黄河下游纵剖面自调整特性(尹国康)

热度72票 浏览143次 【共0条评论】【我要评论 时间:1999年4月01日 13:48

黄河下游纵剖面自调整特性*

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尹国康

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(南京大学大地海洋科学系)

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摘 要本文根据丰富观测资料,对黄河下游纵剖面平行抬高趋向性、塑造均衡剖面趋向性、河口流路改道及其长期延伸对均衡剖面塑造的影响作了较深入的讨论。水利论文*A1o%EM7[2f.f6f[5UL

关键词黄河下游 纵剖面 自调整

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  建国后,黄河治理工作取得伟大成就,同时积累了极其丰富的观察资料。下面就1950~1995年部分统计数据,对黄河下游逾800km河段纵剖面的时空过程,作宏观分析。

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1 黄河下游纵剖面自动调整的两重趋向性

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1.1 平行抬高的趋向性水利论文G~ um/rq HQ+pN Y

  黄河下游水少沙多,长期加积,悬河现象举世瞩目。自50年代初至90年代中,下游河道平均年加积量达1.703×108t(表1)。在淤积物空间分布上,主要集中在艾山以上480km宽河段上,其加积强度变化在688×104m3/km~1855×104m3/km(1950.07~1989.10)之间,其淤积量占到总淤积量的97.6%;而艾山至利津的270km窄河段,其淤积强度不足41×04m3/km,淤积量不及总淤积量的3%(表2)。鉴于花园口以下主槽普遍沿程淤积抬高,其平均抬升率各断面变化在2~9cm/a的范围。反映在水位变化上,同流量(3000m3/s)水位沿程普遍升高了2m左右(表3)。由于黄河口迅速淤积外延,溯源淤积与自上而下沿程淤积同步进行,致使黄河下游纵剖面呈平行抬高势态。另一方面,近半个世纪以来,黄河口经历了三次流路改道**,限制了河口产生实质性的延伸,因此,该时段黄河下游纵剖面的抬升并非严格的平行抬升,而且各具体断面的抬升幅度还受到河槽断面形态的制约。例如艾山卡口的影响,有使黄河下游淤积速率呈现两头小,而中间大的沿程分布趋势(表2),其结果,上段比降有所减缓,而下段比降有所加陡,反映在同流量水位抬升量的沿程分布上,各个加积期均有所表现(表3)。

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*自然科学基金资助项目,49671006

**未考虑现行清水沟流路清7断面附近1996年北汉改道的情形

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①水利部黄河水沙变化研究基金会,黄河水沙变化及其影响的综合分析报告,1993.1-50水利论文OoR7ew

表1 黄河下游各年代实测平均年来水量、来沙量和冲淤量水利论文Ela6E m#d

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年代水利论文y z$Yof

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1950~1959

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1960~1969

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1950~1995

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*小浪底+黑石关+小董~利津,已扣除下游引水输出的沙量

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表2 黄河下游各时期冲淤总量及单位河长冲淤量沿程分布情况①〔1,2〕

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Amount of scour or silting and its distribution in various periods along the river水利论文C(hM.x\oy.G


时段

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1973.9~1985.10

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N ^/b;?3}0W0

表3 黄河下游艺机河床高程及汛末同流量下的水位时空变化①②[2,3]

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Temporal and spatial variations for stream-bed and water-surface elevations at a discharge of 3000m3/s at end of flood season水利论文9Ef"Euml3uC"v2b


测站

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里程(km)

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各时段同流量(3000m3/s)水位变化量(m)水利论文4nE};J0f tUP+Z


1950~19601960~19641964~19731973~19801980~19851985~19891950~19851950~1989

主槽平均高程变化量年均变量水利论文"mSM p!J-A


年均变量(m/a)水利论文H*tb}c1j!s?

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刘家园水利论文h@7UY^x/hsie

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1965.4~1987.5

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0.70

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*自1952年开始起算

WM5|%uJy$i7M Oqi0

中国水利水电科学研究院、黄河河口演变规律及整治研究。“八五”国家重点科技攻关项目(85-926-02-03),1995.12,1-143

G{ J Vy j4`%O0

1.2 塑造均衡剖面的趋向性水利论文e7Nq:y:Z%a;R SQ

  所谓均衡剖面,在这里,是指流域水沙来量与河道输移水沙能力处于动态平衡态的河道纵剖面。进入河槽水沙来量与河槽输移水沙能力是矛盾的对立统一体,对于时时变动着的水沙来量,河槽输移能力不可能时时处处恰好与其相适应。可是冲积河道系统具有冲淤调整自身河槽形态结构和边界物质组成的功能。其调整的目的,完全是为了塑造与当时来水来沙条件相适应的均衡河槽,包括作为河槽重要组分的均衡剖面,使其输移水沙能力与进入河槽的水沙来量相适应,使上游来水来沙得以顺利放行,达到输沙平衡。虽然黄河下游是一条加积性河流,就近四十六年间,其排沙比为76%(表1),但作为制约河槽水流输沙能力的河槽形态结构的重要组分,其纵剖面对流域水沙来量的动态变化,也和其它冲积河流一样,能够作出灵敏的调整响应。从数以年计的时间尺度看(表1),(1)50年代,虽来水较丰,但来沙偏多,过三门峡进入下游河道的水流平均含沙量高达40.8kg/m3,致使下游河段产生较大幅度的淤积,平均年淤积量高达3.87×108t,并且淤积物主要分布在艾山以上河段(表2)。由于主槽淤高,利津以上同流量水位普遍抬升,抬升幅度,自花园口至孙口段较大,下游纵剖面下凹度略有减小。因此,反映河槽输沙能力的河流坡降有所变化,孙口以上逾400km河段坡降略减,而孙口至利津333km段,其坡降却明显加大(表3)。(2)自1960.04至1964.10为黄河下游丰水丰沙年,又正值三门峡水库蓄水拦沙运用期间,该时段水库淤积总量达42×108m3[1]。由于清水下泄,冲刷发展到整个黄河下游,冲刷总量达22.5901×108m3(表2)。从冲刷量沿程分布看,艾山以上近500km宽河段,冲刷量较大,冲刷强度沿程向下游递减;而艾山以下近270km窄河段,冲刷量较小,冲刷强度沿程有所加大。冲刷结果,利津以上整个下游段,同流量(3000m3/s)水位大幅度下降,其中上段铁谢断面下降幅度达2.81m,沿程向下,下降幅度渐次减小,河流纵剖面明显调平。(3)1964.10~1973.09为黄河中水中沙年系列,又是三门峡枢纽工程改建期间,增建了2条排沙隧洞,打开8个施工导流底孔,改为泄流排沙孔。加大了泄流排沙能力。对于大量来沙,下游河道随即作出反应。淤积作用遍及整个黄河下游,该时段的淤积总量达30.0945×108m3,远大于其前期的冲刷量。从淤积幅度的沿程变化看(表2),既具有恢复补偿前期沿程冲刷的性质,又具有50年代淤积强度沿程变化的特点,高村以上近300km河段,淤积强度较大,并且沿程向下渐次增加。而高村以下逾400km河段,淤积强度较小,并且沿程递减。反映在该时段同流量水位变化上(表3),整个下游水面高程大幅度抬升,其中花园口~道旭603km河段的抬升幅度达到2~2.5m左右,黄河下游纵剖面的下凹度有所减小。(4)自1973.09~1980.10为黄河下游中水丰沙年,三门峡工程经过改建,1974年开始“蓄清排浑”运用。下游来沙偏大,道旭以上逾700km河道继续加积,淤积总量达7.8058×108m3,同流量水位又有一定程度的抬高(表3)。下游纵剖面下凹度又因沿程淤积而略有减小。(5)1980.10~1985.10为黄河下游丰水少沙年,平均年水、沙来量分别为481.2×108m3和9.68×108t,水流平均含沙量仅20.1kg/m3。冲刷作用又遍及整个下游。冲刷总量达4.81×108t,结果使整个下游同流量水位下降了0.7m左右(表3)。(6)1986年以来黄河下游进入水沙偏枯时期,河道又作出沿程淤积响应。据1985.10~1989.10资料统计,进入黄河下游平均年水量为320.5×108m3,平均年沙量为7.7×108t,下游河道总淤积量达7.4058×108m3。该时段淤积量沿程分布特点虽与上述三次淤积类似(表2),上多下少,但主槽淤积幅度似乎沿程变化不大。从该时段同流量水位变化值可以看出(表3),整个下游河流纵剖面大体平行上升了0.5m。可见,加积性河流同样经常发生冲刷调整,其纵剖面随冲淤调整不断变化,在变化过程中又因变余积累而不断抬高,所有这些都体现了河道系统力求塑造均衡剖面的趋向性。至于均衡剖面性质(形态特征),除了受来水来沙和河槽边界条件制约外,还受河口侵蚀基准面的控制。水利论文5zk?m&}wR

2 海平面对河道均衡剖面塑造的反馈作用

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  河流进入河口地区以后,其水面线必须与海平面相衔接,其平衡坡降的调整必然受到侵蚀基准面—海平面的控制。

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2.1 河口外延对均衡剖面塑造的影响

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  黄河河口地区,泥沙强烈堆积,口门位置不断向外海延伸,河身日益加长,原口门河床及水位相应抬高,这对其上游河段来说,相当于侵蚀基准面日益抬升,坡降减缓,加剧了泥沙的落淤。在重建平衡坡降过程中,通过溯源淤积,使河口延伸所造成的影响向上游发展,直至影响所及河段的坡降调整到足以使流速能够带走所有进入河流的泥沙。对于输沙接近平衡的河流来说,经过调整而抬升的纵剖面将倾向于平行原来的纵剖面。当然,由于河口延伸的影响在向上游发展过程中,部分为各种调整因素所共同吸收,部分为沿程来水来沙条件变化所引起的调整所淹没[4],严格的平行通常很难达到。象黄河下游这样一条加积性河道,尽管河口迅速淤积延伸,坡降不断减缓,但其河道力求塑造的均衡剖面却倾向于坡降不断加大。只要所考虑的时间尺度不是太短(十年或数十年),这种趋向性还是可以辨识的(表3)。1934年后黄河河口流路变迁进入第二次大循环,这个时期的海岸线较第一次大循环的海岸线平均外延约10km,河口段比降按1‰。计,由此而造成的长期性的水位升高近1m[4],而下游高村至洛口近300km河段仅四十年间,其同流量水位却上升了2m以上。从表3中数据可见,孙口以下坡降略有调陡,尤以泺口—利津168km河段更为明显。水利论文n ZWs%k:vnQ

  纵剖面平行抬升与形成均衡剖面是黄河下游造床过程对立统一的两个方面。从宏观看,在终极侵蚀基面(海平面)不变的情形下,河道中上段沿程淤积使河床加高,由此使整个纵剖面产生坡度变陡效应,纵剖面趋近均衡剖面,以满足过量流域来沙排放入海的要求。另一方面,大量来沙排放入海,又加速了河口淤积延伸,使河道长度加大,从而使整个纵剖面产生坡度减缓效应,引发了自河口为起点的溯源淤积,制约了纵剖面达到严格的均衡。这两种过程的相互反馈,使得造床作用一方面力求塑造成均衡剖面,另一方面又时时产生偏离均衡的情形。这种反馈作用不断进行,使得黄河下游纵剖面不断更新。黄河河口近口段的溯源淤积和其上段的沿程淤积,致使黄河下游纵剖面趋淤平行抬升,正是这种不断更新的具体表现,也是上述两种过程对立统一作用的结果。

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2.2 流路改道对均衡剖面塑造的影响水利论文 f Nr X|]7z3k

  流路改道,流程缩短,坡降加大,类似侵蚀基面突然下降,引发溯源冲刷。

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2.2.1 河床裂点消除调整 1855年黄河下游铜瓦厢决口改道,流程缩短135km,改道点河床形成明显裂点,跌差达到6m,由此引起强烈溯源冲刷,其范围远过160km武陟沁河口。此次刷深形成的沿河老滩至今还高出临河滩面。如1982年花园口15300m3/s洪水,大部分老滩仍高出水面1m上下[5]

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  1976年5月,黄河口流路于西河口改道清水沟,流程缩短了36km,改道点上下河床落差逾2m。由于该年黄河水沙条件较好,溯源冲刷十分明显,经过一个汛期,西河口至利津段主槽刷深了0.78m。3000m3/s流量水位下降了0.5m以上(表4),下降的幅度自西河口至利津渐次减小。由于沿程冲刷作用的叠加,给裂点上溯尖灭界限的确定带来困难。但从1976年与1977年汛前流量坡降的比较可以看出,西河口以下河段的坡降,由于上下不等量淤积而调平,而西河口至利津段的坡降却由于溯源冲刷而调高。至于利津至刘家园段坡降的调高,似乎也与溯源冲刷的调整分不开的(表4)。

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表4 黄河下游高村以下汛前同流量(3000m3/s)水位及坡降时空变化①〔6〕

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Temporal and spatial variations for water level and gradient at a discharge 3000m3/s before flood season in the reaches downstream of Gaocun

b^m/Z&ln0
项目年份高村孙口艾山洛口刘家园清河镇张肖堂利津一号坝西河口十八公里
(m)
1976~1977-0.04-0.17-0.40-0.40-0.40-0.57-0.62-0.50-0.53-0.550.01
1977~19790.510.340.550.600.480.750.790.770.670.911.23
1979~1980*0.170.270.100.10-0.02-0.11-0.18-0.17-0.33-0.52-0.39
1980*~1985*-0.35-0.310.30-0.45-0.11-0.50-0.71-0.70-0.56-0.63-0.24
1985~19940.931.281.151.641.121.452.031.551.421.951.54

水利论文8`p?r6_,xl

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(‰。)水利论文b$n3q{@h1bf?

1976
1977
1979
1980
1985
1994

各段距离(km)水利论文+@Y%R:U+F@

1.145
1.164
1.162
1.166
1.163
1.034
189.6
1.032
1.032
1.037
1.045
1.032
1.034
141.5
0.948
0.956
0.933
0.945
0.991
0.957
128.2
0.936
0.946
0.917
0.990
0.975
0.892
48.2
2.223
1.820
1.590
1.496
1.216
1.511
13.9

*为汛末同流量(3000m3/s)值水利论文'g?t}'b)c

  1977和1978两年,黄河水少沙多,利津站年平均含沙量高达39kg/m3,黄河下游沿程普遍发生淤积。与此同时,改道点以下新河尚未成型,水流散乱,并且口门位置较1976年6月向外海延伸了11km,加剧了河口段泥沙的落淤。这表明,由改道裂点引起的上冲下淤调整,在改道当年业已完成,裂点上溯到刘家园附近尖灭,改道点上下河段衔接基本趋于和谐。水利论文/S O4v'?7x[7MQ3k

2.2.2 改道点以下散乱型流路向单一型流路转化引起的溯源冲刷调整 1979和1980两年黄河水沙较少,利津站>2000 m3/s流量总共只出现43天,下游继续沿程淤积。但由于改道流路经过三年造床,主槽刷深,汊道兼并,由散乱漫流型流路转化成单一成型河槽,同流量水位有较大幅度下降,由此又一次引起改道点以上河段溯源冲刷。冲刷幅度自西河口沿程向上渐次减少,一直波及到刘家园附近(表4)。反映在该河段同流量坡降上,1980年汛后坡降远较1979年汛前为大。水利论文 GC~R UI2[-d-n

2.3 河口流路改道周期性与近口段上下纵剖面调整的节奏性

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改道点以下尾闾段经历漫流——单一流路——散乱游荡流路发育阶段后[7],进入到新一轮改道周期,每次改道周期均包含溯源冲刷和溯源淤积的节奏性调整。在改道周期中,河口沙咀延伸对上游河道的反馈作用十分明显。如上面提到的1977~1978年淤积过程,西河口以下河段的淤积幅度明显大于西河口以上;清河镇以下的淤积幅度又明显大于清河镇以上。反映在坡降调整上,刘家园以下河段同流量坡降1979年汛前远较1977年汛前为低(表4)。前面提到1981至1985年为黄河丰水少沙年,利津站>2000m3/s流量年均达78.6天。由于中水持续时间长,漫滩机遇少,下游河道普遍刷深。由于该期间河口外延8km,西河口以下河段1984、1985两年有所回淤,因此该河段冲刷幅度明显小于以上各段(表4)。

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  1986年以来黄河枯水枯沙,下游连年淤积,河槽逐年萎缩,同流量水位逐年抬高(表4)。若按里程加权平均计,1986~1994年高村至艾山段水位平均抬高1.14m;艾山至刘家园段平均抬高1.39m;刘家园至利津段平均抬高1.54m;利津至西河口段抬高1.55m;西河口至十八公里段抬高1.75m(表4、5)。另一方面,1986年以来黄河入海泥沙固然相对较少,河口延伸速度相对较缓,但其延伸量还是十分触目的,其中1986年至1988年累计延伸了5.4km[7],1988年至1994年累计延伸了8km[8],因此,近口段上下这种水位抬高沿程渐次增大现象是与河口迅速延伸引起的溯源淤积作用分不开的。水利论文 M&dF3W qp]8@:s

表5 黄河河口近期三条流路河长及利津站同流量(3000m3/s)水位变化②〔7〕

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Changes in lengths of three river courses in recent periods and water levelsat a discharge of 3000m3/s at Lijin on the Yellow River delta

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流路名称水利论文/@)Pk} `)@a#Z |l

改道点

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改道流程缩短(km)水利论文`4Y#Az_ X$i[bJ

改道初三年利津水位变化(m)水利论文"`.GTlB


行河时间

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利津水位(m)水利论文(Q`LPj!uD~5~


利津以下河长(km)水利论文PM2P] |,O&]5@ z


位置

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距利津(km)

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上年~当年

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当年~次年水利论文I7J.O!?E2gpT~

当年~次二年

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初时

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初时

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神仙沟水利论文Tu @L6eMUqUvF

小口子

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43.7

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11

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