河床枯萎疏浚淺論

河床枯萎疏浚淺論

摘要原有的疏浚概念多是指在淺灘等礙航河段的通航疏浚，或是河道局部清障，而疏浚技術(shù)發(fā)展到今天，作為長河道防洪減災(zāi)的一種重要措施，必需賦予新的含義。本文結(jié)合近些年來我國北方河流出現(xiàn)的河床枯萎現(xiàn)象，分析了枯萎疏浚的基本原理及幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)于目前在黃河等枯萎河道上采用疏浚防洪有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞河床枯萎防洪減災(zāi)枯萎疏浚枯萎造床流量

1前言近年來，隨著流域水資源開發(fā)利用程度的提高，河床枯萎現(xiàn)象日漸嚴(yán)重。自80年代后期，中國的第二大河——黃河下游河道及河口段由于長期小水淤積，汛期缺乏足夠的水流沖刷恢復(fù)，主槽逐漸萎縮，行洪能力銳減，形成了“小水大災(zāi)”的不利局面。尤其是汛期的第一場洪水，往往水位異常高漲，帶來巨大的損失。1996年8月5日花園口站洪峰流量為7680m3/s，不足下游堤防防御流量的1/3，而沿河水位已接近設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，防洪形勢(shì)一度緊張。1998年7月16日花園口出現(xiàn)第一號(hào)洪峰，洪峰流量僅有4700m3/s，然而最高洪水位竟高達(dá)，僅次于“”洪水。同處中國北方地區(qū)的遼河、海河及新沂河等河流下游尤其河口地區(qū)也遇到了類似的枯萎現(xiàn)象，即沒有足夠的水流動(dòng)力沖槽，致使河道常年萎縮，行洪能力遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，因此機(jī)械疏浚已作為防洪減災(zāi)的一項(xiàng)重要措施被提上日程。疏浚作為一門古老的技術(shù)，在中國其年代可追溯到公元前數(shù)千年，而作為一門新興的科學(xué)，卻是伴隨著歐美的航運(yùn)事業(yè)發(fā)展起來的。目前在國外，美、日、德、荷蘭等國對(duì)于港口航道的疏浚已普遍采用大型高效挖泥船，我國在清淤固堤的長期實(shí)踐中也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)?，F(xiàn)今的河道疏浚工程并不少見，所采用的方法也有很多，有水下疏浚，有干河疏浚、有依靠水力疏浚，也有采用爆破等手段疏浚，但這些方法多是限于局部排障，僅限于航道和港口的整治，而對(duì)于含沙量較高的河流，如何通過疏浚減緩枯萎，增加河道行洪能力則缺乏指導(dǎo)性的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著河床枯萎現(xiàn)象的增多，枯萎疏浚的要求日益增加，這種矛盾就更加突出。2黃河下游河道枯萎特點(diǎn)及疏浚對(duì)策黃河下游河段，從鐵謝到河口，一般分成三段，即游蕩型河段、彎曲和過渡型河段及河口段。黃河下游的游蕩型河段，如鐵謝～陶城埠河段，主流線變化不定，沖淤變化十分強(qiáng)烈，枯萎后泥沙淤積分布在數(shù)千米的嫩灘上。對(duì)于這樣的河道，一方面挖槽不容易穩(wěn)定，另一方面，即使挖槽不回淤，如果與河道主流線不相一致，也起不到增大行洪能力的作用。2000年后，小浪底水庫將在50年內(nèi)對(duì)河南段河道產(chǎn)生沖刷作用，屆時(shí)河道形態(tài)也將會(huì)發(fā)生調(diào)整，因此在此河段不宜采用較大規(guī)模的疏浚，盲目投入，不僅效果甚微，還將會(huì)造成人力物力的極大浪費(fèi)。但是我們同時(shí)也應(yīng)看到，游蕩型河道存在著一些畸形的河灣，也存在“橫河、斜河”的產(chǎn)生條件，如能配合上游的調(diào)水調(diào)沙工程和河道整治工程采用局部疏浚，因勢(shì)利導(dǎo)，調(diào)整河勢(shì)，就能一定程度上減少險(xiǎn)情的發(fā)生。黃河下游的彎曲和過渡型河道，如陶城埠－漁洼河段，原有的斷面比較窄深，枯萎后泥沙淤積集中在數(shù)百米的主槽內(nèi)，洪水主流線集中，這樣通過一定方式和規(guī)模的機(jī)械疏浚，減少小水期的淤積，就有可能有效降低汛期行洪水位，增大河道過洪能力。此外，兩個(gè)河彎之間的過渡河段，由于環(huán)流作用減弱，水流挾沙能力較弱，枯萎最為嚴(yán)重。如梁集和大田樓斷面1994年與1986年相比，過水?dāng)嗝婷娣e分別減少1635m2和1400m2，減少比例56%和53%，從縱剖面來看，過渡段河底高程和行洪水位也較高，已起到局部侵蝕基面的作用。考慮到長河道疏浚的現(xiàn)實(shí)可操作性，短期內(nèi)應(yīng)將上述河段作為疏浚重點(diǎn)河段。黃河漁洼以下河口段的枯萎，主要受來水來沙條件、河口淤積延伸及人工整治措施等因素的制約。人工整治屬于局部影響，淤積延伸屬于溯源影響，這些影響隨水力條件的不同時(shí)大時(shí)小，都有可能加速河槽枯萎的進(jìn)程。但河口段的枯萎主要還是由于來水來沙產(chǎn)生的自上而下的萎縮過程。因此，僅僅是口門清淤，雖說在一定程度上降低了侵蝕基面，但并不能有效緩解黃河下游的防洪壓力。3河床枯萎疏浚設(shè)計(jì)流量枯萎疏浚必須選定某一設(shè)計(jì)流量，才能進(jìn)一步確定挖槽尺度和規(guī)模。設(shè)計(jì)流量的選取，應(yīng)能夠保證河道在設(shè)計(jì)流量下不淤或少淤，從而在一定程度上維持汛前的挖槽尺寸，以減緩枯萎現(xiàn)象。筆者曾論證到，在枯萎的水文條件下，天然河道往往存在著兩種河相關(guān)系：一種是形成洪水河槽的河相關(guān)系，另一種是由于大洪水出現(xiàn)機(jī)會(huì)減少，長期對(duì)河床起作用的是小水，因而出現(xiàn)的枯萎河相關(guān)系?？菸酉嚓P(guān)系致使河寬變小、主槽萎縮，洪水來臨時(shí)同流量水位增高，易造成災(zāi)害。雖然接著河道可能會(huì)沖刷，但由于缺乏沖刷造床的持續(xù)洪水，枯萎的淤積是不能完全恢復(fù)的。因此，枯萎是一種不可逆過程。河道在總趨勢(shì)枯萎的過程中不斷重復(fù)“枯萎－部分恢復(fù)－再枯萎”這個(gè)循環(huán)。形成枯萎和洪水相間的河相關(guān)系，是流域水沙條件發(fā)生變化所致。為了數(shù)學(xué)描述的需要，我們必須在原有的洪水造床流量之外，再選擇一個(gè)代表流量叫作枯萎造床流量。圖1是以黃河艾山站1985－1994年實(shí)測水沙系列推求河道枯萎造床流量的計(jì)算成果。其中，Qi是分級(jí)流量，Si，Pi是根據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)的相對(duì)于Qi的含沙量和歷時(shí)權(quán)重。QSP反映著輸沙能力，選擇與QSP極大值相對(duì)應(yīng)的Q，有利于保持河槽不淤或緩淤。圖1出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一個(gè)在4800m3/s左右，這是我們常說的洪水造床流量。第二個(gè)在800～1200m3/s左右，此時(shí)其對(duì)應(yīng)的平均含沙量約為25kg/m3。我們認(rèn)為這就是枯萎造床流量，正是它作為一個(gè)有代表性的動(dòng)力，塑造了艾山河段在枯萎時(shí)期的河相關(guān)系，故應(yīng)將其作為艾山段疏浚設(shè)計(jì)流量。由于黃河下游沿程大量引水，所以流量沿程減小，因而必須對(duì)每個(gè)河段進(jìn)行具體分析，得出當(dāng)?shù)氐氖杩ＴO(shè)計(jì)流量。圖1黃河艾山站1985～1994實(shí)測系列的枯萎造床流量

Computeddominantdischargeundershrinkingconditionsusingdataseriesof1985-1994atAishanStation圖2疏浚河段開挖橫斷面圖

DredginglineatatypicalcrosssectioninthelowerYellowRiver

4斷面有效疏浚部位及疏浚角黃河下游過渡段河道斷面形態(tài)如圖2所示。經(jīng)非汛期小水的長期作用，貼邊淤積嚴(yán)重，而且形成一個(gè)小水河槽。汛期大水過后，斷面近似一矩形河槽。說明汛期非汛期其水流動(dòng)力軸線并不一致。為充分發(fā)揮挖槽在汛期降低行洪水位的作用，斷面有效疏浚部位應(yīng)盡量與汛期水流最大動(dòng)力軸線一致。筆者假想的疏浚開挖線如圖2所示。既然挖槽位置盡量與洪水主流位置接近，那么在枯水期必然發(fā)生變化，對(duì)于象黃河這樣一條主流擺動(dòng)頻繁顯著的河流來說，挖槽被淤廢的可能性極大。這就要求一方面挖槽必須選擇合理的疏浚時(shí)機(jī)、設(shè)計(jì)流量和挖槽尺寸，盡量減少挖槽在枯水期的淤積變形，另一方面，在必要的時(shí)候，須根據(jù)河道大、中、小水主流線的變化規(guī)律，配合必要的整治控導(dǎo)工程措施，以穩(wěn)定挖槽平面位置。從縱向上來看，挖槽方向應(yīng)盡量與主流特別是底流方向一致，這有利于泥沙的輸移。也有人主張挖槽方向與底流方向構(gòu)成一定的交角，在挖槽內(nèi)形成螺旋流，以利沖沙。原蘇聯(lián)學(xué)者列亞尼茲經(jīng)過理論分析，并用某些小河及伏爾加河的實(shí)際資料分析證明，最小挖槽回淤發(fā)生在底流與挖槽軸線成某φ角時(shí)。B．A．培什金根據(jù)理論論證，也獲得了類似的結(jié)果。根據(jù)原蘇聯(lián)的一些成功挖槽的經(jīng)驗(yàn)，挖槽內(nèi)回淤量最小時(shí)φ=7°～13°。5挖槽橫斷面設(shè)計(jì)挖槽橫斷面一般設(shè)計(jì)成倒梯形，須確定的尺寸為深度、底寬、邊坡系數(shù)及槽底高程。邊坡系數(shù)取決于土壤在水下的安息角，對(duì)此已形成專門的疏浚土研究方向。至于槽底高程則由開挖深度確定。所以主要是確定深度和寬度。在設(shè)計(jì)流量下，設(shè)u0、h0、B0、J0為疏浚前主槽內(nèi)的平均流速、平均水深、水面寬度、水面比降，un、hn、Bn、Jn為疏浚后挖槽內(nèi)相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。令hn/h0=a為相對(duì)疏浚深度；Bn/B0=b為相對(duì)疏浚寬度；un/u0=k為相對(duì)疏浚流速。列亞尼茲以曼寧公式和流量連續(xù)方程為基礎(chǔ)，在一系列假定條件下推導(dǎo)得根據(jù)原蘇聯(lián)一些成功挖槽的經(jīng)驗(yàn)，按下述范圍取值，挖槽內(nèi)回淤量最小。然而，必須指出的是，目前在通航疏浚中現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的列氏公式僅是從提高挖槽內(nèi)流速出發(fā)，對(duì)整個(gè)主槽的過水和輸沙能力是考慮較少的。因此，對(duì)于黃河這樣的多沙河流，公式是否適用尚需具體分析。設(shè)疏浚后挖槽兩側(cè)的流速為u0‘，與u0之比為k‘。經(jīng)過簡單推導(dǎo)可得下式按列氏公式的取值k′=～，這說明隨著挖槽內(nèi)流速的增加，挖槽兩側(cè)的流速比原值有較大幅度的減少，對(duì)提高整個(gè)主槽的輸沙能力來說，這就意味著要產(chǎn)生一部分抵消作用?，F(xiàn)以章丘屋子為例，根據(jù)1996年汛后資料，在設(shè)計(jì)流量1200m3/s時(shí)，原主槽尺寸為400m×，原主槽平均流速為/s，輸沙率25kg/m3。挖泥尺度設(shè)為a=，b=，則按列氏公式計(jì)算結(jié)果un=/s，u0‘=/s。挖槽內(nèi)流量為480m3/s，即僅有大約1/3的流量輸沙能力增加，而剩下2/3的流量其輸沙能力反而有所減少。至于整個(gè)主槽的輸沙能力是大是小，還需要通過數(shù)學(xué)模型甚至河工模型進(jìn)一步深入研究。文獻(xiàn)根據(jù)一些運(yùn)河的治理經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為當(dāng)把疏浚棄土堆放在邊灘位置，則可以在一定條件下增加斷面輸沙能力。然而對(duì)于黃河下游主槽斷面來說，無論如何優(yōu)化，小水淤積是不可避免的。但如能在汛前維持一定的挖槽尺寸，則挖槽對(duì)于降低汛期第一場洪水位的作用是毋庸置疑的。如果忽略挖槽后糙率和水面比降變化，用章丘屋子同一斷面的灘槽曼寧公式聯(lián)合求解，按照如上挖槽尺寸，“洪水”可降低洪水位，“洪水”可降低洪水位。6結(jié)語1.對(duì)于黃河等枯萎河道來說，汛期已經(jīng)沒有可造床洪水。同時(shí)由于同流量洪水位越來越高，單純靠加高堤防的手段，已不能解決目前的防洪新問題，因此，疏浚作為一項(xiàng)重要措施已被提上日程。2.河床枯萎的根本原因還是流域來水來沙條件的變化。因此，疏浚同樣是“治標(biāo)不治本”的措施。黃河下游主槽斷面，無論如何優(yōu)化，小水淤積是不可避免的。但汛前疏浚，對(duì)于有效降低汛期第一場洪峰水位，即對(duì)防洪減災(zāi)的作用是毋庸置疑的。在同樣的防洪效益下，可以與加高堤防措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較。3.以前在黃河上的一些零散的疏浚工程，大多效果不佳。這不僅僅是由于工程規(guī)模小，其中還存在一個(gè)“科學(xué)治黃”的問題。譬如，以往有些疏浚作業(yè)并非選擇汛前，時(shí)機(jī)不合理，以至疏浚的速度趕不上淤積的速度，可謂“事倍功半”。長河道防洪疏浚，與原有的通航疏浚不同，是個(gè)嶄新的研究課題。本文僅是淺論，希望起到拋磚引玉的作用，從而最終用科學(xué)指導(dǎo)疏浚，緩解黃河下游的防洪壓力。[1]明宗富編。疏浚工程學(xué)。武漢水利電力大學(xué)教材，