黄河下游河槽萎缩与防洪(黄金池)
关键词:河床调整;滩槽结构;河道萎缩;防洪
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)。
作者简介:黄金池(1956-),男,中国水科院高工。
收稿日期:2001-01-11
1 研究背景
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。
图1 河道萎缩与洪水的关系 |
表1 黄河下游典型洪水最高水位对比 Table 1 Typical peak flood stages of the Lower Yellow River | ||||||||||||
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 | H | Hmx年份 | |
花园口 | 22300 | 93.82 | 9210 | 93.42 | 15300 | 93.99 | 6410 | 94.33 | 7860 | 94.73 | 0.40 | 1992 |
夹河滩 | 20500 | 74.31 | 9010 | 75.65 | 14500 | 75.62 | 4510 | 74.88 | 7150 | 76.44 | 0.79 | 1976 |
高村 | 17900 | 62.87 | 9060 | 62.86 | 13000 | 64.13 | 4100 | 63.12 | 6810 | 63.87 | -0.26 | 1982 |
孙口 | 15900 | 49.28 | 9100 | 49.19 | 10100 | 49.6 | 3480 | 48.24 | 5800 | 49.66 | 0.06 | 1982 |
艾山 | 12600 | 43.13 | 9100 | 42.62 | 7430 | 42.7 | 3310 | 41.1 | 5030 | 42.75 | -0.35 | 1958 |
洛口 | 11900 | 32.09 | 8000 | 32.14 | 6010 | 31.69 | 3150 | 30.45 | 4700 | 32.24 | 0.1 | 1976 |
利津 | 10400 | 13.76 | 8020 | 14.71 | 5810 | 13.98 | 3080 | 13.48 | 4130 | 14.7 | -0.01 | 1976 |
2 天然河流滩槽结构的形成过程
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。
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。
(a)设计断面 | (b)设计流量运行后的断面 |
(c)流量减小在两侧增加淤积 | (d)流量增加继续在两侧增加淤积 | (e)流量减小形成滩槽结构 |
图2 河道复式断面形成过程示意图 |