1977~1996年黄河下游水文断面反映的河床演变(梁志勇)

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学 术 讨 论
!yyXi-rh(f9sP#u01977~1996年黄河下游水文断面反映的河床演变

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梁志勇
*c(|9N6? b v0中国水利水电科学研究院):
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  该文作者根据大量水文站实测资料,以及自己长期积累的实践经验,提出了自己对黄河下游河床演变的一些独到的看法,是很有特色的。对笔者启发很多,笔者在学习的基础上,提出如下想法,愿与作者进行交流。

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1 关于“泥沙传输冲淤波”的概念

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  作者对下游各站滩唇高程以下河槽断面面积的历年变化情况进行了统计分析,绘制了面积的历年变化关系曲线(原文图5)。

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  对该曲线组进行分析,可以初步认为,断面面积的变化不仅随时间而增加或减少,同时随空间(沿程)也在增加或减少。这种变化所反映的现象实际上包括了两个方面:一是同一地点(断面)随时间波动变化现象,在这个“波”前半周期上一河段淤积、断面面积减少,下一河段冲刷、断面面积增加;而后半周期则相反。二是沿程波动现象,即对于同一个水流过程,冲刷(或少淤积)了上一河段、淤积了下一河段。

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  因此,可以将泥沙传输冲淤波的概念引申到更加广义的范围,这个“波动”既意味着随时间的波动,也代表着随距离的波动。当然,可能还需要更多的资料来证明这种波动的存在性。

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  事实上,从广义的角度来看,这种存在于“宽段-窄段-宽段”河道中的泥沙传输冲淤波存在于整个河流系统之中。例如,河流中的“水库-河道-水库”系统,河床形态变化中的“深槽-浅滩或急流-深槽”系统。前者的规模可能较大,而后者的规模则可能较小。水利论文R#sS L!{%[h%E

  这种现象是由水流泥沙与河床形态不相适应或差别较大而引起的。这一点可以从两方面得到印证。一方面,在来水来沙与河床形态相适应时,河道的冲淤现象将不再存在。最近笔者进行的断面变化对水流输沙影响的水槽试验表明,当上游来水来沙不变时,宽窄相间的河道在经过一定的时间后也会达到某种均衡状态。这时,无论在宽段还是窄段,河床的冲淤变化均较小。而一旦来水来沙发生变化,则会破坏这种均衡,引起河床形态的一系列调整,一直到新的均衡状态为止。另一方面,从原文图5可以看出,所谓的“波”在1981到1988年期间比较明显,而在其它时期与河段并不明显。笔者认为,这种波动一方面与水沙的剧烈变化有关,另一方面与河道边界条件的剧烈变化有关。如果二者的变化均较小,则这种波动将会减弱。水利论文iK\2fJk6V

2 “泥沙传输冲淤波”概念的扩展

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  该文随后对泥沙传输冲淤波现象进行了扩展,认为该现象在黄河下游历年漫滩洪水部位的时空演变中也有明显显示。以1977、1982、1996年三年洪水为例,认为泥沙淤积以及洪水未漫滩部位在逐年下移,分别淤积在伊洛河口一带、花园口一带、夹河滩到高村一带等。但没能拿出一些数据进行说明。 

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  笔者绘制了三门峡以下1950年以来若干场洪水的最大含沙量沿程变化过程如图1所示,分别是1953、1954、1956、1959,1969、1970、1971、1973、1977(1、2)十场洪水。五十年代的四场洪水最大含沙量的变化情况是,1953年在小浪底到高村之间最大含沙量从小浪底的600kg/m3左右下降至高村的200kg/m3以下;1954年则是小浪底到花园口之间淤积较为严重,含沙量从小浪底的800kg/m3以上下跌至花园口的400kg/m3左右;1956年含沙量下降严重区在小浪底到夹河滩之间;1959年则在小浪底到花园口之间。

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[`x0I"}Iv0图1 黄河下游含沙量的沿程变化(摘自文献[1])

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  1969年最大含沙量衰减严重的区域在小浪底到夹河滩,1970年在花园口到夹河滩和高村到孙口,1971年在小浪底到花园口,1973年在夹河滩到孙口,1977年(1)在高村以上,1977年(2)花园口以上和夹河滩到高村之间。

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  从以上两个洪水系列的资料可以看出,从小浪底到孙口河段可能存在所谓的“泥沙传输冲淤波”。在冲淤波的作用下,淤积在该河段中的泥沙不断向下游“滚动发展”。

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3 关于河道的“记忆”作用

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  笔者在1994年曾提出了河床形态的所谓“记忆”作用[2,3],认为来水来沙塑造河床形态,而河床形态又受到前期河床形态或来水来沙的影响,指出河床形态的几何特征(如河宽B、平均水深H或宽深比)由前期来水(来沙)过程所决定。例如当来水过程为流量Qi时,假定i=1即第一个时段的宽深比为

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  由于河道的几何形态不仅受来水大小的影响,而且受前期断面形态的影响,即存在“记忆”效应,故i=2的宽深比应存在水利论文e{%AL`;m

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(2)水利论文gZRG`0tF9c

其中k2为反映河道前期影响的系数,可称之为“记忆”系数,其大小在0到1之间,记忆系数越小,河道的前期影响越大或河道的记忆越深。这样,第N个时段的宽深比可以通过下式来确定水利论文X+]-wT B6o

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(3)水利论文1zU`2s3}1YIk U

式中∏代表求积,指数øi=ki∏(1-kj)为从j=N到i对(1-kj)求积;记忆系数ki<1,为反映第i个时段前期影响的系数,其大小应与所划分的时段和河床组成等有关。(3)式表明,第N个时段末了的宽深比除与该时段来水流量有关之外,还在相当程度上受到前期水流流量的影响;而且,这种影响是随时间逐渐衰减的,即越往前的流量影响越小。

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  (3)式虽然反映了实际情况,但不便于直接应用。为此,可暂时取指数øi=øj,即认为各个时段对断面形态的影响程度相当。这样则有

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  其中Q∏代表各时段流量的几何平均值。河宽、水深、面积等几何要素均有类似的关系,只是系数和指数不同而已。

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  该文作者经过多方案试探,认为河槽断面面积与花园口站前5年的年平均水量有最好的相关关系(原文图7)。这一结果表明,对断面形态影响最深的是前5年的来水过程,再以前影响较小或可以忽略。利用该文的有关资料,可以进一步绘制河槽面积BH与前5年几何平均水量的关系如图2所示。二者有较好的相关关系,这也证明了面积也有类似(4)式关系的存在。水利论文l.KS|}u%c

4 关于河槽面积与天数或水量关系的解释水利论文{6H#p+Q/cleF v

  该文统计分析了下游主要水文站河槽断面面积与花园口站前5年大于3000流量的平均天数或花园口前5年的平均来水量之间的关系(见原文第三部分),建立了二者之间的相关关系,相关系数多在0.9以上。认为二者之间所存在的二次抛物线关系是由下游所具有的复式滩槽断面形态而决定的;并且进一步推断水量很大时河槽面积反而减少的现象是洪水漫滩后减弱了河槽水势、加重了河槽泥沙淤积所致。笔者认为这一看法还缺乏足够的证据,而且有背于对已有的对滩槽水沙运动规律的认识。

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  从图2分析可知,面积与平均水量之间的关系在双对数坐标纸基本上为线性关系,只有一个点子有所偏离。笔者初步分析认为,该点子是1985年的点子。由于1976到1984年之间河槽淤积较少或有一定的冲刷(如图3所示的水位波动期),前期河床淤积物较少或已经有一定的冲刷了,所以河槽难以继续保持不淤或冲刷的局面。水利论文IITX4X zS

  另外,从现有的认识来看,通常洪水漫滩以后是河槽冲刷,滩地淤积;在高含沙水流情况下,出现主槽冲刷、嫩滩和滩地淤积的情况。水利论文7Q-fY6iT;c8Y.L5g

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图2 河槽面积与花园口站前5年几何平均水量的关系水利论文$M*mV([U&E1O
Fig.2 Relation of cross section area to averaged runoff of latest 5 yearsat Huayuankou水利论文0g?H4zr4JeK]

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图3 黄河下游主要站3000m3/s流量下的平均水位变化情况(摘自[4])
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Fig.3 Averaged water level changes at 3000 m3/s discharge
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参 考 文 献水利论文8c;Xp7cD

[1]胡一三主编。黄河卷,中国江河防洪丛书。中国水利水电出版社,1996年。

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[2]梁志勇等。水沙条件对黄河下游河床演变影响的分析。水利水运科学研究,1994(1-2)。

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[3]梁志勇等。引水防沙与河床演变。中国建材工业出版社,2000年。

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[4]梁志勇,Carsten Staub.黄河的泥沙与河床演变。亚洲开发银行“黄河防洪技术援助项目”第二次研讨会,2000年。水利论文nKz&e+Xd;lwq.I

牛占(黄河水利委员会水文局)终结讨论:

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  我们的文章,虽然作了很大努力,但仍然是以实测资料为基础,以下游河床*.尘埃蚁薅*在1977~1996年时段的原生素材性的东西。讨论拙文的作者,能肯定“泥沙传输冲淤波”的概念,并将其向深广度方面扩展,能把“汛前断面是前期较长时间水流作用累积的结果”和他们建立的河床形态“记忆”前期流量的模式相联系,并认为两者在概念层是一致的等认识,对我们很有启迪。至于对拙文建立的各断面汛前特定高程下面积与花园口站前期大流量天数及年均水量二次型相关关系阐释的质疑也是可以理解的。因为黄河下游河床演变实在太复杂,经过试探建立一种经验性的定量描述关系或许有结果,但正确的阐释可能要更多的讨论。比如,黄土高原黄土的堆积状况,经大量查勘,描述已有肯定的结果,但黄土高原黄土堆积的成因仍在不断讨论中。物理学发展历史中,解释现象比发现现象更难,学问更多的事例是很丰富的。

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*原文发表于本刊2000年第3期,作者:牛占等。水利论文$\%s:PU+?cM;T;RI

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