黄河下游洪水期断面调整对过洪能力的影响(申冠卿,曲少军,张原锋,龙毓骞)

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黄河下游洪水期断面调整对过洪能力的影响水利论文,e|3vc T| d

申冠卿,曲少军,张原锋,龙毓骞水利论文0Qm:c&j VR@[6z
(黄委会黄河水利科学研究院)
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摘要:水位表现是水流与河床边界相互作用的客观反映。对于不同的河流二者所起的作用各不相同,一般河流,河床变形不显著,水位主要依赖于流量的大小而变化;而像黄河这样的多沙河流,周界变化迅速,尤其是洪水期,槽冲滩淤,涨冲落淤,断面调整对水位影响很大。文中从定性到定量对中低含沙量的各级洪水,主槽冲刷对过洪能力的影响进行了详细分析,成果对防洪有指导意义。水利论文a] {AD0Y| V

关键词:黄河下游;洪水期;主槽;断面调整;过洪能力

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基金项目国家重点基础研究发展规划(973)项目(G199904360403)。
5tYV`8D-IT0作者简介:申冠卿(1964-),男,黄委会水科院高工。
水利论文3m-f9Sz9K

1 前言水利论文 u U+wY)C

黄河以泥沙多而著称于世,水少沙多,下游河道善淤善徙,年复一年,使下游成为一条横亘于华北平原的地上悬河,尽管50多年来人民治黄取得了巨大成就,但洪水的严重威胁仍依然存在,“96.8”中常洪水期间,下游发生大面积漫滩,直接经济损失达60多亿元。水位高低是决定淹没程度的一个重要指标,而其表现一方面与前期河道边界有关,它决定洪水起涨水位的高低,另一方面又与洪水期断面调整有关,因为主槽冲淤变化决定了洪水过程中涨率的大小。

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2 主槽冲淤特性

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黄河下游为主槽与滩地组成的复式断面,滩地阻力大,糙率一般为0.03~0.05,而主槽阻力小,糙率甚至小于0.01,滩地过水面积大,但流速较低,而主槽过水面积虽小,但流速大,所以下游河道主槽是泄洪排沙的主要通道。排洪能力随河段的不同而有所差异,一般高村以上主槽过流比占80%以上,高村至孙口段60%~70%以上。洪水漫滩后,滩、槽水流泥沙产生横向交换,从而形成滩地严重淤积及主槽大幅度冲刷,这种断面形态变化,对洪水期河道排洪输沙起到了积极的作用。

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2.1 洪水期槽冲滩淤水利论文#@ l e Q$@Ix&W

天然情况下,1958年22300m3/s洪水过程中滩地淤积泥沙10.7亿t,主槽冲刷8.6亿t[1],见表1。1986年以来,水沙条件改变,尽管河道发生萎缩,1996年中常洪水情况下,下游主槽仍冲刷1.61亿t,滩地淤积4.45亿t[2]。可见,大漫滩洪水期间河道依然遵循“槽冲滩淤”的演变规律。洪水期主槽的冲刷强度与洪峰流量大小及前期边界有关,如前期持续淤积则冲刷强度大,如1975年;相反如前期冲刷则冲刷量会减小甚至发生淤积,如1982年。

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2.2 洪水过程中主槽涨水冲刷、落水淤积

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黄河下游不同河段有其不同的冲淤特性,但洪水过程中主槽普遍存在涨冲落淤的共同演变规律。宽浅河段,涨水期间主槽冲刷,过流面积增大,使得随着流量的增加,洪水涨率变得平稳。如“58.7”大洪水,花园口站涨水过程中主槽冲刷1.82m。艾山以下,冲淤变化不完全取决于流域的水沙条件,还与上段河床调整有关,除具有主槽涨冲落淤演变特点外,还具有“大水冲、小水淤”的基本特性[1]水利论文e:G]T1XHdN

1 漫滩洪水下游河道滩槽冲淤量(单位:亿t)

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Table 1 Amounts of erosion and deposition in main channel and floodplain under the flood of over floodplain水利论文l ~)T(z~f


花园口花园口~艾山艾山~利津
日期(年.月.日)
洪峰流量
b8Vb/R5\!La { O0(m3/s)
来沙系数
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主槽滩地全断面主槽滩地全断面

1957.7.12~8.4130000.012-3.234.661.43-1.100.61-0.49
1958.7.13~7.23223000.010-7.109.202.10-1.501.49-0.01
1975.9.29~10.575800.005-1.422.140.72-1.261.25-0.01
1982.7.30~8.9153000.0050.110.520.63-0.21-0.13-0.34
1996.8.3~8.1578600.021-1.504.402.90-0.110.05-0.06

黄河下游大洪水期间尽管防洪比较紧张,但大洪水长河段所造成的淤滩刷槽,塑造出的高滩深槽及有利的河势是通过其它途径难以达到的,因此,在下游泥沙还没有得到控制的情况下,允许较大的漫滩洪水,从长远来看,对防洪应该有利。槽稳滩存,滩存堤固;守堤不如守滩,守滩不如定槽,依据黄河下游河道演变特性,采取定槽、宽河、固堤的治理方针,对确保下游防洪安全应该是有利的。

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3 洪水过程中断面调整水利论文h`|w;AqL(y

经分析可知,涨水阶段主槽过水面积增加主要有两种方式(如图1):一是在主槽河宽变化不大情况下,断面以下切为主。这种冲刷方式在下游较为普遍,但不同河段洪水过程中主槽断面形态调整有所差异,艾山以下两岸受自然地形及工程条件的制约,限制了展宽,主槽断面调整以下切为主。艾山断面,1958年大洪水,深泓点冲深9m多,涨水期主槽净冲刷面积约1800m2。洪水过程中断面下切并不仅限于艾山以下窄河段,如花园口断面1958年涨水期,深泓点下切约5m多。由于河道的复杂性,冲刷悬殊较大,1958年高村断面过流量达17900m3/s,滩地过流约占40%,水流分散,降低了主槽的冲刷能力,涨水期间主槽仅冲刷几十平方米。二是伴随主流带宽度展宽的同时,主槽发生下切。这种调整方式主要发生在孙口以上河段,且与前一种相比,发生机率相对较小。花园口1982年断面,在大水期间主槽不仅下切,而且还具有拓宽能力,“82.8”洪水期间,主槽宽度从洪水前的400m,展宽到1 400m,净冲面积约1000m2,加大了洪水期的过洪能力。

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4 洪水过程中主槽冲刷强度

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无论在什么样的边界条件下,中低含沙量洪水,涨水期主槽冲刷具有其一般性。其冲刷强度受多种因素影响,在长时期持续冲刷状态下(如三门峡水库拦沙期),则冲刷强度随时间的增长而减弱。就一般情况下,洪水期主槽冲刷强度随河段地域位置的不同而有所差异,对具体河段而言,主要与洪峰流量大小有关。水利论文?_l5W^hG)w*cZ+v

1 花园口断面变化水利论文 Ue^e'Lf
Fig.1 Changes of Huayuankou cross section
  图2中Z1、Z2为洪水过程主槽每增加单位流量(1000m3/s)的起始与终止水位;A1、A2为主槽面积增率(涨水过程中增加单位流量时,水位抬升增加的面积记为A1,主槽冲刷所增加的面积记为A2)。根据大洪水实测资料点绘下游各站涨水阶段面积A1、A2变化与流量间的关系,发现虽然点群较为散乱,但有A1随流量的增加而减少,而A2则随流量的增加而增大的变化趋势。

Y1?%U@7]8I6[$S0  由流量计算公式Q=A·V对Q进行全微分可以导出涨水阶段主槽在某一时段流量的变化dQ=AdV+VdA

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2 断面调整示意图水利论文']w1RLL
Fig.2 Sketch of cross section regulation

式中主槽增加的过洪能力由两部分组成,一是由于随流量的增加,主槽平均流速变化(可能增大也可能减小,大多数情况是增大的)而引起过流量的变化AdV;二是由于过水面积的增大所增加的过流量VdA。水利论文 }:K5| N#MW

进一步分析中低含沙量历次洪水可知,主槽平均流速与流量存在着对数关系即:V=n1·lg(Q)+n2;n1、n2为待定系数,对V微分后得dV=(n1/Q)dQ。主槽平均流速随流量的增加而增大,当主槽流量增大到一定值后,流速随流量的变化幅度较小,即dV较小;而dA(=A1+A2)的变化取决于水位涨率幅度和主槽的冲刷强度,分析表明(见表2),当流量较大时,dA·V的值比A·dV大,可见,洪水过程中主槽流量增大到一定数值后,过洪能力的增加主要是靠主槽面积增大来实现的。水利论文umhV)a sjJ$Q

2 1958年、1982年花园口断面主槽过洪能力分配情况水利论文jYv e'K~.u

Table 2 Capacities for flow discharging through the main channel水利论文#L~ @IUJa'm4k0ws


项目1958年1982年

主槽流量(m3/s)29405890101751600052006900968011700
流量增值(m3/s)295042855825170027802020
A·dV(m3/s)32065062052000
V·dA(m3/s)263036355205105027802020
V·dA/( V·dA+ A·dV) (%)89858962100100

面积A1的变化反映洪水过程中涨率大小,A2的变化则标志着洪水过程中随流量变化主槽冲刷强度的大小。花园口断面随着流量增大,洪水涨率大幅度减小,如1958年流量大于10000m3/s后,冲刷所增加的过水面积大于水位抬升而增加的过水面积。高村断面,随流量增大,滩地过流比增加,水流相对分散,随流量增加,主槽冲刷幅度变化较小,致使大洪水时涨率相对较大。艾山断面,除1958年洪峰流量附近面积A1变化较大外(卡口处壅水),其它流量级下面积A1均随流量增大而减小。利津断面主槽冲刷幅度变化较小,大水时过流能力增加主要靠水位抬升引起面积的增加来实现。水利论文}qzY7a U\

分析可知,小水时主槽冲刷能力较小,过洪能力增加主要靠水位抬升增加过水面积,而随着流量的增加,主槽冲刷能力增大,过洪能力在某些断面则主要靠主槽冲刷和展宽引起过水面积增大来增加过洪能力。下游河道长达数百公里,各河段洪水过程中的冲淤特性各有差异,一般情况下,花园口、艾山、泺口断面洪水过程中冲刷强度较大,孙口、利津断面冲刷强度相对较小,夹河滩、高村则介于二者之间。

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5 涨水期主槽过水面积变化

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5.1 涨水期主槽冲刷面积、水位抬升增加的过水面积与流量的关系

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以上分析了洪水过程中面积A1、A2随流量的变化趋势。由于黄河的复杂性,各站点群较为散乱,经进一步分析,发现就每一场洪水而言,涨水期主槽(包括断面的下切和展宽)总冲刷面积S及涨水阶段水位抬升增加的过水面积S′与流量(指洪峰流量与起涨流量的差值)有如下线性关系水利论文\uF'J[;`

S=a·Q+c & S′=a′·Q+c′

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式中S、S′为整个洪水期面积变化;Q为洪峰流量与起始流量差,起始流量一般在2000~3000m3/s左右;a、c、a′、c′为待定系数及常数。水利论文;xl#L*B)BV

  根据实测资料点绘历次大洪水时面积变化S、S′与流量变化Q的关系。下游多数站二者之间均有较好的相关关系,如图3(点注为年份),图中较为清楚地反映了洪水过程中过水面积变化对过洪能力的影响。根据实测洪水资料,率定下游各测站的系数a、a′和常数c、c′(见表3);系数a反映了洪水过程中主槽冲刷强度的大小,下游河道冲刷强度较大的花园口、艾山、泺口断面a值均大于0.16,变化范围在0.16~0.20之间,冲刷强度较小的夹河滩、孙口、利津断面a值均在0.10左右;同样a′值反映了洪水过程中涨率幅度的大小,花园口站最小为0.11,其它各站在0.15~0.25之间,以孙口站为最大达0.25。

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3 花园口站洪水期主槽冲刷面积与流量关系水利论文 `&Ob8W3jWT]
Fig.3 Relationship between channel scouring areas and discharge in flood period at Huayuankou station

3 黄河下游水文测站系数a、a′常数c、c′及相关系数n、n′的变化水利论文 t8wF2OeP.i:y,_

Table 3 Values of coefficients acna′、c′、nfor different gauge stations

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站名洪水次数acna′c′n′

花园口90.162-2610.960.1161340.89
夹河滩110.104220.960.1572670.82
孙口70.0991600.980.2523780.96
艾山150.188-2410.960.1911590.97
泺口180.209-4160.950.1461310.95
利津120.100660.840.1731170.97

5.2 主槽冲刷面积与水位抬升主槽增加过水面积的关系水利论文"W`5Or5lKn[-D/T

洪水过程中,过洪能力变化是由主槽冲刷面积S和水位抬升主槽增加的过水面积S′两方面决定的。而主槽冲刷面积的大小及水位抬升主槽增加的过水面积的大小是随洪峰流量的变化而变化,二者均与流量大小有关,根据上文面积变化与流量的关系可得出主槽冲刷面积与水位抬升主槽增加过水面积比值K随流量变化的关系如下水利论文Q6V$M?CY r

K=S/S=a·Q+c/a′·Q+c′水利论文p5_mk`g_)@

据实测资料将各站率定的参数a、c、a′、c′分别代入上式,可得K值随流量大小变化的关系,见图4。水利论文&pyE:?(}`l_

由图4可以看出,花园口站随流量增加,由于断面冲刷幅度大,因而断面冲刷增加的过洪能力所占的权重比水位抬升增加过流所占的权重要大,当主槽流量超过10000m3/s以后,花园口站主槽冲刷增加的过流占主槽增大过洪能力的50%以上;艾山站占42%以上。至于孙口断面冲刷面积与水位抬升增加的过水面积比K值随流量变化不大,从历次洪水看,无论流量大小,其比值均维持在0.40左右;夹河滩断面冲刷增加的过流相对较小,占35%以上。

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4 K值与流量关系
r3qoV1h @uv0Fig.4 Relation between K and discharge

6 认识水利论文 fr'Qv4^Jx:ao

(1) 黄河为多泥沙河流,下游为典型的冲积性河道。洪水期“主槽冲刷、滩地淤积,涨水冲刷、落水淤积”,河道自身调整作用对下游排洪输沙起到了不可替代的积极作用。水利论文~.qAAPp3vb

(2) 涨水期下游河道主槽冲刷有其普遍性,但冲刷强度随测站地域位置的不同而悬殊较大。以花园口、泺口和艾山站为最大,夹河滩、高村和利津次之,孙口站为最小。主槽冲刷强度与流量大小有关,随流量增大而增加。涨水阶段伴随着流量的增加,滩地过流加大,但滩地只起到辅助过流,绝大部分测站主槽过流可占80%以上。从主槽过洪看,分别考虑了洪水期水位抬升所增加的过洪面积和由于冲刷所增加的过洪面积,并对其随流量的变化进行了研究,实测资料研究表明,随着流量增加,由于主槽冲刷增加的过洪量最大可占主槽增大过洪量的50%以上,最小也在30%左右,可见冲积性河道,主槽冲刷对河道排洪起到了非常重要的作用。水利论文eH+_g)X

(3) 洪水期水位高低除与前期河床边界有关外,还与洪水过程中涨率大小有关。断面冲刷强度大则涨率小,反之则涨率大。洪水期断面调整对过洪能力影响的计算分析是建立在对以往中低含沙量大洪水的基础之上,成果可供多沙河流水位预报参考。水利论文8{:_JPGf`:@/[P"e

参 考 文 献水利论文a2m|b\9r5afaX*T'{

[1] 赵文林。黄河水利科技丛书《黄河泥沙》。黄河水利出版社,1996年。

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[2] 申冠卿。1996年汛期黄河下游河道及河口冲淤演变特性。人民黄河,1998,(5).水利论文.`'~(v"@6lC M

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