黄河下游河床萎缩过程中畸形河湾的形成机理(许炯心,陆中臣,刘继祥)

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黄河下游河床萎缩过程中畸形河湾形成机理

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许炯心1,陆中臣2刘继祥3
(1.中国科学院地理科学与资源研究所;2.中国科学院生态环境研究中心;3.黄河水利委员会勘测设计院)

摘要:80年代中期以来,进入黄河下游河道流量大幅度减小,河道发生萎缩,并且频繁断流,使游荡河道一些河段发育了畸形河湾。游荡段畸湾是冲积性河湾受到节点限制情况下,由于流量减小导致湾道进行自我调整过程中出现一种特殊现象,反映改变了水流条件与原有人为工程条件不相适应而出现一种剧烈河势调整和河床形态调整。畸湾发育使弯曲系数增大,河段比降减小,故流速减慢,因而在同流量下水位壅高;畸湾还常常导致横河、斜河现象出现,使防洪面临很大压力。对于这种现象进行深入研究并进而找到可行对策,在治黄上具有十分重要理论意义和工程意义。

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关键词:畸形河湾;河道萎缩;河床调整;防洪;黄河下游水利论文x8E \C t3IyK

作者简介:许炯心(1948-),男,中科院地理科学与资源研究所研究员,博士生导师。

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1 问题的提出

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  畸形河湾是一种变形的、过渡弯曲的河湾形态,它常常是在某种局部存在的抗冲性边界条件的控制下形成的。例如,当河岸沉积剖面中的粘土透镜体受到冲刷而出露,便会形成这种特殊的节点,一般称为“胶泥嘴”。如果这种节点恰好位于凹岸弯顶受到水流顶冲之处,河湾的自然下移便会受到阻碍。由于此点以上的河湾仍然可以向下移动,整个河湾形态就会发生扭曲,导致畸形河湾的形成。黄河下游依次可以分为游荡段、过渡段和弯曲段。据胡一三等研究,其中的过渡段在1966年开展重点河段河道整治以前,曾经多次形成畸形河弯,并发生自然裁弯现象。通过对4个畸形河湾发育过程的研究,他们认为河道边界中出露的耐冲粘土层(胶泥嘴)在畸形河湾的形成中期起着重要的作用[1]。然而,在游荡段尚未见到过畸形河湾形成的报道。

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  80年代中期以来,黄河流域气候偏旱,加上随着国民经济的高速增长,人类用水量激增,使进入下游河道的流量大幅度减小(图1)。因而河道发生萎缩,并且频繁断流,使河床演变出现了许多前所未有的新问题。小浪底水库修建后,下游河道维持小流量的问题不会从根本上缓解。因此,除了一般情形下游荡河道水库下游河型的变化之外,还会出现很多特殊的河床调整现象。80年代以来在下游游荡段出现的畸形河湾(即畸湾)现象即是其中之一。小浪底水库修建以后,随着河道游荡性在一定时期内减弱,畸湾现象可能会表现得更为明显,出现的机率也会增高。畸湾是一种对黄河下游的防洪极为不利的河床调整现象,只有在认识其形成机理的前提下才能找到防治对策。因此,我们对河床萎缩过程中畸湾形成的机理进行了分析。

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2 畸形河湾发育的一般图形水利论文 x)h5Nz"j+^/{']5Z

  畸形河湾是在水沙条件变化之后河床形态剧烈调整过程中出现的。在这一过程中,如果河湾形态受到某些特殊边界条件(例如河岸节点)的限制,则可能会发生畸形河湾现象。

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2.1 流量减小有利于游荡河型向弯曲河型转化水利论文*N`,G Yq$e

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图1 1986~1994年间黄河下游各级流量的年平均历时随时间的变化(图中数字为流量m3/s)
Temporal variation in duration of different discharge in the Lower Yellow River in 1986~1994. The figures besides the curves denote the discharge in m3/s
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图2 区分河型的比降-流量关系
Relationship between slope and bankfull discharge (after Leopold and Wolman[2]and Chien and Zhou[3])

  黄河下游花园口至高村河段具有典型的游荡河型,但局部河段受人工节点如堤防险工和滩地控导工程的影响,游荡性较弱。80年代中期以来黄河下游水量大幅度减少,中水、小水流量的历时大大增加,大流量出现的频率减小(图1),使游荡段中原来受节点控制而较为稳定的河段有向弯曲河型转化的趋势。这一结论可以由著名Leopod-Wolman关系[2](图2)导出。该图表明,在比降一定而流量减小时,原来位于游荡河型区但却接近游荡-弯曲临界直线的点子,可能向左方平行移动而进入弯曲河型区。这是由于比降的调整需要相当长一段时间中,可以认为比降保持为下移动,仍位于弯曲河型区内。水利论文5{Y+M7~^d ON,j%oY

  研究表明,黄河下游游荡段的不少河段,近年来都有向单一弯曲型转化的趋势,其原因就在于此。

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2.2 河湾的尺度与流量的关系水利论文 J h2\ xi`O#DyB Q

  前人的研究表明,弯曲河流的河湾尺度与流量之间存着某种函数关系[3,4]水利论文+g#a-x/@j Ym#H9q

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(1)

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Lm=12B水利论文0k3c*Xc/Y

(2)水利论文,lk fx$W`u7p g

R=3B水利论文6wI0_ C2v v$y"V

(3)

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这里Lm为河湾跨度,R为河湾半径,B为河宽,Qb为平滩流量。Lm和R的定义见图3。水利论文/t*Cd7q5D{e7cK,p

  由式(1)、(2)、(3)可得水利论文 tTie]GT

R=12.5Qb0.5水利论文CC3N@SU(VR

(4)

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  前人研究还表明,曲流带的宽度Bm也与平滩流量Qb成正相关[5]

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37-3.tif (100118 bytes)
图3 弯道形态指标的定义
Definition of indices describing a river bend

Bm=0.38Qb0.41

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(5)

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这里曲流带的宽度为弯道摆动的幅度,即弯道摆动涉及的范围。以两条平滑的曲线分别连接左右两岸弯道的顶点,这两条曲线之间的平均距离即为曲流带的宽度,它表示在一定的流量条件下曲流自由发育所必需的回旋空间的大小。水利论文K.n)_@Y

2.3 流量减小后河湾尺度的调整与畸湾的形成水利论文:W[]Kmg

  由上述各式可以看到,表征曲流尺度的指标(跨度、河湾半径、曲流带宽度)均与流量的0.4~0.5次方成正比。显然,在黄河流量减小的过程中,弯道的几何尺度会进行自我调整,以适应新的水流条件。这种调整表现为减小跨度、河湾半径和曲流带宽度的内在要求。

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  在不受边界条件限制的情况下,曲流的发育表现出向下游蠕移的特征。由于凹岸的最大冲刷点位于弯顶稍下处,故随着凹岸的冲刷、凸岸的淤长,整个弯道将向下游方向缓慢移动。如果由于某种边界节点的限制,在某一点上不能移动,而该点以上的河湾部分仍可下移,则可使河湾向畸形发展。水利论文'E'AgHM?)]'V

  80年代以来,随着河道整治工程特别是护滩控导工程的进行,黄河游荡段出现的河湾大部分为限制性河湾,即两岸的弯顶都受到河岸险工或滩地控导工程的控制。在这种情况下,河湾不会下移,在总体上河道的位置比较稳定。然而,随着流量的减小,曲流带的宽度将减小,其他形态指标如跨度、弯道半径等也将减小。这祥,就可能出现某一岸上原来受到水流顶冲的险工脱离水流的现象。按照弯道的天然发育规律,在这一点上弯顶失去控制后将向下游移动,而下一个弯顶则可能仍会受到节点的控制而保持固定位置。这时就会使弯道形态变形,出现弯道倒转。若失控的弯顶继续下移,当它移动到下游方的弯顶以下时,则畸形河湾便会出现,并最终导致自然裁弯的发生。裁弯以后,起控制作用的节点被甩掉,原有的工程失去对河势的控制作用。此后新的弯道形态还会进一步发育,在适当的条件下仍可能出现新的畸形河湾,从而开始畸湾的下一个发育周期。水利论文 l3M`#h!zl

  下面我们将以一个具体河段的演变来说明畸湾的发生、发展和消亡的全过程。水利论文fcokV `C1S y

3 柳园口—古城间畸湾的演变过程水利论文!X `e&mUld

  柳园口险工至府君寺工程之间,由于柳园口险工、大宫工程、古城工程和府君寺工程的控导作用,发育了一个大尺度的、相对较为稳定的河湾。然而,由于1986年以后黄河下游连续枯水,造床流量(平滩流量)减小,河宽变窄,由此引发河湾形态的剧烈调整。我们依据1989~1997年间这一河段的河势图,研究了畸湾的演变过程。为了便于比较,取历年汛后的河势图作为代表,在需要的时候,也列出了汛前的河势图(图4)。

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  1989年汛后,在原来规顺的柳园口—大宫—古城之间的弧形河湾上,出现了一个向南凹进的次生小河湾(图4A′,1989),这显然反映了水流力图塑造尺度更小的河湾形态的内在要求,使上述弧形弯道变成一个包含两个相反弯道即具有一个完整曲流波长的弯道。由于弯顶在古城工程处受到限制,位置固定,不能下移,而新形成的向南凹进的弯道(以下称南岸弯道)则因弯顶处不受控制而有下移的趋势,因而使河湾向畸形发展。1990、1991年汛后,此弯顶有明显的下移(见图4A,1990;图4B,1991)。1992年大水,使河床展宽(见图4C′、图4C,1992),干扰了这一进程,但因大水历时短,并未改变河床演变的总体趋势,1993年汛后,南岸弯道弯顶已下移到北岸古城弯顶以下,使北岸弯顶倒向上游,由此形成了畸形河湾(见图4D,1993)。从1994年到1995年,这一畸形河湾进一步发展,弯曲系数也不断增大(图4E,1994;图4F,1995)。1996年大水,发生了裁弯取直(图4G,1996)。裁弯的结果使古城工程脱流,形成了不受原有险工和控导工程控制的新的弯道,形态宽缓(图4H,1997)。至此完成了畸湾的发育周期。水利论文"n8C}nFL'{-v

  值得注意的是,类似的演变过程在柳园口—大宫间也发生过。由于受到柳园口和大宫两个工程的控制,在1993年以前这一河段的河势在总体上变化不大。但随着河道萎缩的进一步发展,曲流带宽度有缩小的趋势,导致1993年柳园口险工脱流(见图4D,1993),原位于该处的弯顶迅速下移,并向北收缩,至次年此弯顶己接近超越位于大宫工程处的下游方弯顶,畸形河湾于是形成(见图4E,1994)。至1995年汛后,大宫工程处的弯顶脱流,于是整个河湾快速下移(见图4F,1995)。这一因素加剧了下游方的另一个畸湾系列(前己述及)向进一步畸形化发展(见图4G′,1996年汛前)。在1996年大水中,两个畸湾系列都发生了裁弯取直(见图4G,1996)。此后,柳园口以下,上述两个畸湾系列都消失了,完成了畸湾发育的生命周期。很显然,在适当的水沙条件和河势条件下,畸湾还可能再度发生、发展和消亡。

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  应该指出,由于河岸节点的限制,在畸形河湾发育的过程中,随着河道长度的不断增加,曲流带宽度发生扩张,如1995~1996年间的情况即是如此。这时曲流带的宽度己超过了在不受限制的情况下由流量所规定的宽度。

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4 畸湾对防洪的影响

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  畸湾现象是黄河下游河床演变的一种新现象,它使原有工程脱流,河势失去控制。例如,柳园口—府君寺河段畸湾的发育过程中,原来对河势有很好控制作用的柳园口、大宫、辛店、古城等险工和控导工程先后脱流,使多年来耗费巨资建立起来的防洪工程失效,河道重新处于不受控制的状态,损失是很大的。水利论文w jp3wy-V

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图4 1989~1997年间柳园口至府君寺河段河势图
Sketeh maps showing the changes of main currents in the Liuyuankou-Fujunsi reach in 1989~1997

  畸湾的发育使弯曲系数增大,河段比降减小。我们从1:10000的河道图上量算出了柳园口至府君寺河段历年的弯曲系数,同时还根据柳园口和古城两个固定断面历年的测量资料,计算出了断面上主槽的平均高程,再根据从图上所量出的这两个断面间的河道长度,计算出了河道比降,所获得的结果已点绘在图5中。从图中可以清楚地看到,从1990年汛后到1996年汛前,弯曲系数持续增加,由1.10左右增大到1.93,而河床比降则由0.00016左右减小到0.0000981。1996年汛期中发生的自然裁弯,才使得弯曲系数突然大幅度减小,而比降则大幅度增大,恢复到畸湾发育以前的状况。弯曲系数的增大增加了形状阻力,加以比降减缓,故流速减慢,因而在同流量下水位壅高,有利于泥沙的淤积。图6中点绘了畸湾段柳园口和古城两个固定断面以及畸湾段进口以上的黑岗口断面和以下的曹岗断面1990~1997年间历年的主槽平均高程。图中的趋势线的斜率可以表示时段平均的淤积速率。可以看到,柳园口断面的斜率要比其以上的黑岗口大得多,而古城断面的斜率也比其以下的曹岗断面要大。在7年时间中,柳园口断面主槽淤高了1.36m左右,而畸湾段进口以上的黑岗口断面和以下的曹岗断面只淤高了0.95m和0.93m,可见畸湾河段比非畸湾河段要高得多。除了使同流量下水位壅高以外,畸形河湾还常常导致横河、斜河现象的出现,使防洪面临很大的压力。对于这种现象进行深入研究并进而找到可行的对策,是一项十分紧迫的任务。

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40-5.tif (90506 bytes)
图5 柳园口至古城断面间历年的弯曲系数和河道比降随时间的变化
Temporal variations in channel sinuosity and slope of the Liuyuankou-Gucheng reach
40-6.tif (72510 bytes)
图6 畸湾段的柳园口和古城断面与该段以上和以下非畸湾段的黑岗口和曹岗断面历年的主槽平均河底高程随时间的变化
Temporalvariation of average bed elevation of main channel at the Liu andyuangkou Gucheng cross sections with distorted bends and the upstream Heigankou cross section and downstream Caogan cross section

  本文在讨论黄河下游游荡段畸湾形成的一般图形的基础上,以典型河段的详细资料,揭示了畸湾发生、发展和消亡的全过程及其形成机理。黄河下游游荡段河道萎缩过程发生的畸形河湾现象,其形成的机理在本质上与前人在过渡段发现的畸湾是相同的。由于局部抗冲节点(如胶泥嘴)的形成和出露,使位于此处的弯顶不能向下移动;若上游方对岸的弯顶可以自由下移,则当上游方弯顶超前于上述受到限制而无法下移的弯顶时,就会使整个河湾形态受到扭曲而形成畸湾。除了这种一般性机理以外,游荡段的畸湾则是在河湾受到节点(这种节点常常是人工节点)限制的情况下,由于流量减小导致弯道进行自我调整的过程中出现的一种特殊现象,反映改变了的水流条件与原有人为工程条件不相适应而出现的一种剧烈的河势调整和河床形态调整。

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  畸湾的发育使弯曲系数增大,河段比降减小,故流速减慢,因而在同流量下水位壅高;畸湾还常常导致横河、斜河现象的出现,使防洪面临很大的压力。对于这种现象进行深入研究并进而找到可行的对策,在治黄上具有十分重要的理论意义和工程意义。水利论文4S lzMRP

  小浪底水库修建以后,低水流量出现的频率还会增大,因而河宽、曲流带宽度和河湾跨度还有可能进一步缩小,这使畸湾出现的机率有可能增大。如何找到控制畸形河湾发生发展的工程技术措施,避免畸湾在防洪上带来的问题,是我们面临的一项重要的技术研究课题。

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  致谢:本工作为中国科学院资源环境领域重点项目成果,并得到黄河水利委员会勘测设计院资助。水利论文 V g3z5~~!@

参考文献

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