改造寬淺游蕩河道的途徑與輸沙流量

1、改造寬淺游蕩河道的途徑與輸沙流量摘要：沖積河流的特性取決于流域因素，來自流域的長期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床組成。不同河流的來水來沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強弱，形成不同的輸沙特性，對于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖刷分界流量是確定的。因此，來水來沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對水流的約束作用不同，又形成不同的演變特性；河床組成的抗沖性與水流的強弱決定了河槽的穩(wěn)定性，因此形成不同的河型。關(guān)鍵詞：游蕩河道改造途徑輸沙流量1水流塑造河槽，河槽約束水流沖積河流的特性取決于流域因素，來自流域的長期水沙條件，決定了河槽的形態(tài)和比降，及河床

2、組成。不同河流的來水來沙條件組合不同，塑造出不同的河槽形態(tài)和比降，從而決定了水流的強弱，形成不同的輸沙特性，對于一定的河槽形態(tài)，小水淤積、大水沖刷分界流量是確定的。因此，來水來沙條件組合又決定河道的沖淤特性；不同的河槽形態(tài)對水流的約束作用不同，又形成不同的演變特性；河床組成的抗沖性與水流的強弱決定了河槽的穩(wěn)定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素綜合的結(jié)果，是河流演變、輸沙特性的集中反映。河道的輸沙特性與演變特性間存在著密切的聯(lián)系，其原因是它們都受河槽形態(tài)的控制。不同河型的主要差別是因為它們具有不同的河槽形態(tài)，具有窄深河槽的河流，不僅輸沙能力強，河道很少淤積，且河勢受窄深河槽的約束，河道穩(wěn)

3、定，多年坐彎得以累計，可發(fā)展成彎曲性河流。而具有寬淺河槽的河流，不僅輸沙能力低，河道強烈堆積，且寬淺河槽無法約束洪水期河勢變化，受局部邊界的影響經(jīng)常產(chǎn)生“橫河”“斜河”，發(fā)生游蕩擺動，產(chǎn)生難以預料的河勢變化和險情，對防洪極為不利。游蕩性河道以寬淺著稱。由于河道寬淺使得河道輸沙能力低；由于河道寬淺無法約束主流，經(jīng)常造成游蕩擺動，使平工出險，引水困難；由于河道寬淺，整治工程無法布置而難于整治，因此，從防洪、輸沙減淤、河道整治控導河勢等各方面都希望把游蕩性河道治理成具有窄深河槽的規(guī)順的河道。2(/).游蕩性河道的形成3，5，6游蕩性河道的形成是流域長期來水來沙條件作用的結(jié)果。資料統(tǒng)計表明，當進入河流

4、的水沙搭配用輸沙率Qs與流量Q的指數(shù)關(guān)系表示時()。不管多沙或少沙河流，m值小者形成游蕩性河流,m值大者形成彎曲性河流。美國的一些河流m=34時，也形成具有窄深河槽(式中的0.1)的彎曲性河流。m值的物理意義表示洪、枯水時的泥沙搭配情況。圖7-1給出黃河主要干支流含沙量與流量間的關(guān)系說明m值的物理意義，圖中的m=m-1。當各級流量挾帶的含沙量相等時，m值為零；洪水時含沙量小于枯水含沙量時，m值小于零；洪水較枯水的含沙量相差越多，m值越大。m值大者表示河流的泥沙絕大部分靠高含沙洪水輸送，而枯水時的含沙量很低。m值小時，小水帶大沙，造成河槽強烈淤積，斷面寬淺，輸沙能力低，河床抬高、比降變陡，河道穩(wěn)

5、定性差，久而久之，形成目前的游蕩性河流。而m值大的河流，由于絕大部分泥沙由洪水輸送，通過灘淤槽沖塑造的窄深河槽，輸沙能力強，加之枯水時含沙量低，河槽不僅不淤還會產(chǎn)生一定沖刷，使得窄深河槽得以長期保持，流域注入河流的泥沙能夠順利輸送，可保持多年沖淤相對平衡，形成比降平緩穩(wěn)定的河流，能使小水坐彎得以多年累積，最終發(fā)展成彎曲性河流。游蕩性河流具有比降陡、河槽寬淺、河床組成粗、抗沖能力差和河道輸沙能力低的特點。黃河下游高村以上河段為典型的游蕩河段，造成河段輸沙能力低的主要原因是河槽極為寬淺。渭河、北洛河是黃河中游的主要支流，發(fā)源于粗沙產(chǎn)區(qū)。流量比黃河干流小，含沙量比黃河高，河道比降與黃河下游高村以上河

6、段相近，但仍能形成比較穩(wěn)定的彎曲性河流。其主要原因就是其來水來沙比較有利，由m值較大的水沙組成。流域的來沙主要由高含沙洪水挾帶，枯水期流量小，含沙量低，使得高含沙洪水塑造的窄深河槽能夠長期保持。根據(jù)資料統(tǒng)計，以日平均含沙量大于300kg/m3計，北洛河、渭河由高含沙洪水挾帶的沙量分別為72%和40%，有的年份高含沙洪水挾帶的沙量達80%90%，如1977年北洛河和渭河的來沙大于300kg/m3分別占89%和71.0%，枯水期含沙量很低常不足1kg/m3，而造成塌灘的低含沙洪水很少發(fā)生。北洛河在2030年內(nèi)才發(fā)生一、二次低含沙洪水。渭河下游低含沙洪水雖然發(fā)生的機會較多，但對河槽的破壞作用并不嚴重

7、，每逢高含沙洪水發(fā)生時，均可使前期較寬淺的河槽形態(tài)得到調(diào)整，使窄深河槽得以維持。在這樣水沙條件的控制下，形成較為窄深規(guī)順的河槽形態(tài)，經(jīng)常保持高效輸沙狀況。渭河、北洛河下游河道的客觀存在，為我們提供了改造黃河下游河道的實例，指出了黃河下游河道的治理方向，可作為今后長期治理的奮斗目標。3.河槽形態(tài)調(diào)整變化不同來水來沙條件的河槽形態(tài)調(diào)整變化表明，枯水大沙淤槽，清水沖刷塌灘，河槽展寬。洪水灘淤槽沖，尤其是高含沙洪水通過灘地強烈淤積和主槽的強烈沖刷可塑造出適合高含沙洪水輸送的窄深河槽。根據(jù)黃河下游的實測資料黃委會設(shè)計院得出高村以上河段的水力幾何形態(tài)與來水來沙之間關(guān)系如下3：式中含沙量為kg/m3，流量為

8、m3/s，h為m，v為m/s。圖7-2給出花園口站水面寬、水深和流速值與流量、含沙量間的關(guān)系。圖中包括60年代三門峽下泄清水、70年代高含沙洪水期和90年代的資料，其中：從圖中的點群分布可知，不同年代的資料集中分布在平均線的兩側(cè)。在流量相同時，高含沙洪水期間河寬明顯變小，水深、流速增大。含沙量越低河寬越大，”與“多來多淤”的雙重輸沙特性，主槽多輸，灘地多淤，實測斷面灘淤槽沖的變化也證明了這一輸沙特性。根據(jù)對高村以上河段歷年含沙量較高的洪水期主槽的沖淤條件分析，發(fā)現(xiàn)主槽的沖淤主要與流量大小有關(guān)，與含沙量的關(guān)系不明顯，高含沙洪水對河床沖刷更強烈，且河床沖刷主要發(fā)生在漲水期。如圖7-4給出的花園口、

9、高村、艾山三站的洪峰流量與洪水前后3000m3/s水位差間關(guān)系表明，當洪峰時段流量為40005000m3/s時，寬淺河段的主槽基本上都發(fā)生沖刷，利用這級流量排沙可以基本控制主槽不淤。根據(jù)水深流速間的關(guān)系，控制床面為高輸沙平整床面，所需的主槽平均單寬流量要大于5m3/s，流速。因邊灘的水深流速小，洪水漫灘必然造成嚴重淤積，但這種淤積有利于河道的穩(wěn)定與輸沙。從1973年8月和1992年8月持續(xù)時間較長的高含沙洪水在寬淺河段輸移情況可知，河段的輸沙特性均經(jīng)歷了由淤變沖的過程。如1973年8月的高含沙洪水，在初期含沙量沿程降低，夾河灘以上河段的排沙比只有66%，而在洪水后期，含沙量沿程增大，河段的排沙

10、比達124%。經(jīng)過210km長的寬淺河段，到夾河灘站的實測含沙量仍能達444kg/m3，如圖7-5所示。由此可知，利用歷時較長的高含沙洪水輸沙可以提高河道的輸沙能力，減少寬河段的淤積。從圖7-6給出的花園口站的斷面形態(tài)變化可知，其輸沙能力變化的主要原因，是高含沙洪水在輸送過程中塑造了窄深河槽，使輸沙能力迅速提高。為此水庫應具有較大的調(diào)沙庫容，對天然來水來沙進行多年調(diào)節(jié)。平枯水年蓄水攔沙運用，下泄清水發(fā)電；調(diào)沙庫容淤滿后，利用豐水年水量有余，而小浪底水庫又無法調(diào)節(jié)利用時，利用洪水期泄空水庫進行溯源沖刷，排沙流量應大于3000m3/s。5.比降變化對泥沙輸移的影響比降是河流洪水輸移演進的動力。比降

11、在沖積河流調(diào)整過程中，不象河槽橫斷面形態(tài)變化那樣劇烈，經(jīng)過一場洪水塑造即可使斷面形態(tài)發(fā)生巨大的變化，從而對輸沙產(chǎn)生明顯的影響，其變化一般是緩慢的。沖積河流的比降一般是沿程變緩的，呈下凹形，但河流的調(diào)整，往往使得流速沿程變化不明顯，沒有因比降的變緩而使水流的流速降低，而是始終保持某一固定的數(shù)值，甚至沿程增大，與河道比降的變化相反。其調(diào)整的機制主要是通過河寬的變化，來調(diào)整水深值，從而保持流速始終處于較高的數(shù)值。往往是比降變緩，河寬減小，水深增加，從而使流速不變。表7-1給出黃河下游主槽1973、1977年汛期實測流量3000m3/s水深、流速的沿程變化表明，比降由小浪底站的8，到艾山以下河段減小到

12、1，平均流速并沒有減小，而是由增加到5150m3/s，含沙量變化范圍10786kg/m3，比降4.50，得出的輸沙公式：,比降的方次僅為，接近于零，對輸沙的影響很微弱。造成上述輸沙特性當然還與含沙量增加、流體粘性增大、沉速大幅度降低、輸送更容易有關(guān)。從表4-1給出的不同河流的比降的變化范圍可知，幾乎在同一比降條件下，不同河流所以均能達到輸沙平衡，是由于洪水塑造了不同的河寬。如北洛河主槽寬僅100m，流量200300m3/s的高含沙洪水均可輸送，渭河下游華陰以下，比降不足1，河寬僅250m，1000m3/s洪水均可輸送。因此形成大水塑造大的河寬，小水塑造小的河寬，且均可輸送流域的來沙。綜上所述，

13、在沖積河流實測比降的變化范圍，看不出對洪水輸沙的明顯影響。6.調(diào)水調(diào)沙與河道整治相結(jié)合是改造寬淺游蕩河段的有效途徑早在30年代，德國著名治河專家恩格斯教授，就指出在游蕩性河道形成中水河槽的重要性。并得到眾人的認同。沈怡在評述各家治河主張時，對治理中水河槽給予高度的評價。他指出：“因為種種病象均由河無定槽而起，所以如果要治河，必須首先使河槽定”，“無論何人來治河，都必須這樣做”?？梢娋哂泻硬鄣闹匾５绾涡纬芍兴硬垡恢笔侨藗冴P(guān)心的問題。也是游蕩性河道治理的關(guān)鍵。通過對游蕩河道河槽形態(tài)調(diào)整變化規(guī)律研究，我們認識到單純用河道整治工程治理游蕩性河道是有困難的。新中國成立以后，黃河下游整治實踐說明高村以下河段通過護灣導流，河道穩(wěn)定，整治獲得成功，然而對高村以上的寬淺河段，雖然也采用同樣的整治辦法，目前的擺動范圍雖然有所減小，但在洪水期仍經(jīng)常發(fā)生河勢的突然變化，造成平工出險，給防洪造成被動。其主要原因是前者具有窄深河槽，河道容易控制。而后者河槽極為寬淺散亂，整治工程無法控制主流的自由擺動。因此，首先要通過小浪底水庫調(diào)水調(diào)沙運用改變進入下游的