，擺動(dòng)速度逐漸減小，當(dāng)緊密度達(dá)到4.0以上時(shí)，擺動(dòng)速度趨于穩(wěn)定值（圖3）。黃河下游這種河灣緊密度與河床擺動(dòng)速度的臨界關(guān)系，反映了河灣緊密度對(duì)河床演變速度的控制作用，這是研究彎曲河流不可忽視的因素之一。4河型對(duì)河床邊界條件的臨界響應(yīng)就河床演變的科學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，它是研究河流的邊界在水流作用下的變化4，由此可見，邊界條件在河床演變中的重要性。具體到邊界條件與河型的形成來(lái)說(shuō)，如當(dāng)床沙質(zhì)來(lái)量多時(shí)，如果河岸的可動(dòng)性不很大，或不能大大地超過(guò)河床可動(dòng)性的話，河流就不能選擇側(cè)蝕的方式調(diào)整，則河流就不能形成寬淺的河床，所以也就沒有發(fā)育成分汊或游蕩型河流的可能；如果河岸可動(dòng)性很小，大大地小于河床的可動(dòng)性時(shí)，主要選擇深蝕的調(diào)整方式，使河流趨于窄深，以至于成為比較順直的河型；只有當(dāng)河岸可動(dòng)性和河床可動(dòng)性都比較適中時(shí)，河流才有可能發(fā)育成江心洲和曲流型5。圖2黃河下游曲率與河寬關(guān)系圖TherelationshipbetweencurvatureandriverwidthintheLowerYellowRiver圖3過(guò)渡段擺動(dòng)速度與河灣緊密度的關(guān)系TherelationshipofwanderingvelocityandcompactnessofriversinusesinthetransitionalriversintheLowerYellowRiver基于以上條件，游蕩型河流的河岸和河床邊界一般為單一結(jié)構(gòu)，河床以細(xì)砂或粉砂組成為主，如黃河下游蘇泗莊以上河段，河床中粉砂粘土含量一般在15%左右；曲流型一般說(shuō)來(lái)河岸為混合結(jié)構(gòu)或二元結(jié)構(gòu)，而河床以粉砂粘土組成為主，如黃河下游的孫口段河床中粉砂粘土的含量最高達(dá)60%以上；黃河下游順直微彎段，河床中粉砂粘土含量約為45%，如圖4所示。5河床斷面形態(tài)的地貌臨界判別河流作為流域的一個(gè)組成部分，它的許多性質(zhì)又是和流域因素分不開的。圖4黃河下游河床中粉砂粘土含量沿程分布與河型的關(guān)系TherelationshipofsiltysandandclaycontentofthechannelwithchannelpatternsalongtheLowerYellowRiver對(duì)它們的分析有一部分是屬于地貌學(xué)范疇。河床的形態(tài)變化和所有的地貌現(xiàn)象一樣，是地表在內(nèi)外營(yíng)力作用下長(zhǎng)期發(fā)展的產(chǎn)物，既要考慮流水的動(dòng)力作用，也要考慮地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的深刻影響。具體來(lái)說(shuō)，不同的河型具有不同特征的河床形態(tài)，而不同的河床形態(tài)則代表著多種因素間不同排列組合影響的結(jié)果。一旦這種排列組合遭到破壞，河型就要發(fā)生變化。因此，我們選擇了受綜合因素影響的河床形態(tài)（/H即河床寬B和水深H之比），作為判別河型的臨界指標(biāo)。從數(shù)學(xué)的角度分析，將影響河型的內(nèi)外營(yíng)力因素寫成下列形式河床形態(tài)與外力因素函數(shù)關(guān)系式/H=f(Q1,QS,)河床形態(tài)與內(nèi)力因素函數(shù)關(guān)系式/H=f(T)合并二式得到綜合因素影響下的河床形態(tài)與內(nèi)外營(yíng)力因素函數(shù)關(guān)系式/H=f(Q1,QS,，T)式中Q1,QS,分別為來(lái)自上游的流量、沙量及其過(guò)程，以及流域形狀要素，T為新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)上述物理概念判別的函數(shù)關(guān)系，就統(tǒng)計(jì)意義來(lái)說(shuō)，可以認(rèn)為這一函數(shù)關(guān)系具有指數(shù)關(guān)系。至于關(guān)系的指數(shù)及系數(shù)則根據(jù)多元回歸方法推算，計(jì)算的結(jié)果得到河床形態(tài)與自變量之間（其中包括河流能量QJ，河岸不穩(wěn)定系數(shù)A）的綜合相關(guān)關(guān)系如下/H=3.94T0.28QJ0.35-0.06A0.48綜合相關(guān)系數(shù)為0.93。根據(jù)河床形態(tài)方程，計(jì)算出一組與實(shí)測(cè)河床形態(tài)（/H）相對(duì)應(yīng)的值，并對(duì)計(jì)算值進(jìn)行了精度檢驗(yàn)，結(jié)果計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的正負(fù)平均誤差平均為0.17，均方差為4.08，即有95.4%的點(diǎn)子落在8.16的范圍內(nèi)，變差系數(shù)cv=0.27。依照所得判別式，得出黃河下游不同河型的地貌臨界值如下網(wǎng)狀河型18/H7順直型7/H3.5彎曲型6地貌臨界的實(shí)用意義本節(jié)主要以河型轉(zhuǎn)化趨勢(shì)為例，說(shuō)明地貌臨界在河床演化中的應(yīng)用。三門峽水庫(kù)在清水下泄期間，黃河下游河床形態(tài)（/H）變小。以黃河下游三種河型為例，與1960年相比，1962年和1964年游蕩段減小了33.7%，彎曲段減小了28.6%，順直微彎段減小了8.8%。這表明河床的斷面形態(tài)向窄深方向發(fā)展。在給定的水流條件下，下切主要取決于沖刷段的沖刷強(qiáng)度和邊界條件。具體地說(shuō)，游蕩段的比降大，河床組成物質(zhì)以沙和細(xì)沙為主，粉沙粘土含量少，因此抗沖性小，又加之沖刷強(qiáng)度大，河床形態(tài)變化比較明顯。向下游，河床比降變小，粉砂粘土含量