黄河下游挖河固堤启动工程水文、泥沙原型观测资料分析(周丽艳,张东方,郭选英…

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黄河下游挖河固堤启动工程水文泥沙原型观测资料分析

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周丽艳1张东方2郭选英1,杨丽丰1
@lD c N#Q0(1.黄委会勘测规划设计研究院;2.黄委会水利科学研究院引黄灌溉局)

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摘要:黄河下游窄河段挖河固堤启动工程于1997年11月23日在朱家屋子~清2河段开始,这无疑是对黄河下游减淤途径的一种尝试。1998年汛期对研究河段进行了水文、泥沙原型观测,本文主要从原型观测资料,分析挖河对水位、比降和河相关系等诸方面的影响。水利论文a `s3Qq

关键词:启动工程;原型观测;溯源冲刷;沿程冲刷水利论文 b {GP"L"Q:@

作者简介:周丽艳(1960-),女,河南省郑州市人,黄委会勘测规划设计研究院工程师。

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1 前言

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  近十几年,黄河河口地区来水偏枯,主河槽淤积发展迅速,河道萎缩,排洪能力降低,防洪形势日趋严峻。为解决黄河下游及河口地区的防洪问题,1996年水利部党组提出了“百船工程”计划。先小范围地开展挖河固堤启动工程,然后再扩大挖河范围。启动工程河段位于山东省河口地区,朱家屋子~6断面河长10.89km,为主开挖河段,开挖断面底宽200m,平均挖深2.5m;开挖土方532万m3;6断面~清2断面河长12.61km,为挖河疏通河段,开挖断面底宽20m,土方开挖量16万m3;土方总开挖量为548万m3。挖河方式采取在朱家屋子断面附近修建拦水坝,在断流条件下一次性挖通。考虑挖河河段对其上下河段所产生的影响,确定以利津~清6河段作为研究河段,观测布置见图1。
1 挖河固堤原型观测站、河道断面布置水利论文Y.D `&L SW y
Fig.1 Layout of water gauge stations and cross sections

2 原型资料观测分析

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2.1 来水来沙及河道冲淤变化水利论文i0bm{lp(_,f.O

1998年汛期利津站的来水来沙量分别为93.21亿m3和3.719亿t。进入研究河段的水沙主要由三场洪水组成:第一场洪水为三门峡水库泄放的水量形成;第二场洪水来自于黄河中游,形成黄河1998年第一号洪峰;第三场洪水仍来自黄河中游,但东平湖有水加入,含沙量较第二场洪水要小 (各时段的水沙量见表1)。利津站汛期的来水来沙量与90年代均值相比,水量相当,沙量偏多,水沙条件较为不利。水利论文 gx~2k ?l^

1 1998年研究河段实测水沙、冲淤量表

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Table 1 The measured values of water flow, sediment,deposition and erosion in the studied reaches水利论文x;N%w2{X4}`EC*l


断面法冲淤量(万m3)
时 段(月.日)水量(亿m3)沙量(亿t)
利津~朱家屋子朱家屋子~6断面6断面~清6利津~清6

6.6~7.510.70.25611.9316.995.3424.1
7.6~7.3022.21.229-0.5104.1-213.3-109.7
7.31~10.960.32.23469.52.763.9136.1
5.6~10.993.23.71980.9423.7-54.1450.5

研究河段汛期淤积450.5万m3,三个河段自上而下的冲淤量分别为80.9万m3、423.7万m3、-54.1万m3,其冲淤呈上淤下冲的状况。第一次洪峰淤积量的沿程分布挖沙段淤的多,回淤量占全河段淤积量的74.7%,上下两河段微淤。第二次洪峰研究河段冲刷190万m3,挖沙河段继续回淤,回淤量小于第一场洪水的回淤量,而上下河段则发生冲刷,且下段的冲刷量大于上段。第三次洪峰冲淤量为136.1万m3,全河段普遍发生淤积,淤积部位主要发生在上下两河段,挖河段基本冲淤平衡。

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2.2 水位变化分析水利论文f&ZeZ+r

  水位变化从两方面分析:一是各断面在挖河前后同流量级下的水位升降;二是挖河后水面线的调整。为研究挖河降低水位所产生溯源冲刷的影响范围,水位分析以艾山~清6河段作为研究河段。

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在一次性挖通的河段,河道通水后,挖河段上下游的水位均会发生明显的变化。挖河段上游河段由于挖河段水位的降落,其水流势能、比降增大,水流挟沙力增大,在一定范围内产生溯源冲刷;挖河段过水时,断面突然加大,水流扩散,水位降落,流速明显降低,挟沙力减小,必然产生回淤;水流进入挖河段下游河段时,含沙量明显减少,使该河段在一定范围内产生沿程冲刷。水利论文g(|Og"?h!Xt;ul6Q

2.2.1 1998年汛期峰前、峰后水位变化分析水利论文n uI8\ D

2为艾山、洛口、利津、一号坝、朱家屋子、渔洼、西河口和丁字路口断面挖河后1998年1000m3/s各次峰前、峰后的水位变化(洪峰时段的划分同上)。水利论文5I.b4x(`qG

第一场洪峰流量较小,利津~朱家屋子河段微淤,水位略有抬升;西河口断面呈冲刷状态,水位下降;丁字路口断面淤积水位升高。第二场洪峰含沙量较高,艾山、洛口水位变化不大,利津、西河口断面的水位有明显的下降;一号坝、朱家屋子、渔洼和丁字路口断面继续淤积水位抬高。第三场洪水流量大,含沙量相对较少,除挖河段上段和丁字路口的水位仍然淤积抬升外,其余河段均发生冲刷, 水位下降。

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1998年汛期挖河降低水位的效果看,利津、西河口水位降低的比较明显,特别是西河口断面,自挖河通水后,每次洪峰该断面均为冲刷;挖河段通水后,由于回淤严重,水位有所抬升,以致影响到一号坝断面。从淤积量的分布看,新挖的河槽还没有完全淤平,由于没有挖河段挖河前的水位进行比较,尽管挖河段的回淤比较严重,但挖河段的水位均有所降低。

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2 1998年6月~10月1000m3/s水位比较 单位:m

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Table 2 Comparison of water level at 1000m3/s from June to October,1998. Unit: m

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时间艾山洛口利津一号坝朱家屋子渔洼西河口丁字路口

6.10①12.479.638.668.007.724.29
6.14②39.8629.2212.509.658.688.027.644.33
-①0.030.020.020.02-0.080.04
7.25③39.8929.2812.439.708.788.107.624.40
-②0.030.06-0.070.050.100.08-0.020.07
9.7④39.7029.1212.409.688.808.087.544.42
-③-0.19-0.16-0.03-0.020.02-0.02-0.080.02

  注:②③④分别为三场洪峰后的水位。水利论文&h Y9Tb#e;s,CLZ,JQ

2.2.2 水面比降变化水利论文)G9m5@#SK

实测资料(见表3)表明,一号坝~朱家屋子河段,第一场洪峰1000m3/s水面比降由峰前1.234增大到1.272,挖河后该河段发生了溯源冲刷;第二、三场洪峰的峰后比降有所减缓,为1.255,其溯源冲刷的作用在逐步减弱,由于开挖河段上部回淤严重,导致比降变缓。

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朱家屋子~西河口河段,第一场洪峰前1000m3/s的水面比降为0.778‰0,挖河段通水后,上段首先发生回淤,然后逐步向下延伸,河床的淤积厚度逐渐减小,同时西河口断面每次都发生冲刷,故河道水面比降增大。西河口~丁字路口,比降的变化由大变小,峰前1000m3/s的水面比降为1.14‰0,随着洪峰时段的增加,河道的水面比降逐步减小到1.036‰0。一方面西河口断面不断冲刷,另一方面丁字路口断面又不断的淤积,导致比降变缓。综上所述,通过挖河,使挖河段以上的比降增大,产生溯源冲刷,继而比降逐渐变缓;挖河段在逐渐的回淤过程中,一方面使本河段的比降逐渐增大,另一方面使下一河段发生沿程冲刷,比降逐渐变缓。最终使整个研究河段比降趋于平顺。水利论文5z/f K-D![

3 一号坝~丁字路口1000m3/s水面比降 单位‰0水利论文|$GE7C b

Table 3 The surface slopes in the reach of YihaobaDingzhilukou at 1000m3/s Unit:

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时段一号坝~朱家屋子朱家屋子~西河口西河口~丁字路口

6.101.2340.7781.140
6.141.2720.8611.100
7.251.2470.9601.070
9.71.2551.0401.036

2.3 河槽横断面形态变化

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  冲积河流的断面形态在冲淤过程中不断调整。河槽断面形态在河流动力学上,常常用河相关系(/h)来表示。在同样平滩流量情况下,/h越小,挟沙能力越大。朱家屋子~6断面挖沙后,断面变为窄深,过水面积骤增500m2,同水位下过流能力增大,使挖河段现状河槽变得窄深,由于挖河对上游的溯源冲刷及引起下游的沿程冲刷,使其上下游一定范围内河段的/h都有不同程度的减小。水利论文Y}(i"A+_;_*K2i3pm

  表4为利津~丁字路口挖河前、后三次洪峰过程河槽形态的变化情况。挖河前利津~清6河段的/h为4.27~13.5,挖河段为4.27~8.92;挖河后开挖河段的/h减小为3.53~7.21;经过三次洪峰过程,利津~朱家屋子河段/h总的来看有变小的趋势;朱家屋子~6断面B/h由于开挖河段的回淤,较挖河后有所增大,但比挖河前有所减小,挖河段以下的7断面~清/h减小,丁字路口的B/h一直呈增大的趋势。由此可以看出,挖河通过对/h的调整,使局部河段的/h减小,增加河道的输沙能力。水利论文huz!m-^ ]

4 1998年利津~丁字路口河槽形态变化 单位:/h

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Table 4 The transformation of river channel shape in the reach of LijinDingzhilukou in 1998 Unit:/h

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断 面5月11日6月4日7月5日7月30日9月22日

利 津5.775.945.425.38
王家庄6.515.815.385.64
一号坝6.466.947.046.97
朱家屋子8.017.218.048.538.87
十八户6.255.015.999.046.15
渔 洼8.066.116.978.987.65
五七闸8.925.867.688.817.91
6断面4.273.534.254.644.30
7断面13.5013.4912.2611.05
25.706.575.875.38
68.359.319.5610.52

2.4 挖沙对河势的影响

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  本次挖河设计的开挖中心线十八户弯道段安排在右岸(凹岸)开挖,崔家弯道段安排在左岸(凹岸)开挖,过渡段基本上安排在居中开挖,以达到充分发挥现有工程理顺河势的作用,避免出现西河口被抄后路的危险。6月6日挖河段过水,河道的主溜线基本上沿着朱家屋子~清2断面间新开挖的主槽行进,右岸十八户护滩主溜明显偏右,左岸崔家护滩主溜由原来的22#坝着溜上提到18#坝,着溜点上提,着溜面扩大,控溜效果增强。随着流量逐渐增加,朱家屋子断面主溜左移,十八户至渔洼主溜偏左;主溜基本上恢复了挖河前的河势。第二次洪水又加剧了河势向挖河前的河槽行进(河势变化见图2)。
2 黄河下游挖河河段河势示意图(朱家屋子CS6断面)
~"EL%r EDK0Fig.2 Sketch of the dredging reach in the lower Yellow River.

从挖河调整河势的效果来看,小水时,边界条件对水流的作用较强,水流基本上沿着新开挖的河槽行进;大水时,水流的惯性力加大,水流趋中,水流的弯曲系数变小,加之十八户及崔家工程不到位,以致当发生第一场大水时,河势就已恢复到了挖河前的河势。水利论文.z4~ f0vL5p.t3W3{`

通过以上河势变化可以看出,仅靠挖河尚不能使该河段河势向设计治导线的方向发展。其主要原因为:河段内仅有十八户及崔家工程由于工程较短,形不成固定的边界约束,起不到以弯导流控制河势的作用,挖河工程虽然对主河槽进行了疏通,意欲调整河势,但鉴于两岸控导工程长度不够,控制不了该河段河势的流路。因此,挖河只有配合河道整治工程的建设,才能起到规顺河势的作用。水利论文rL3J7H+D

3 结论

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  通过对挖河固堤启动工程原型观测资料的分析研究,从中得到一些新的认识:由于挖河改变了局部河段的河槽形态及河道比降,通过汛期来水来沙对边界条件的调整,挖河段的上段产生溯源冲刷、其下段发生沿程冲刷,使之水位下降、河道/h减小、水流挟沙能力增大,有效地减缓了研究河段的淤积。
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