河型成因研究及其应用(尹学良 梁志勇 陈金荣 刘峡)

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河型成因研究及其应用水利论文 l%oZ9K3\YM

尹学良 梁志勇 陈金荣 刘 峡水利论文4AMZ;z G)GZ

(中国水利水电科学研究院)水利论文w h-Q ]@#sgm

摘 要大水淤滩刷槽,小水淤槽,河性河型就在这对相互矛盾过程的相互交替、相互抵消、相互消长中形成、演化。前者导向好河,后者导向坏河。两者的强弱对比,就是河性河型差异的总根据。可用来水来沙关系的m值来表达这种对比。m>2.5的将形成单股窄深蠕动性河型,m<2.5的则形成多汊宽浅游荡性河型。改变来水来沙关系的m值,大水淤滩刷槽、小水淤槽过程的强弱对比也就改变,河性河型也要逐步改变。这就是调水调沙、改造河性的真谛。将宽浅游荡河段改造成较窄深稳定,以便修建兴利工程和整治工程;将强烈淤积的河段改造成通畅的淤积较轻的河段,以延长河道工程的使用年限;将无防洪困难的宽浅河段改造成更宽浅的坏河,能拦截大量来沙以利于下游河段的整治利用;水沙条件不易改造,而需加一些人工辅助的,如将分汊性河道改造成单股性河道,等等,都可以作为改造河性的目的。水利论文)kF&GH6CN:^b6r ~M V

关键词河型成因 河性改道 水沙搭配 黄河 小浪底水利论文Qw(sG%LB!Ch-Ln

1 河型成因水利论文Upo | q

  淤积并不都可怕,可怕的是河槽的淤积;滩地上的淤积对河槽稳定有利。冲刷也不都是有利的,滩地的冲刷会引起河槽摆动改道;河槽受冲刷会对形成窄深的河道有利。大水淤滩刷槽,小水淤槽;河性河型就在这两种相互矛盾过程的相互交替、相互抵消、相互消长中形成、演化的。见图1。两过程的强弱对比,就是河型差异的总依据,如图2。设河道断面的输沙关系线为c线,如果来水来沙关系如d线所示,比c线为陡,则大水期将发生淤积,小水期将发生冲刷。我们知道,大水期淤积,应主要淤在滩地上,这样可使滩地易于淤高;小水期冲刷则只能发生于河槽中,有利于冲深河槽。因此d线所示的来水来沙关系将促使河道变得深窄,其原先的输水输沙关系线(c线)也将逐渐被调整到和d线相合。相反地,如果来水来沙关系如e线所示,即比c线平坦,则大水期将发生冲刷,小水期要淤积。……将促使河道断面变得更为宽浅多汊。河道的输水输沙关系线也将逐渐由c线变到与e线相合。所以来水来沙的搭配关系Qs=Kqm的m值大的,大水来沙偏大而小水来沙偏小,易于淤滩刷槽而形成单股窄深蠕动性河型;m值小的,大水来沙偏小而小水来沙偏大,易刷滩淤槽而形成多汊宽浅游荡性河型。根据实测资料,m值约以2.5为分界[1]水利论文.X!Bn4G8Y

①尹学良。黄河的害沙及其处理问题。国务院三门峡枢纽问题座谈会文件。1964.12

②尹学良。三门峡水库运用和增建问题。水利电力部“三门峡水利枢纽问题座谈会”文件汇编。1962年9月水利论文 L1@s7sXGwc1~+e

  来沙极少的单股河流,裁弯故河不易淤死而能多汊长期并流,可出现一种副河型,即多汊窄深蠕动性河型。来沙极少的多汊河型,该死的支汊不易淤死,而能多汊并流,也可出现另一种副河型,即多汊宽浅蠕动性河型。长江、嫩江中下游成为分汊性河道,就是这个原因。

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  因季节性壅水而使大水期比降减小的河段,相当于加大大水期淤积(加大m值)而易形成单股窄深河型,如下荆江和长江支流的下段是。北方长期冰冻河流冰期岸冰起护岸作用,冰盖使近底流速增大,流冰对河底剪力强,温度低使泥沙沉速减小,都使小水期输沙能力增大,减小小水期的河槽淤积,相当于加大m值,使河道易于向单股窄深河型发展,如嫩江等是。

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  滞洪水库将洪水泥沙滞蓄而在洪水过后的小水期才泄放,减不了下游河道的淤滩强度而加大淤槽强度,下游河道会变成更宽浅游荡的。如柳河闹得海水库的作用是[2]。这是直接将大水来沙转化成小水泥沙,减小m值、淤坏下游河槽的典型例子。

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图1 黄河艾山~利津淤积比

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图2 输水输沙关系与来水来沙关系水利论文Q"R6L HP.|3X?3\ `

Relation between siltation and discharge in reach from Aishan to Lijin stations水利论文!f"l:h$R$Wv3Aw)}

Relation between discharge and sediment transport

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  不少学者强调边界土质结构对河型的作用,认为河岸和河床抗冲能力之比,河岸粘土含量、河岸土质二元结构等决定河型。另一些学者则强调比降或侵蚀基面对河型的作用,认为基面决定河道比降,比降决定冲淤强度,从而决定河型。然而对于冲积性河流来说,边界条件,土质结构、比降等,都是由来水来沙条件和其所构成的河型条件的影响下决定的,即不同的水沙条件造成了不同的河型,也造成了土质结构和比降等因素的差异,而不是这些因素决定河型。历来一种河型的河流劫夺其他河型的河床(例如黄河夺淮,单股窄深河流流入黄河故道等),或同一条河流的来水来沙条件改变了,旧的河床土质结构及比降等都要被新的水沙条件破坏和改造,直到改造完成为止[1]。当然,在改造完成之前,新河还是要受老河床条件影响的。实际上,来水来沙条件经常变,河性河型不断在变,河床土质结构、比降条件等也跟着不断的变。三门峡枢纽几次改变运用方式,黄河下游河性也跟着改变几次。因此,河性是可变、常变、易变的。

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2 改造河性河型问题

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  河性是可变、常变、易变的。研究河型成因,目的在于改造河性河型。改造的方向,一般是把坏河改造成好河,把宽浅游荡河道改造成窄深蠕动河道,并极力防止好河变成坏河。而其改造的方法是加强大水淤滩刷槽过程而减弱小水淤槽过程。按照前面水沙搭配关系决定河性河型的认识,只要减少小水泥沙,加多大水泥沙,或不使小水挟沙进入河道,或将小水集中变成大水泄放,或将小水泥沙转化成大水泥沙,就能加大水沙搭配关系的m值,使河性变好,河槽变窄深。这就是我们过去常说的调水调沙,改造河道的办法(1)~(3)水利论文(~"j~ J8r b@

(1)尹学良。三门峡水库增建后下游河道问题。水利电力部“三门峡水利枢纽问题第二次座谈会”文件汇编。1962年9月

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(2)尹学良。黄河下游河道的改造问题。黄河下游河道治理学术讨论会文件。1978.9.郑州水利论文.\ ewd}r$aI

(3)尹学良。黄河的害沙及其处理问题。国务院三门峡枢纽问题座谈会文件。1964.12

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  河道变窄深后,输送同样水沙所需比降相应减小,水位随而下降。例如,据曼宁公式,让断面水深加大1.5%,输送同样流量的比降就能减少5%。而若黄河的比降能减小5%,花园口的水位就能降低4.5m,效果是明显的。又如断面积相等的矩形断面,若河宽减小20%,输水输沙能力将分别增大16%和45%;仅此一项,就足以将黄河全部来沙输送入海而有余。水利论文 e5S&Qv.V*Y,nYd

  黄河利津站(见图3)1963~1975年平均,每个汛期河槽冲刷20cm,非汛期淤积36cm。平均每年净淤高16cm。若按大、小水期统计,则每年小水期的淤积量,大水期的冲刷量,将远比36cm和20cm为大。因此,只要制止或减弱小水期的淤积,单靠大水期的刷槽,河槽将很快变成窄深。水利论文 q7Xys&wL:@ \:W|L*d{

  制止或减少小水淤槽,滩槽高差加大,河道游荡强度减弱后,更便于兴利工程和整治工程的建设。因此,改造河性,使之较窄深稳定后,再进行全面整治控制,不失为游荡性河段的事半功倍的整治程序水利论文~ Z.br:Sq5x

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图3 黄河下游河道图

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Sketch of the Lower Yellow River

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  河槽刷深,滩地是否也要大量坍失,以致河槽迅速展宽呢?河流滩槽的位置关系,主要是由大中水的水沙过程决定的。我们调水调沙,主要调节小水,制止或减弱小水淤积,不调节大水过程,应不致造成大量塌滩展宽。当然,必要时也可加些护滩工程辅助。水利论文 xH} R6A[

  然而,将坏河改造成好河,将宽浅游荡性河道改造成窄深蠕动性河道,只是河道改造的一种方向。其实,根据自然规律,根据人的需要与可能,河道改造是可以多种多向的。

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3 辽河支流柳河下游的改造水利论文5EktL#] vz.j`.R

  过去,柳河的大量泥沙由洪水直送到大汗屯、新民以下(见图4),成为辽河西部水害沙害的主要根源。1939年以前100年内,河道迁徙达15次,仅本世纪30年代内就迁徙4次之多。沈山铁路1903年修建后,铁桥移动过9次。路基也不断加高,其中3次即共加高9m。柳河来沙对辽河干流的为害也极大。但在大汗屯以上,柳河却是比较稳定的,河槽较深,滩上建有四百余僧众的大庙和十几座小庙,还有个大地主庄园。这说明河道的摆动和淤积都不很严重。

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图4 柳河下游河道示意图

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Sketch of the Lower Liuhe River

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  为了解决沈山铁路的安全,1942年建成了闹得海水库。原设计为拦沙库,后见沙量太大,不敢安装闸门而成为无控制的滞洪水库。188m高程总库容为1.683亿m3,1963年洪水淤剩0.809亿m3,1973年又冲开增至1.350亿m3,永久淤积量仅约0.33亿m3,合平均年沙量(0.29亿t)的1.5倍。可见水库对河道长期水、沙量和平均含沙量的增减和调节是不大的。而且集中在初期几次大洪水内。但水库对水、沙及含沙量过程的调节却始终很巨大,因而引起下游河道的重大改造:洪水期间,库区壅水,大量泥沙淤下,出库洪峰减小,中水加长,含沙量大大减小,下游漫滩淤积减弱,滩坎坍塌加剧,河槽稍许刷深;洪水过后的小水期,库区发生强烈冲刷,淤沙大量被小水带下,淤在坝下游不远(大庙、彰武一带)的河槽里。长久下来,彰武以上滩地大量坍减,十几座大小庙宇和大地主庄园坍塌殆尽,河槽迅速淤高、变宽浅、强烈游荡了。大汗屯以下河道则变成少淤、稳定的[2]。河性被彻底改造了。

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  柳河下游的输沙情况如表1。来沙的近一半淤在上段42km内,1/4淤在中段62km内,仅有1/4能到达新民以下,这对新民段和辽河下游显然是很有利的。水利论文"[Z;fF:P/oT

表1 柳河下游多年平均输沙量(1)

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Annual sediment load in the Lower Liuhe River

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年输沙量(亿t)

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年淤积量(亿t)水利论文0sjFB:yL

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(1) 辽宁水科所,闹得海水库管理所.柳河下游河道冲淤演变分析.辽宁水利科技,1973(5)

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4 河谷改造拦沙问题

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  表1是河谷改造、拦沙的典型例子。另一种典型是:红山水库库尾生长茂密林草后,起着滞洪滞沙,改造水沙搭配关系的作用,将来沙的90%以上拦截,进到库区的淤积量不足10%[3]。黄河、永定河上中游沙源支流大都很宽阔、平坦,平时无水,成为乱石干滩,连农耕都不宜,且无防洪问题。若能在河床上广植柳树,待林草茂密后,将能起拦沙作用;也能改善河滩土质,宜于农耕。林草随淤随长,不怕淤死;受些冲毁,再生能力也强。当然,可加些人工维护,特别是在初期。

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  河谷拦沙是有极限的。但可在水土保持拦沙大见成效之前,提前对下游河道起良好的作用。

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5 改造河性根治黄河问题

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  我们研究河型成因,目的就是为了寻求根治黄河的办法。改造黄河河性可以达到的要求是:(1)将河槽改造较窄深稳定的,便于建造治河工程和兴利工程。(2)将河道改造成窄深通畅,输水输沙能力增强,河道淤积速率减小,以延长河道工程的使用年限,为上中游拦沙减沙赢得时间,逐步达到根治的目的。水利论文vR)[7x6?#~]W

  根据前节所提思路,减少小水来沙,加多大水来沙,或不使小水挟沙进入河段,或将小水集中变成大水泄放,或将小水泥沙转化成大水泥沙,就能加大水沙搭配的m值,使大水淤滩刷槽加多,小水淤槽减少,河槽变窄深。在黄河,大小水的分界约为1800m3/s,见图1。淤槽最强的流量级约为1100 m3/s。而且黄河非汛期流量多在1200 m3/s以下,控制调度是比较容易的。为了制导这种效能,我们曾考虑过的措施有:用三门峡枢纽调水调沙,使泥沙尽量输送入海或淤在适当部位上;建小浪底工程作为泥沙反调节水库;用枢纽尽量拦截小水期较粗的泥沙,到大水期仍把它排泄下去;用黄河下游各低水头枢纽调水调沙(当时黄河下游有6大低水头枢纽在建或已建,后都依次废弃或停建);用三门峡枢纽作低水反调节,不放小水流量或集中成2000 m3/s以上的平顶水峰下泄;建白坡引水工程,将三门峡枢纽下泄的小水引出堤外分用;利用黄河沿岸引水涵闸将河道小水流量引出堤外分用(但应集中引水使河道免受分流淤积之害);改变三门峡枢纽“小水排大沙”的运用方式;黄河口地区进行大小水分流,使小水改道就近入海,以改造河口河道。水利论文q^|C:so

  用我们过去常用的河床冲淤计算公式(1)水利论文`-HwU.qTR,B

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  用黄委设计院设计的2000年水平艾山站流量过程,计算三个方案的利津河槽高程变化:a方案为原设计流量过程,即不加人工调节的,b方案为不让非汛期小水(<1800m3/s)进入山东的,c方案为不让全年进入山东的。经过25年,尽管河口已淤积外延25km(假设每淤进1km),自然情况下(a方案)河槽也已淤高2.1m,平均每年淤高8.4cm;b方案河槽仍比原来降低0.5m,平均每年降低2cm;c方案河槽降低2m余,平均每年降低8cm。到第25年,b方案比a方案低2.6m,c方案低约4m。可见调节小水的成效是很明显的。水利论文:tE0v2K:B

  80年代中叶以后,黄河来水转枯,下游河道断流机遇增大,不少人认为黄河已无水可调,靠调水调沙已不可能起作用。不过,事物都有两面性。小于1100 m3/s的流量减小,河槽淤积率也减小;河道断流,河槽也不再淤积;单就河槽冲淤而言,这都是好事。大于1100 m3/s的流量减小,河槽的冲刷会减小,甚至会转而淤积;这是不利的。其实,黄河的所有问题都源于河槽不断淤积,以致洪水位不断抬高,工程效能不断降低;而河槽淤积则只在小水期发生。只要减小或制止了小水淤积,就能使水位抬升减慢或停止,工程寿命相应增长,就算达到目的了。当然,如果来水丰沛,能将较小洪水调成较大洪水,淤滩刷槽作用更强,河道改造速率也就更快。水利论文4w$NX [`/B

80年代中,我们曾计算得黄河口大堤还能再用50年;加上调节水沙,改造河道后,还可再多用20年;以后进行河口改道二、三次,就能在200年内不必加高河口大堤。在此期间,改造黄河下游河道,使洪水位不再抬高或减慢其抬高速率,以在200年内不必加高黄河大堤。有这么长的过渡时间,上中游的水土保持拦沙应能大见成效了。黄河下游也就达到根治。

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6 长江中下游的改造水利论文#~3@.sc4wO[

  长江中下游成为分汊性河流的原因,是含沙量很小,已如前第1节所述。汊道既不利于航运,也因分汊后比降加陡,壅高洪水位而不利于防洪。而壅高水位的影响能向上游累加。武汉段天兴洲汊道,在流量63400m3/s时,分汊段比降万分之0.296;而附近的单股段比降仅万分之0.107。汊段长20.6km,比单股河段壅高水位39cm。城陵矶至江阴段共有汊道41段,占800km河长的71%。各汊段壅高水位累加起来会是很惊人的。长江水量极大,水沙关系易改造,但若能加些人工辅助,使汊道逐步归并,当对降低长江洪水位及加深航道有很大裨益[4]。水利论文A.u.? oB&E9i

7 黄河小浪底枢纽的泥沙问题水利论文 x7V"Br*P5t ?"kop

  80年代中,小浪底枢纽可行性研究报告提付审批时,尚不能考虑发电运用,表明其泥沙问题的复杂性。而今枢纽即将建成,且按电站运用已成定局。这一转变会存在什么问题,如何去处理,自然是应该很好研究的。例如枢纽水位应一次抬高到位还是逐步抬高,至今仍是一个争论的问题。一次抬高的发电效益较大,逐步抬高则拦沙效益较大。这是建库后一、二十年内、水库还没淤积平衡前的问题。在此期间,水库下泄清水、冲塌下游滩地,也将是个问题;与三门峡水库的情况相似,但程度会有所减弱,因为滩地已塌去较多,且已修了不少护滩工程。发电流量若在1800m3/s以下,山东河槽将受到更多淤积,也是一个问题。

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  库区接近冲淤平衡以后,如何维护防洪库容和兴利库容,将是枢纽运用的一个重大问题。大水、高水位难以排沙,小水、低水位排沙将损失电能和淤坏下游河槽,这是问题的关键。平时按1000m3/s上下的流量发电,即使是清水,也将冲刷河南而淤坏山东,也是一个问题。对此,规划部门的看法大抵是:(1)在一年的主汛期内(7月11日~9月30日),较短时间的大流量敞泄冲刷排沙,更多时间为低壅水蓄水拦沙,调节径流;在非讯期内(10月~次年7月10日),高水位蓄水拦沙,调节径流。其间的排沙期,只有来水在2500~8000m3/s之间时敞泄排沙,来水大于8000m3/s时按8000m3/s下泄,来水大于10000m3/s时按下游防洪要求泄放。据规划部门计算,这样运用,下游河道的淤积量每年可减少0.3~0.4亿t,河床继续淤积抬高,河床演变特性基本上恢复为自然状态。水利论文&x ?~8v+@

80年代中,小浪底枢纽尚不考虑发电运用。我们以规划部门所提供的无枢纽调节(无小方案)和经枢纽调节后(有小方案)的艾山流量过程,计算得山东河槽冲刷过程(1)、(2),如表2所示:有小方案比无小方案淤积速率约增大43%,其中汛期原可共冲深4.7m,经水库调节后减为4.1m。其原因如图5中的汛期流量频率曲线,与图1相比,枢纽的调节把不少大于1800m3/s的可冲刷河槽的水流调节小于1000m3/s的要淤积河槽的水流了。这当然是与调水调沙的原意相违背的。以后规划部门可能重新计算过。水利论文W^)q T n9l

(1)涂启华,安催花等。论黄河下游河床演变规律和小浪底水库调水调沙作用。黄委会设计院。1997年10月水利论文}c6Bi`:e[

(2)尹学良。黄河山东河段河槽冲淤量计算初步成果。国家计划委员会《小浪底枢纽可行性研究报告审查会》文件。1984年8月水利论文'q P+D$eq)q/XR:Q?

表2 小浪底枢纽运用25年,山东河槽冲淤量(m3)

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Predicted siltation for the reach in Shandong province after 25 years since the Xiaolangdi project constructed

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方案水利论文i,F9c#z'sR

无小浪底

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有小浪底

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汛 期

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冲4.7

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冲4.1水利论文#w)|hBQ.zB

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非汛期水利论文{ WG(i1gO4GU

淤6.8

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淤7.1

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多淤0.3

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总 计

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淤2.1

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淤3.0水利论文m/p9y3e,B

多淤0.9

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图5 艾山站25年汛期流量频率曲线水利论文}%x(Yq.o*p!Xz

Frequency curve of discharge in 25 years at Aishan

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  从计算成果中可以看到,经过合理调度,枢纽是能够大大减少下游河槽淤积的。但在建成电站后,情况便会不同:发电要求不能降低水位运用,水库难以排沙;黄河多年平均流量约为1400m3/s,可调节使用的发电流量约为1000 m3/s上下,正好是山东河槽淤积率最强的流量级(见图1)。对此,有关方面提出将发电流量加大到2800 m3/s的办法,但对大型电站来说,反复蓄水补水,停工运用,不一定可行;河道水流时断时行,也会出现新问题;电站投资加大,又是另一个问题。水利论文1{b;N4u?s

  总之,小浪底枢纽的运用方式和泥沙问题还必须很好地根据河型成因和改造规律进行研究。在维护枢纽发电效益的要求和不使下游河道变坏的要求下,可以考虑兴建西霞院泥沙反调节枢纽,将水沙关系尽量和谐,m值尽量大,以辅助小浪底枢纽完成调水调沙任务。水利论文F0Pl|$U2A9@L8@

8 结论水利论文vP8GN)m\ h

  河性是可变、常变、易变的。大水淤滩刷槽,小水淤槽两个矛盾过程的强弱对比,是河性河型差异的总依据。调节大、小水期的水沙关系和历时,就能改变这个强弱对比,河性河型也就随而改变。将宽浅游荡河段改造成较窄深稳定,以便修建兴利工程和整治工程;将淤积强烈的河段改造成淤积较瘦的河段,使河道工程的使用寿命增长;将无防洪问题的宽浅河段改造成更坏的河段,能拦截大量泥沙,以利于下游河段的整治利用;加些人工措施逐渐归并长江中下游汊道会对通航及防洪有利,等等,都可成为改造河性河型的目的。小浪底枢纽的泥沙问题应该很好加强研究。必要时可考虑加建西霞院泥沙反调节枢纽以辅助解决问题。水利论文!K7l!u @,DXp

参考文献水利论文1l[n4?Ohzw

1 尹学良。河型成因研究。水利学报,1993(4).水利论文f}7m,}|+kma

2 尹学良。闹得海水库库区及下游河道的变化。水利学报,1997(7).水利论文 g^|-o/\

3 赵宝信。红山水库淤积上延初步分析。泥沙研究,1980(复刊号).

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4 尹学良。长江中下游汊道节点的形成及演变。河床演变河道整治论文集。北京:中国建材工业出版,1996.

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