来水来沙对潼关高程的影响(姜乃迁,侯素珍,李文学,张翠萍)

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来水来沙对潼关高程的影响

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姜乃迁,侯素珍李文学张翠萍
g)M!W%b H'Q!{r.o\#^O0(黄委会黄河水利科学研究院)

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摘要:本文阐述了三门峡水库“蓄清排浑”运用以来入库水沙的特性和潼关高程的变化,对潼关高程非汛期升高、汛期降低的基本规律进行了分析。指出汛期来水量的多少是影响潼关高程的主要因素,1986年以后汛期来水量的大幅度减少是潼关高程持续升高的根本原因。

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关键词:潼关高程; 来水来沙; 三门峡水库

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作者简介:姜乃迁(1957-),男,黄委会黄河水利科学研究院高级工程

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  影响潼关高程的主要因素有来水来沙条件、坝前运用水位、上下游河道冲淤状况,1996年以后,还有射流清淤作业,其中,来水来沙条件起着主导的作用。本文着重分析三门峡水库实行“蓄清排浑”运用以后水沙条件对潼关高程的作用。为避免开射流清淤的影响,资料分析至1995年。

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1 来水来沙特性水利论文IO}~E%r b~(BOG qc

  潼关水文站1974~1995年平均来水量349亿m3,平均来沙量9.3亿t;其中汛期平均来水量189亿m3,占全年的54%,汛期平均来沙量7.6亿t,占全年的82%。如将汛期再分为伏秋两汛,则7~8月伏汛的平均来水量占汛期的50%,平均来沙量占汛期的72%,显见来沙量年内分布的不均匀性远大于来水量,全年58%的来沙量集中在7~8月。水利论文bIkm8hv;y

  1974~1995年的来水可分为两个不同的系列。1974~1985年的12年中,除1974年和1980年来水量偏少外,基本是一个丰水系列,年均来水量401亿m3;1986~1995年的10年中,除1989年和1990年来水量偏丰外,基本是一个枯水系列,年均来水量287亿m3。1974~1985年期间的6次丰沙年基本上伴随着丰水年,而1986~1995年期间的4次丰沙年均伴随着枯水年。显然,1986年以后的水沙组合较以前恶化。造成这种状况的原因是龙羊峡水库投入运用、工农业用水逐年增加、降雨量减少和水土保持等综合作用的结果。水利论文 V+kV:^,@;i

  1986年以后来水量在年内分配也发生了较大变化,汛期来水量占全年的比例由1974~1985年的59%下降为1986~1995年的46%。尤其引人注目的是洪水发生频率和洪水量均大大减少。表1显示,1974~1985年大于2500m3/s流量的水量占汛期水量一半以上,大于1500m3/s流量的天数占汛期的三分之二,而1986~1995年小于1500m3/s流量的水量和天数均占了主导的位置。汛期平均流量1974~1985年为2223m3/s,1986~1995年只有1241m3/s。由于来沙量减少的幅度没有来水量减少的显著,从而使汛期平均含沙量由1974~1985年的37kg/m3增加到了1986~1995年的45kg/m3水利论文W,s!O)U?b8l

表1 各流量级来水特征统计
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Table 1 Statistics of incoming water水利论文,K|Z%T'N/~ S}z


系列年水利论文S-l$Oyy+y:g

各流量级(m3/s)天数占汛期的比例(%)

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各流量级(m3/s)水量占汛期的比例(%)水利论文(bD/RE7U,\


>25002500~15001500~500≤500>25002500~15001500~500≤500

1974~1985水利论文/WLN T5XB

34.132.032.01.956.228.515.00.3
1986~19959.319.157.414.124.128.843.43.7

2 潼关高程变化

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  图1是潼关高程历年变化过程线。由图可见,潼关高程的变化基本遵循非汛期升高、汛期降低的规律。以1986年为界,潼关高程的变化可划分为前后两个不同的时段。前一时段的主要特点为:1975年汛期大幅度下降,冲刷达1.16m;1976~1979年连年上升,其中1977年非汛期的升幅达1.09m;1981~1985年连年下降,其中1981年汛期降幅达1m。1974~1985年时段非汛期和汛期的平均升降值均在0.5m以上。潼关高程1973年汛末为326.64m,1985年汛末为326.57m,从整个时段来说几乎没有变化。后一时段潼关高程变化的主要特点为:

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图1 潼关高程历年变化过程水利论文 C z_#D0??p~7L A
Fig.1 Changes of Tongguan elevation over the years3

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1986~1991年连年上升;1992年汛期大幅度下降,冲刷达1m;1993~1995年又连年上升。1986~1995年时段非汛期平均淤高0.39m,汛期平均刷深0.23m,淤积和冲刷的幅度均比前一时段小。1995年汛末潼关高程328.17m,比1985年汛末高出1.6m。

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 3 非汛期水利论文)r"y W&~O+tw1U

  根据三门峡水库承担任务的不同,非汛期蓄水主要可分为凌前蓄水(一般在11~12月)、防凌蓄水(一般在1~3月)和春灌蓄水(一般在3~6月)等几个不同运用阶段,各阶段潼关高程均有不同程度的升高,平均抬升为:凌前蓄水,0.22m;防凌蓄水,0.1m;春灌蓄水,0.17m。从整体上看,非汛期潼关高程的升幅主要与三门峡水库的运用水位有关,而与来水来沙量的关系相对较弱。

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  每年3月下旬到4月上旬有一次桃汛,平均持续时间为11天。桃汛期洪峰平均流量2312m3/s,平均来水量13.1亿m3,平均含沙量13.7kg/m3。桃汛具有发生时间相对固定、洪峰流量大、含沙量小的特点,对潼关河床具有一定冲刷作用,潼关高程平均下降0.09m。分析表明,桃汛期潼关高程的变化与水流强度和潼关河段水面比降均有较好关系,且与水面比降的关系更好一些,说明在一定的流量下,水库运用水位起着较大的作用。以γ′QJ(γ′为浑水容重,Q为桃汛期平均流量,J为桃汛期潼关~段水面比降)表示水流的能量,点绘γ′QJ与潼关高程变化值的关系,图2显示出两者之间有良好的趋势关系。

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图2 桃汛期潼关高程变化与γ'QJ关系
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Fig.2 Relationship between changes of Tongguan elevation and %γ'QJ during spring flood season

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4 汛期

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  汛期三门峡水库敞泄运用,坝前水位一般在310m以下,对潼关高程的影响很小,因此,潼关高程的变化主要取决于来水来沙条件和河床的边界及淤积状况。水利论文#HMu,bA%Su

  分析潼关高程变化与整个汛期来水量、来沙量和平均水面比降的关系,表明来水量的大小对潼关高程变化的影响比较大,而来沙量和水面比降的影响均较弱。汛期来水量越大,潼关高程下降的幅度就可能越大。4次最大的汛期冲刷(1975,1981,1983,1992),除1992年与渭河高含沙有关外,均是由于来水量大和洪水发生次数多所造成的。

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  就平均而言,汛期潼关高程保持不冲不淤的水量约为100亿m3,每增加100亿m3水量,潼关高程约可下降0.4m。因此,汛期来水量的多少对潼关高程汛期的冲刷幅度起着决定的作用。1986年以后,汛期来水量大大减少,潼关高程下降的幅度也大大减小,有些年汛期反而升高。水利论文u0n5RE%bB

  点绘潼关高程变化值与反映来水能量的γ′WJ的关系,见图3,γ′为浑水容重,W为汛期水量,J为汛期潼关~段平均水面比降。由于潼关高程变化值与平均水面比降的关系并不密切,图中趋势主要反映的是与水量的关系。图中将华县水量占潼关水量25%为界分开点绘,可见当华县水量占潼关水量大于25%时,点据偏下,说明以华县为主的来水对潼关高程的冲刷力度比以龙门为主的来水要大。同时,以华县为主的来水与潼关高程的关系也相对较好。

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图3 汛期潼关高程变化与γ'WJ关系水利论文B1c!kj v#eW(Y
Fig.3 Relationship between changes of Tongguan elevation andγ'WJ during spring floodseason水利论文0q p#PYYI3U

  汛期潼关高程的冲刷主要是由洪水造成的,1974~1995年汛期共发生约106次洪水。由于洪水因来源不同和含沙量大小不同而使潼关高程表现出不同的冲淤特性,因此,依洪水来源将洪水分为以渭河为主洪水(华县流量占潼关流量25%以上)和以龙门为主洪水;依含沙量的大蝎洪水分为高含沙洪水(华县或龙门最大含沙量大于300kg/m3,相应潼关平均含沙量大于100kg/m3)和一般洪水。通过对各次洪水所引起潼关高程变化的分析,得到如下认识:汛期的第一场洪水大多产生冲刷;当一次较大的冲刷发生之后,下一场洪水的冲刷力度大大减弱,甚至产生淤积;以渭河为主的洪水大多数产生冲刷,尤其是高含沙洪水冲刷幅度更大;以龙门为主的洪水冲淤次数相近,但高含沙洪水淤积的机会多一些。

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  当渭河高含沙又同时伴随较大流量(潼关平均流量2500m3/s以上)时,对潼关河床的冲刷作用非常大,潼关河段几次大的冲刷大多是由此类渭河高含沙洪水造成的。1977年7月的一次渭河高含沙洪水使潼关高程下降2.5m。1992年8月的一次渭河高含沙洪水使潼关高程下降1.6m。

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  由于洪水期间潼关1000m3/s流量水位不易确定,且可能会产生较大误差,因而以潼关测流断面328m高程以下面积的变化来反映潼关断面的冲淤变化。分析面积变化与洪水期平均流量、含沙量和水面比降的关系,发现面积变化与潼关站平均流量之间具有一定相关性,而与潼关站平均含沙量和潼关~段平均水面比降之间缺乏趋势性关系。由图4(资料限于1985~1995年)可见,对于以龙门为主的洪水,面积差有正有负,即冲淤均有发生,面积差随流量增大有增加的趋势,表明来自龙门的洪水使潼关高程下降的作用不明显,但在流量大于2500m3/s以后,下降作用明确;对于龙门高含

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图4 不同水沙条件面积差与流量关系
R&HG{7d^e0Fig.4 Relationship between area difference and flow discharge

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沙洪水,面积差也有正有负,表明龙门高含沙洪水对潼关高程冲刷的作用不大。对于以渭河为主的洪水,面积差均为正值,即潼关河床发生冲刷,表明来自渭河的洪水一般使潼关高程下降;对于渭河高含沙洪水,面积差与流量之间关系最好,表明渭河高含沙洪水随流量的增加而对潼关河床冲刷增加的作用十分显著。

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6 结语

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  潼关高程变化的基本规律是非汛期抬高、汛期降低。桃汛对潼关河床有明显的冲刷作用,桃汛期潼关高程的变化与来流量和潼关河段的水面比降有较好关系。汛期潼关高程的冲刷幅度与来水量的大小密切相关。以渭河为主的洪水一般对潼关河床产生冲刷,尤其是高含沙洪水冲刷幅度更大。以龙门为主的洪水使潼关河床冲淤次数相近,高含沙洪水淤积较多。水利论文#V,^f|uko1O

  潼关高程1974~1985年非汛期和汛期的平均升降值接近且均大于0.5m,而1986~1995年非汛期平均升高0.39m,汛期平均下降0.23m。1986年以后汛期来水量的大幅度减少使得潼关高程汛期的降低不足以平衡非汛期的升高是潼关高程在1986年以后持续升高的根本原因。所以,必须采取改善三门峡水库运用方式、清淤疏浚河道、增加控导工程等一系列手段,才能稳定或降低潼关高程。水利论文9_C4q3O)]y6y:s

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