山东黄河挖河固堤减淤效果分析(刘景国,戴明谦,吴家茂,葛丽荣)

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山东黄河挖河固堤减淤效果分析

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刘景国戴明谦,吴家茂,葛丽荣
(山东黄河河务局)

摘要:分析了山东黄河挖河固堤启动工程实施必要性和挖河固堤从河口开始原因,介绍了挖河固堤启动工程规模、实施及原型观测情况,系统分析了挖河固堤工程对观测河段水位和河道减淤影响,并得出观测结论。水利论文Mk"r/s rG*V3Z

关键词:黄河河口;挖河固堤;减淤效果;泥沙水利论文&Px0yU_#p

1 山东黄河挖河固堤启动工程概况

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1.1 挖河固堤的必要性

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1.1.1 河道淤积严重,排洪能力下降 山东黄河位于黄河最下游,河道长628km,其特点是上宽下窄,比降上陡下缓,排洪能力上大下小。长期以来,由于大量泥沙淤积,使河床逐年抬高,形成地上“悬河”。特别是80年代以来,水沙条件发生了很大变化,来水、来沙量大幅度减少,径流量年内分配趋于均匀,河道淤积更加严重。目前,河床高于背河地面3~5m,设计洪水位高出背河地面8~10m,“悬河”形势日趋严重。水利论文d8B-S*LE$f`t

  主槽淤积抬高,漫滩流量减小。由于长时间持续小流量,使大量泥沙淤积在主河槽内,主槽过水断面锐减,漫滩流量已由60年代的6000~7000m3/s,减小到目前的2000~3000m3/s,河道排洪能力大大降低,防洪形势十分严峻。水利论文_wG1g+k

  黄河口入海流路延长,溯源淤积严重。黄河口现行入海流路是1976年改道的清水沟流路,已由改道时的27km淤积延伸至1996年的65km。

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1.1.2 防洪工程标准不足,许多险点没有消除 山东黄河临黄大堤长803km,按照2000年的设防标准,有664.1km堤防高度不足,有485km堤防强度不足,需要加高、加固。另有黄委会在册的老口门、管涌、渗水、顺堤行洪等30处防洪险点亟待消除。水利论文;qZ8I#n#u%f!u

1.2 挖河固堤河段的选择水利论文j&bJD H u!II

1.2.1 黄河下游挖河从河口开始启动 河口不断淤积延伸,侵蚀基准面相对抬高,是造成黄河下游河道淤积的一个重要因素。在河口河段进行挖河疏浚,使河口流路保持通畅,并在一定水沙条件下产生溯源冲刷,不仅有利于现行河口流路的通畅和稳定,而且对河口以上河道将起到明显的减淤作用。

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1.2.2 清淤开卡,充分发挥清8改汊溯源冲刷的作用 1996年在河口实施的清8人工改汊造陆采油工程,经过“96.8”洪水的冲刷和观测分析,河道溯源冲刷延伸至6断面,在6断面以下形成了一个比较适宜的河槽形态和纵比降。随着运用时间的增长,河道仍将会产生溯源淤积。挖河固堤启动工程选择朱家屋子至6断面,是因为该河段位于清8改汊溯源冲刷的上缘,通过挖河降低河床,拓宽主槽,能提高排洪、排沙能力,减淤效果明显。

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1.3 工程标准及工程量

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  山东黄河挖河固堤启动工程位于东营市河口段朱家屋子~清2断面,全长24.4km,其中朱家屋子至6断面长11km为挖河段,6断面至清2断面长13.4km为疏通段。挖河段开挖底宽200m,平均挖深2.5m;疏通段开挖底宽20m;边坡均为1:3。挖河固堤土方548万m3,加固大堤长度10km,加固宽度100m。

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2 挖河固堤启动工程的实施水利论文0k6P6@/ET f#@;q!k

  挖河固堤启动工程分两个阶段实施,第一阶段工程开挖1.4km,土方92.5万m3,采用旱挖施工,由黄河口管理局组织实施,1997年11月23日开工,1998年3月20日完成。第二阶段工程开挖河长9.6km,土方455.91万m3,其中胜利石油管理局承担挖河长3.53km,土方154.9万m3,采用旱挖施工;其余由山东黄河河务局承担,采用组合泥浆泵开挖。第二阶段工程1998年4月10日开工,1998年6月2日完成,比计划工期提前28天。水利论文%Ol5jZ6bUw0?&P

3 挖河固堤启动工程原型观测水利论文"c!R_1W9@ p1\

  挖河固堤观测研究的主要内容有:挖沙减淤效果研究;挖河疏浚施工方法的研究;淤区观测研究和挖河疏浚对环境影响及防治措施研究,重点是挖沙减淤效果研究。

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  挖河原型观测河段为利津至清6断面(即丁字路),河道长77.53km。观测水文站为利津、朱家屋子、丁字路口,其中朱家屋子和丁字路口水文站是为挖河观测新设的。水位站包括一号坝、渔洼、西河口,其中渔洼是为挖河观测新设的,观测大断面共15个断面,断面平均间距5.2km,其中,十八户和五七两个断面是为挖河新设断面。水利论文h5ge&H:kS;A

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图1 挖河固堤原型观测测站、河道断面布置图
Location of hydrologic and gauging stations and river cross-sections in plan

4 利津水文站来水来沙情况

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4.1 利津站水沙特点水利论文H9ikfAro

  1950年至1997年的48年间,利津站年均径流量为354.6亿m3,年均输沙量为8.91亿t。其特点是来水来沙主要集中在汛期,其中来沙量最为明显,1950年以来,利津站年均汛期径流量为216.8亿m3,占全年水量的61.1%,年均汛期输沙量为7.54亿t,占全年沙量的84.6%。年际间来水、来沙极不均匀,最大水、沙量与最小水、沙量相差悬殊,最大年径流量为973.1亿m3(1964年),最小18.6亿m3(1997年);最大年输沙量为21.0亿t(1958年),最小0.16亿t(1997年)。

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4.2 90年代水沙变化

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  1990年至1997年,利津站年均水量154.1亿m3,占多年(1950至1997年)平均值的43.5%,年均沙量4.2亿t,占多年平均值的47.1%,均不足多年平均值的1/2,水量的减少幅度大于沙量的减少幅度。水利论文[*`"x+H~R_

  90年代,河口断流现象日趋严重,8年中就有7年断流,且断流时间增长,1997年断流天数达到226天,断流开始日期提前,断流河段延长。

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4.3 1998年利津站水沙情况水利论文,\m1@%`%gx o&pf

  1998年利津站1月1日已经断流,2~9月断流11次共103天。2~9月径流量96.85亿m3, 输沙量3.74亿t,占90年代同期平均值的77.7%和 85.6%,径流量、输沙量均偏小,径流量尤为显著。水利论文 NAR1Sv.E/M{

5 原型观测减淤效果分析

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5.1 挖河工程对观测河段水位的影响

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  挖河工程的实施,降低了挖河段的河床,使上下游河段发生冲刷,在一定时间内起到了降低同流量水位的作用。水位变化的趋势是:挖河结束后,同流量水位降低,然后随着挖河段的回淤逐渐抬升,水位降低幅度减小。

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5.1.1 河口段流量1000m3/s水位变化 从表1可以看出,7月份挖河结束后观测河段1000m3/s流量水位降低最大的是挖河段渔洼水位站,降低0.28m,挖河段下游西河口水位站,降低0.44m。8月份以后,随着挖河段的回淤,挖河段水位开始抬升,其上下游河段水位继续下降,降幅减小。水利论文7K(Xn [ {)S/T9@.S

表1 1998年河口段1000 m3/s水位变化
Stage changes for discharge 1000m3/s in 1998 at river mouth reach

月份利津一号坝朱家屋子渔洼西河口西字路

水位差值水位差值水位差值水位差值水位差值水位差值
(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)

612.54-0.099.780.018.81-0.048.32-0.288.04-0.444.34-0.01
712.459.798.778.047.604.33
-0.07-0.03-0.010.09-0.060.06
812.379.758.768.137.504.39
-0.010.160.120.030.11-0.05
912.369.918.888.167.614.34

5.1.2 河口段流量2000m3/s水位变化 从表2可以看出,2000m3/s流量水位降幅最大的是利津站,降低了0.21m,降幅上大下小。9月份以后,水位开始抬升,挖河河段以下由于河道冲刷,同流量水位继续降低。水利论文BTB&DO8q0]1R ?

5.1.3 1999年第一号洪峰及最大流量水位变化 1998年黄河第一号洪峰于7月22日进入河口地区,利津站洪峰流量为2480m3/s,相应水位为13.53m,比“96.8”洪水偏低0.30m。1998年最大流量发生在8月29日,流量为3220m3/s,水位13.82m,比“96.8”洪水偏低0.47m。水利论文^'g)J7X|6c'SP|

表2 1998年河口段2000m3/s水位变化
Stage changes for discharge 2000m3/s in 1998 at river mouth reach

月份利津一号坝朱家屋子渔洼西河口西字路

水位差值水位差值水位差值水位差值水位差值水位差值
(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)(m)

6
710.539.498.808.424.82
-0.21-0.13-0.03-0.03-0.070.07
813.0410.409.468.778.354.89
0.100.130.070.03-0.07-0.05
913.1410.539.538.808.254.84

  丁字路口站水位降低更加明显,25003/s水位为5.24m,比“96.8”洪水偏低0.60m。

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5.2 挖河观测河段的冲淤变化水利论文1|5? f_+WW

  挖河后不同时段河道冲淤变化 1998年2月至9月对挖河观测河段进行了11次测验。根据断面位置,将测验河段划分为三个河段,利津至朱家屋子为挖河上段,朱家屋子至6断面为挖河段,6断面至清6断面为挖河下段,分六个时段进行分析(详见表3)。

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  第一时段河道冲淤变化 6月4日至6月20日为第一时段,该时段挖河工程实施后拦河坝破除,挖河段开始过水,利津至朱家屋子河段冲刷523×104m3。朱家屋子至6断面过水后产生明显淤积,平均淤积厚度为0.23m,并且淤积强度自上而下减小,具有沿程淤积性质,淤积量307×104m3。6断面至清6河段平均冲刷深度为0.06m,冲刷量363×104m3。其原因是下泄泥沙大量沉积在该河段以上的开挖河段内,下泄水流含沙量降低,并且泥沙颗粒较细,造成开挖河段以下普遍冲刷。该时段除了挖河河段略有淤积外,其余河段均为冲刷,第一时段冲刷量为579×104m3水利论文a[\GD~

表3 利津至清6冲淤量及冲淤厚度统计表
Statistical table of volume and thickness of erosion from Lijin to Qing 6

时段利津至朱家屋子朱家屋子至6断面6断面至清6利津至清6

冲淤体积冲淤厚度冲淤体积冲淤厚度冲淤体积冲淤厚度冲淤体积冲淤厚度
(104m3)(m)(104m3)(m)(104m3)(m)(104m3)(m)

1998.6.4~6.20-523-0.183070.23-363-0.06-579-0.07
6.20~7.65350.189.90.0074560.0710030.09
7.6~7.30-0.4701040.08-213-0.04-109-0.01
7.30~8.22-43.6-0.02-44.8-0.031600.0371.50.007
8.22~9.2521.60.0078.60.006-86.5-0.02-56.3-0.006
9.25~10.991.50.0338.80.03-9.4-0.0021210.01
6.4~10.9810.034230.32-61-0.014550.06

  第二时段河道冲淤变化 6月20日至7月6日为第二时段,6月20日以后至断流期间,利津至朱家屋子河段上段淤积,下段冲刷,朱家屋子至6断面继续淤积,但淤积强度有较大的减小。6断面以下河段由冲刷转为淤积。第二时段淤积1003×104m3

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  第三时段河道冲淤变化 7月6日至7月30日为第三时段,该时段利津站发生了黄河第一次洪峰,洪峰流量2480m3/s,利津至朱家屋子河段略有冲刷;朱家屋子至6断面仍为淤积;6断面至清6断面,呈现冲刷状态。第三时段冲刷109×104m3水利论文j6]1I-@MU4}y

  第四时段河道冲淤变化 7月30日至8月22日为第四时段,利津至朱家屋子河段继续冲刷,朱家屋子至6断面由淤积转为冲刷, 6断面至清6断面,由于上游发生冲刷的影响,产生淤积,第四时段淤积71.5×104m3

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  第五时段河道冲淤变化 8月22日至9月25日为第五时段,9月25日以后河口基本断流, 8月下旬河口段水量相对较大,而含沙量较小,利津以下各站洪峰流量及洪量均超过第一号洪峰。该时段利津至朱家屋子河段淤积,朱家屋子至6断面河段微淤,淤积强度基本与上游河段相当;6断面至清6河段则发生冲刷。观测河段冲刷量大于淤积量,共冲刷56.3×104m3

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  第六时段河道冲淤变化 9月25日至10月9日为第六时段。该时段内,利津以下只有小部分过流,大部分时间内为断流,因此大部分河段出现淤积,只有小部分河段出现冲刷,第六时段淤积121×104m3水利论文OYzY9g"}

  观测时段内观测河段冲淤情况 挖河工程结束后至10月9日,利津至朱家屋子河段累计淤积81×104m3,朱家屋子至6断面河段共淤积423×104m3,淤积量小于开挖量,6断面至清6河段冲刷61×104m3。整个观测河段共淤积455×104m3

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  1999年5月观测结果 1999年2月底和5月中旬对观测河段又进行了二次大断面观测。2月底的观测结果为利津至清6断面淤积495×104m3,但挖河段出现了微冲,共冲刷44×104m3。5月中旬观测的结果是观测河段以冲刷为主,挖河段以下为淤积,观测河段冲刷119×104m3。从1998年6月挖河工程结束到1999年5月挖河固堤工程实施一年的观测结果表明,观测河段共淤积828×104m3,其中挖河段淤积301×104m3,仍未将挖河体积完全淤完。

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5.3 挖河后河道冲淤与典型年比较水利论文@!wfp M$m$`"m/l

5.3.1 来水、来沙及河道边界条件比较 通过对多年水沙及河道条件的比较分析,发现1986年和1993年的水沙及河道条件与1998年相似(详细数据见表4),故选择1986年和1993年作为典型年与1998年挖河减淤效果进行比较。水利论文3P qS,A;AsN

表4 典型年水沙条件及河道边界条件比较表
Comparison of water-sediment conditions and regime of river flow between typical years

年份径流理输沙量平均含沙量平均流量最大流量断流河道长度
(亿m3)(亿t)(kg/m3)(m3/s)(m3/s)(次/天)(km)

1996年891.5417.37204130054.4
1993年1093.6733.689532103/2862.2
1998年93.843.7039.479232206/4555.2

注:表中所列数据为两次统测之间的数据。水利论文0r],b f&V9T$m\ B

5.3.2 冲淤比较 1998年实施挖河工程后,2~10月利津至清6河段共淤积455×104m3,1993年同期、同河段淤积1067×104m3,1998年淤积量只占1993年淤积量的42.6%。1986年同期,利津至清7总共淤积940×104m3,1998年淤积量占1986年淤积量的48.4%。1998年挖河工程的实施,使利津以下河段在不利水沙条件下,河道淤积量有较大减小,说明挖河工程的实施已初步起到了减淤效果。水利论文s[Nw,Tk

6 挖河固堤启动工程原型观测结论水利论文$bN|,td;Ng*\ l4l

  1998年水量、流量较小,利津站第一号洪峰最大流量为2480m3/s,汛期大于2000m3/s流量的天数仅为13天,在这样不利水沙情况下,由于挖河工程的实施,挖河段及其上下游出现了“冲刷→回淤→基本冲淤平衡”的效果,如果挖河工程结束后,挖河段始终保持一定的来水,减淤效果会更好,综合分析认为:水利论文(Tb7i){eeK

  1.挖河工程实施后,观测河段各水文站、水位站洪峰流量水位、同流量水位均有不同程度的降低。水利论文$_w`&YZ0Ln(z5Q2u5U

  2.挖河段经过一个汛期不利水沙条件的回淤,河底高程仍然能明显低于开挖前的河底高程。

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  3.挖河段虽然产生了回淤,但其上下游河段在一定范围、一定时段内均产生不同程度的冲刷,因此挖河具有减少河道淤积发展趋势,加大河道输水输沙能力的作用。水利论文"R;|[YB"k8S

  4.挖河工程实施后,1998年同时段、同河段与往年水沙条件、河道边界条件相近的年份相比,淤积量有较大减少,产生了较为明显的减淤效果。水利论文+h'X.mZ;qN7[$k

  5.1998年挖河固堤启动工程挖沙548万m3,利津至清6断面的减淤量为700~800万m3,挖河减淤比为0.76~0.63。即每减1m3泥沙需挖沙0.76~0.63m3水利论文 T%{.F%\R

 

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