黄河下游河槽萎缩与防洪(黄金池)

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黄河下游河槽萎缩与防洪水利论文;|-U8_C.LL

黄金池
+B+^y#z,^i}$o;B)|0中国水利水电科学研究院)

*W5LOB8y0

摘要:河道的形态是在一定边界条件下来水来沙过程长期塑造的结果,通过定性分析探讨了河道滩槽结构形成的机理,证明了天然河流中滩槽稳定结构是洪水与枯水长期作用的动态平衡结果,来水来沙条件的趋势性改变将导致滩槽结构的改变,在一定条件下甚至出现无明显主槽的局面,一些季节性河流的例子进一步证实了这种推论,从黄河下游这些年河床变化的特征分析,如不能有效改变长期断流和主槽泥沙淤积状况,大堤约束较小的河南河段也有向无明显主槽的完全游荡性河流变化的趋势,顺堤行洪、大堤偎水的频度将大大增加,从防洪减灾角度出发,提出了黄河下游今后河道治理可能主要在于来水来沙的合理调度、河道河势控制工程管理和滩区防洪减灾软环境的建设等几个方面。水利论文6p-S X.LayER"l

关键词:河床调整;滩槽结构;河道萎缩;防洪水利论文 @h$?Jwy&v&m!`S

基金项目国家重大自然科学基金和水利部联合资助项目的部分内容,项目编号(59890200)。
l%g ^ Kv.VS0作者简介:黄金池(1956-),男,中国水科院高工。

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收稿日期:2001-01-11水利论文nI fd M%J e

1 研究背景

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  河道萎缩是指由于天然或人为因素导致来水来沙条件改变引起河道中小洪水泄洪能力趋势性减少的现象。许多研究成果都表明[1]:河道的萎缩与洪水威胁的频度增加有直接联系(如图1)。近些年,黄河下游河道萎缩与洪水问题是受到人们普遍关注的重要问题,河道萎缩与河道洪水问题是互相关联的两个方面,其中过洪能力的显著降低一般都以同流量条件下的水位变化及洪水持续历时长短来表示,所谓洪水形势更加严峻是指同流量条件下洪水位逐年抬高,高洪水位持续历时也急剧增加。需要注意的是,对于具有滩槽结构的复式断面,断面形态的不同变化对洪水过程的影响也不同,两种典型的情况是,①断面的滩槽同步淤积抬高导致同流量洪水水位抬高,②主槽与滩地非同步淤积与河床形态变化引起的同流量水位抬高。前者是一般淤积型河道的普遍情况,后者则是河床断面形态的变化,也就是本文要讨论的河道萎缩与洪水演进关系问题。以黄河下游1996年洪水过程为例,同流量水位明显抬高,洪水历时显著增加。表1为黄河下游主要水文站几次典型大洪水水位流量对比,可见,1996年大部分断面都出现历史最高水位,尤其是河南段,几乎全线水位都高于历史水位,但洪水流量并不是最大,尤其是洪水传播时间出现了十分反常的现象,洪水威胁的主的主要表现除了高水位以外,更多的表现在洪水主流经常脱离河道规划主流,造成防洪抢险的新问题。洪水的这些变化特征都与河道形态的变化有关系,这是与一般滩槽同步淤积抬高引起的同流量洪水位抬高的情况是不同的。另外,从洪水灾害特征来看,河道萎缩与一般河床淤积引起的洪水灾害的区别在于:1.造成洪水威胁的直接原因不一样。河道萎缩情况下的洪水威胁是由于河道形态的显著调整,与洪水的来水来沙条件不适应造成的,而一般情况下的洪水则完全是概率事件,是由于超标准来水引起的;2.洪水威胁的级别不一样。河道萎缩情况下的洪水威胁包括了特大洪水和中小洪水,而一般情况下的河道洪水威胁则主要是超标准洪水;3.这种威胁的洪水性质不一样。由于引起河道萎缩的直接原因之一是来水来沙搭配及上游水沙控制,河道萎缩情况下的特大洪水的概率就相对减少(如黄河下游的漫堤洪水),而中小洪水条件下的冲决、溃决等情况比一般河道条件下的相应洪水灾害可能更加频繁。水利论文 } P:i2OvLE J

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图1 河道萎缩与洪水的关系
,Y m|y!pr/D[0Fig.1 The relation between river channel shrinkage and flood水利论文j"U8_#D w5t m3G


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表1 黄河下游典型洪水最高水位对比
Hj4v5gu(SN8K0Table 1 Typical peak flood stages of the Lower Yellow River水利论文2U/v`YUW


1958年1976年1982年1992年1996年H96-Hmx
站名
流量水位流量水位流量水位流量水位流量水位HHmx年份

花园口2230093.82921093.421530093.99641094.33786094.730.401992
夹河滩2050074.31901075.651450075.62451074.88715076.440.791976
高村1790062.87906062.861300064.13410063.12681063.87-0.261982
孙口1590049.28910049.191010049.6348048.24580049.660.061982
艾山1260043.13910042.62743042.7331041.1503042.75-0.351958
洛口1190032.09800032.14601031.69315030.45470032.240.11976
利津1040013.76802014.71581013.98308013.48413014.7-0.011976

2 天然河流滩槽结构的形成过程

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  天然河流的断面形态是在长期的来水来沙条件作用下与相应边界条件相适应的产物,任意来水来沙情况在给定边界的物质组成、控制约束条件下都有一个相对应的断面形态,如果保持一个固定来水来沙条件在一个相当长的时期不发生趋势性改变,则这种断面就逐渐形成稳定断面,一旦来水来沙条件发生变化,断面形态也必然发生调整以适应这种变化。室内实验表明,当来水来沙条件趋于均匀时,断面形态也就趋于规则单一,而在一个周期内如果交替大小水变化,就可能形成适应不同来流条件的复式断面[2],人工引水渠道的实际情况也证实了这一结论,整个复式断面形成过程可用图2的示意图来描述。图2(a)为设计标准梯形断面,在一定引水流量过程中,渠床主要在梯形断面的两底角发生淤积如图2(b),如继续保持同样流量和含沙量不变,则断面不再发生的大变化,当引水流量增加,由于受渠壁的约束和水流强度在断面上的分布[2],渠床将发生冲刷如图2(c),而靠近渠道边壁两侧由于水流强度较小而发生淤积,随后如果流量减少,渠床靠近两壁的床面继续产生淤积,这时流量如能维持一个较长的时段,则河床将在新的河床断面形态达到平衡,然后,当流量再次增加,这时两侧靠近边壁的床面水深较设计情况有较大幅度的减小,靠近岸壁两侧水流挟沙能力也进一步减小,泥沙继续在两侧发生淤积如图2(d),当流量下落,就形成了如图2(e)的滩槽断面结构。形成这种典型过程的前提是各级流量情况下水流都携带有一定泥沙量且在一定条件下所携带泥沙可能超过了相应水流挟沙能力,相反,如果断面设计中考虑引水含沙量在各级流量时都不致发生淤积的话,则不可能形成这样典型的滩槽结构断面形态。因此,滩槽结构的形成取决于两个重要条件:一个是来水来沙过程有较大起伏变化,另一个条件是水流携带泥沙在一些情况下要产生淤积。自然状况下河道形成过程能够大都满足这两个重要条件,因此,天然河道一般都具有这种典型的滩槽结构。对于那些边壁有强约束的河道,不管是人工的还是自然的,虽然河道来水来沙过程满足第一个条件,但边壁的强约束可能使得不满足第二个条件,因此也有一些河道形态不具备很明显的滩槽结构,如自然界的一些山区河道,一些人工河道的情况就是如此。水利论文4RQ"tz2l

  由上面的分析可以得到一个明确的结论,具有滩槽结构的河道最终平衡断面形态取决于河道平均来水来沙条件及其分配,河道萎缩或者发展受到来水来沙条件和河道约束条件这两个方面因素的影响,其中,河道形成的滩地高度与宽度主要决定于洪水大小和边界约束情况,而主槽宽度与深度则决定于中小水流量及其含沙量变化幅度。由于一般河流的河道萎缩主要反映在中小水河道形态的大幅度变化,因此中小水条件下的水沙搭配比例及总量变化就成为河道萎缩的根本原因,河道主槽几何形态主要与中小水特征相关联。我们选择黄河下游1977~1996年的一个典型断面进行河道断面水位~面积关系对比如图3,通过十年的河床淤积,同水位条件下的面积有了大幅度的减少,但不同水位情况下河道面积减少的规模区别很大,在图示断面位置(裴峪),110m高程以下的断面面积减少了5400m2,而112m高程以下的断面面积则从1977年的13 100m2减少到1996年的11800m2,10年仅减少了1300m2,如果剔除110m高程以下的断面面积减少量,则110m以上的过流断面面积不仅没有减少还有相当幅度的增加,这表明河道泄洪断面面积的减少主要发生在主槽,对其它断面的分析也有类似的结果,这恰好表现了黄河下游河道萎缩的最根本问题,也就是河道主槽泄洪能力减少的问题。水利论文sSyt}n b

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(a)设计断面

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(b)设计流量运行后的断面

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(c)流量减小在两侧增加淤积

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(d)流量增加继续在两侧增加淤积

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(e)流量减小形成滩槽结构

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图2 河道复式断面形成过程示意图水利论文hpf]$c7l E9[
Fig.2 Formation of compound cross-sections

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3 黄河下游洪水与河道萎缩的关系

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  另外,从来水来沙条件、中小洪水泄洪输沙能力两方面来分析,也可看出黄河下游近些年河床萎缩的现象十分明显。以1996年典型洪水过程与以往的一些洪水比较(参见表1),大部分断面都出现历史最高水位,尤其是河南段,几乎所有测站水位都高于历史水位,而洪水流量并不是最大,洪水传播时间明显偏大,洪水的这些变化特征都与河道形态的变化有关系。水利论文)k;SC&|{,B

  从前一节的讨论可知,黄河下游河道发生萎缩是上游来水来沙条件发生了较大变化,由于来水来沙明显减少,河道发生新的自动调整适应这种新的水沙条件变化而形成的,那么是不是洪水危害也会相应减轻呢?答案是否定的。水利论文0i ]!i7AK4fR

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图3 水位面积关系对照(裴峪)
{V~Ylul)J-b,x0Fig.3 Wetted area change caused by
d4IE2h0E0sediment deposition

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  首先,黄河下游的来水来沙条件是受上游多种条件制约的,目前总的来水来沙减少主要是由于上游工农业用水量的增加和河道控制工程的作用,影响较大的还在于非汛期水沙量的减少,这并不代表大洪水或特大洪水的频率和峰值减少。从一般干旱半干旱地区季节性河流的水沙特性分析,这类河流的洪水过程特点是趋于尖瘦,洪水陡涨陡落,特大洪水发生的机会并没有减小。另外,河道的洪水威胁实际上体现在两个方面,一个是洪水峰量特别大超出河道泄洪能力而产生漫决,这只有在特大洪水情况下才有可能发生,另一种情况是洪水漫滩,大堤偎水后形成局部冲决、溃决等洪水灾害,而这第二种情况则更普遍、更直接。显然漫滩的机会越多,洪水危害就会越大,河床萎缩的直接结果是河槽过洪能力减少,洪水漫滩机会增加,无疑地也增加了这第二种洪水危害。

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  其次,由于河床在新的水沙条件下已发生明显萎缩,河床断面形成了与大洪水更加不适应的局面,洪水传播速度减慢,洪水水位抬高,1996年的洪水就是典型例子[4]。1996年8月的第一次洪水花园口洪峰流量为7600m3/s,而洪水最高水位为94.73m,比1982年的8月15300m3/s流量的洪水位还高出0.74m,同时洪水传播时间大大延长,尤其是在河南段,有的河段竟比正常情况传播时间多出5~6倍,这种情况很容易形成叠加洪水,给防洪带来特殊问题。

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  最后,由于河道萎缩,河道形态不仅在横断面上要发生调整,纵剖面也要发生调整,有关黄河下游纵比降变化问题有过比较丰富的研究资料,多年来有许多专家进行过系统研究,不管论点差别有多大,目前,黄河下游河道仍在持续淤积,这种持续淤积表明河道没有达到平衡,那么通过河道萎缩,在断面形态调整的同时,河道纵比降也将发生调整适应新的来水来沙条件,从理论分析和实践经验来看,河道萎缩将导致比降的增加,河道的持续淤积将会更加明显,萎缩 淤积 继续萎缩,形成河道演变的恶性循环,对河道防洪产生进一步的负面影响。

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  实际上,天然河流不受堤防约束或约束较小时,大多数干旱地区季节性河流都不存在明显的主槽。由河道形成机理的研究表明,河道滩槽结构的形成是天然来水来沙过程长期作用的结果,由于不同的水沙搭配,显然有不同的河道断面形态,如我国北方许多多沙河流横断面就没有见到明显的滩槽结构,归结其原因主要在于:(1)中小洪水的水沙搭配不协调,往往小水带大沙;(2)中小水持续造床作用时间相对较短,不能形成长期稳定的主槽。由此可以推论,如果黄河下游来水来沙条件进一步恶化,不合理的中上游用水导致下游不合理的水沙搭配、大小水搭配可能造成黄河下游无明显滩槽结构的局面,也就是说,黄河下游河道主槽有进一步萎缩的可能性。其中的不利条件包括小水造槽流量进一步减少;大水来沙进一步增多,就目前现状来看,如果下游断流的情况不能得到有效改善或者水沙搭配比例达不到有效控制,频繁出现小水带大沙的水沙过程,则这两方面的情况都是可能发生的,因此黄河下游无明显主槽的估计并不是耸人听闻,而是可能出现的现实。水利论文 yyLe?p];CJd

  然而要注意的是,河道没有主槽并不表示洪水没有主流,实际上,任何一场洪水在河道的传播迁移都存在主流,即使在洪水初期不那么明显,在洪水过程中总要逐渐形成明显主流,只不过是主流不固定,摆动调整更加频繁而已。显然,这将给防洪带来更加复杂的情况,顺堤行洪、主流顶冲大堤的情况发生更加频繁。因此,今后一个时期黄河下游的防洪问题可能主要集中在河道主流摆动引起的堤防安全。水利论文-Q_I4xy4IK#TnP

4 新的河道条件下防洪策略

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  河道形态是与水沙条件紧密相关的,也就是说,河道在相对平衡状态下的几何形态可以用某种特征流量和含沙量来表达,由于一般河流的流量和含沙量都有较好的关系,通常特征流量就隐含了水与沙两方面条件的影响。实际上,河道的这种特征流量(含沙量)表达的是一种长期水沙过程的综合作用,它的形成与各级来水及相应的来沙量过程有关系。文献[5]中引进河相关系表达式

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σ=/H水利论文1g-g*DN hR6d!_$X

(1)

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  利用曼宁公式表达的水流连续方程和挟沙能力关系得到的断面形态公式中河宽B的表达式为水利论文N,KDe} {*F CEe

B=K1/5mζ0.8Q0.6/S1/5mω0.2g0.2

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(2)

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  式中 K为挟沙力系数,ζ为河相系数,S为含沙量,ω为泥沙沉速,g为重力加速度。从式中可见,天然河道的河道断面形态重要指标平衡河宽主要与来水流量与含沙量有关,以河宽为参数代表的河道形态与流量成正比,与含沙量成反比,由于河道的自然调整作用总是使自己的几何形状与当地的来水来沙条件相适应,来水来沙是条件,河相形态是结果,在黄河下游的情况,来水减少、含沙量增加的情况必然导致河道萎缩的结果。

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  式(2)中,Q的定义体现了各种特征流量设计的不同思想,河床演变学的研究中有多种理论,在我国的实际工作中一般用平滩流量Q来表达河流主槽的这种几何形态关系。地理学上从宏观的长期经验总结,利用平滩流量Q很早就得到了类似于式(1)的河相形态表达式,这表明,河道的几何形态与河流的某个特征流量的确有明显的相关关系,一般情况下这个特征流量就是常用的造床流量,经验上常用平滩流量来表达。黄河下游的情况是,近些年由于各种原因,水沙搭配情况发生了很大变化,小水大沙过程频度增加,滩槽结构与河道形态正在调整之中。其中,中小水作用形成的主槽为适应这种水沙搭配而产生萎缩,因此目前的河道断面形态并不能认为是相应水沙条件下的平衡形态,即使维持现有来水来沙条件的话,黄河下游河道萎缩仍有可能继续发展,当河道调整发展到一定程度,这种萎缩才可能停止而与新的来水来沙条件相适应。

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  河道萎缩导致了河道主槽泄洪能力大幅度减少,这意味着今后洪水表现必然是上滩机会还要继续增加,如近些年所发生的高水位漫滩洪水都是在流量并不是很大的情况下发生的。针对这种新的断面形态,我们必须调整防洪策略,利用现有工程和在建将要发挥作用的工程实施调洪。水利论文 s6D.R7wB z6bH|

  (1)通过小浪底工程的合理调度运用,产生较好的下游河道来水来沙条件,减缓或者完全防止河道的进一步萎缩。小浪底水库位于黄河进入广大平原的山口控制位置,控制了黄河花园口以上流域面积的95%。如前所述,河床的调整在很大程度上取决于上游来水来沙条件,小浪底的运用恰好控制了黄河下游来水来沙条件,显然小浪底水库的运用方式将对黄河下游的河床调整发挥十分重要的作用。由于小浪底水库是一座多年调节水库,上游来沙必然要以集中下泄的方式排出,因此掌握下泄沙量的合适流量和时机是水库改造河道功能的关键。

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  (2)加强河势控制工程建设,保持现有河道的基本稳定。由于小浪底工程的控制,一般小水情况下泄沙量相对减少,这必然导致部分河道的不稳定,包括原有河道险工工程的安全、大堤的安全等,要根据河道新的河势发展情况,施行必要的整治规划。水利论文)RP2]0vS:Fn

  (3)加强滩区防洪工程建设,避免洪水上滩后造成小水大灾。目前黄河下游滩区已有相当规模的工农业生产和居住群体,这种既成事实短时期内不可能改变。在新的河道形势下,今后一个时期洪水频繁上滩的情况不可避免,因此对滩区的防洪减灾工作应树立新的理念,除了一般工程防洪措施外,更重要的是要建立完善的防洪减灾软环境,包括滩区洪水预警系统、滩区洪水避难系统、滩区洪水风险保险等,提高洪水应对能力,尽量减少上滩洪水造成的洪灾损失。水利论文"P#Sh z5L l {G o

参考文献

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[1] 陈东,张启舜.河床枯萎初论.泥沙研究,1997,(4).水利论文9U&tr'e e P+Kz

[2] 尹学良.弯曲性河流形成原因及造床试验初步研究.地理学报,第31卷,1965,(4).

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[3] 胡春宏,吉祖稳,牛建新.黄河下游河道纵横剖面调整规律.泥沙研究,1997,(2).水利论文!F,`%yAnFD

[4] 江恩惠,张红武等.黄河下游防洪形势分析.泥水研究,1998,(4).水利论文u#`u6h'VY

[5]武汉水利电力学院.河流泥沙工程学(上册).水利电力出版社,1983.水利论文|9x;xn XR#I @

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