三门峡水库典型运用时段黄河下游粗细泥沙的输移和调整规律(陈建国,周文浩,袁玉萍)

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三门峡水库典型运用时段黄河下游粗细泥沙的输移和调整规律

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陈建国周文浩袁玉萍水利论文"`d _z&G+_-`,{
(中国水利水电科学研究院 泥沙研究所)

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摘要:通过对黄河下游实测资料的分析,探讨了三门峡水库不同典型运用时段粗细泥沙的冲淤特点,指出了各典型时段粗细泥沙的输移和调整规律。

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关键词:典型时段; 粗细泥沙; 输移; 调整

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基金项目国家重点基础研究发展规划项目(G1999043604)
-\\:G?!P:i0作者简介:陈建国(1962-),男,中国水科院教授级高工。
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1 前言水利论文]"y4CJ%pen)ZC

三门峡水库的建成和运用,改变了下游河道的来水来沙条件,泥沙的输移和调整也出现了新的特色。数十年来,就水沙的组合来看,三门峡水库的运用及其造成的典型的水沙条件可分为:(1)水库蓄水拦沙,持续下泄清水;(2)库水位急剧下降,水库集中排沙;(3)“蓄清排浑”期非汛期下泄清水;及(4)“蓄清排浑”期汛初水库冲刷排沙。本文选取上述典型时段流量比较平稳,沿程变化不大的过程作为研究时段。水利论文OJ ~&o$dM0L"S0[y

对上述四个典型时段黄河下游粗细泥沙的输移和调整进行了分析。

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2 清水冲刷下粗细泥沙的冲淤调整水利论文S7tj2FT^ _:FS*C

2.1 含沙量的沿程恢复

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三门峡至小浪底为峡谷河段,水库下泄清水无法从河床取得补给,至小浪底、铁谢一带仍保持着清水状态。自此以下,水流才能从河床上取得补给,含沙量逐渐增加,含沙量恢复的距离随水库下泄流量的增加而增加,下泄流量在1000m3/s以下时,含沙量恢复距离初期至花园口、夹河滩一带;1000~2000m3/s 时,可以到达高村-艾山;2000m3/s以上时,含沙量恢复的距离达到利津(图1)。水利论文1Af J^U\Jvg!_Ib

1 清水冲刷下全沙含沙量沿程恢复
,D o#oq,V7vSg2R?0Fig.1 Recovering of sediment concentration along the river when clear water released from Sanmenxia reservoir
  细、中、粗泥沙的恢复程度及恢复距离不同(图2)。细泥沙恢复量小,恢复慢,恢复的距离长。极细泥沙(d<0.01mm )沿程的平均含沙量最大只有2~3kg/m3,即使水库下泄异重流,变化也不大;细泥沙中较粗部分(0.01~0.025mm)恢复后的平均含沙量最大也仅4kg/m3左右。它们一般到艾山甚至利津才能恢复。中、粗泥沙恢复快,恢复的距离短。中泥沙的恢复距离一般在高村附近,其含沙量4~5kg/m3左右。高村以下含沙量略有下降。只有大流量,例如2000m3/s以上,有时恢复距离可达利津,其含沙量不超过8~10kg/m3。粗泥沙恢复距离在高村一带,含沙量4~5kg/m3,比中泥沙略快一些。高村以下含沙量迅速降低。水利论文'cw~:j1e_/X

  上述特点是与清水冲刷中不同粒径泥沙补给来源不同有关的。细泥沙来源于滩地冲失,中泥沙少量来自滩地倒塌,大部分来自河床冲刷,粗泥沙则几乎全部来自河床冲刷。河床在清水冲刷下,花园口以上以下切为主,花园口到夹河滩下切和展宽并存,夹河滩到高村河床在下切同时,展宽明显。

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2 清水冲刷下各粒径组泥沙沿程恢复水利论文~`0Jb/pn5o,L,d5m
Fig.2 Recovering of sediment concentration for different sized sediment along the Lower Yellow River

所以细泥沙补给受到限制,沿程恢复量小,速度慢,中、粗泥沙在河床中大量存在,可供量充沛,可以在相对较短河段内迅速恢复。

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2.2 冲刷特点水利论文qLV.r;V0{Um8\t

黄河下游河道在清水持续冲刷下,总的说来,河床组成中各级泥沙通过河床冲刷都对清水提供了补给,表1为1961~1964年5次典型时段清水冲刷下分河段粗细泥沙的冲刷百分比,平均说来,河床冲刷最多的是中泥沙及细泥沙中的较粗部分。就全下游来说,中泥沙的冲刷量占下游总冲刷量的37.1%,细泥沙中的0.01~0.025mm占33.6%。河床冲起的细泥沙中d<0.01mm 的部分主要来自滩地倒塌,来源受限制,另一方面,水流漫及低滩时也要截留一部分,所以,冲刷量仅15.9%。粗泥沙经过高村以下回落以后,冲刷量只及下游总冲刷量的13.4%,其中d>0.1mm 的极粗泥沙从总体上讲不受冲刷。在高村以上河段,情况也大体相同,除了中泥沙及细泥沙中0.01~0.025mm两部分泥沙受到冲刷,其冲刷量分别占到高村以上冲刷总量的36.4%和23.1%外,粗泥沙中的0.05~0.1mm泥沙的冲刷量占30.4%,d>0.1mm的极粗泥沙基本不受冲刷。水利论文:~ M)@?-CnS~"|

当粗泥沙在高村以上冲刷,高村以下淤积时,高村以上冲起的粗泥沙,相当一部分要淤在高村以下河段。这时,河床出现冲细淤粗的现象。上述典型时段内流量沿程变化不大,如果考虑到沿程流量的递减,上述百分比可能会增大。

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1 清水冲刷下分河段粗细泥沙的冲刷百分比

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Table 1 Percentage of different grain sized sediment eroded by clear water(%)

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粒 径(mm)<0.010.01~0.250.025~0.050.05~0.1>0.1

高村以上河段6.923.136.430.43.2
全下游15.933.637.112.60.8

2.3 冲刷量

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在清水冲刷中,影响冲刷的因素复杂,包括来水大小及过程,来水的历时,以及河床边界条件。由于选择了流量平稳的时段,来水可用时段平均流量Q代表,河床边界以床沙中径d50代表,于是时段冲刷量ΔWs可表达为

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ΔWs=f(Q,T,D)水利论文 M(q;x Q0V9iR

(1)水利论文!L-g;m Y&DaS|4\H

作为近似,忽略河床粗细化的影响,则水利论文vs!P$ZW3@.AU!E

ΔWs=f(Q,T)=f1(W)水利论文O'OqN2q$g)S W

(2)水利论文[9]$gy!_/U5|3X

即当来水比较平稳时,清水的冲刷量与来水量有关,而与来流量关系不大。图3表示了1961~1964年清水冲刷下黄河下游河道内各粒径泥沙冲刷量与来水总量的关系,除了0.01~0.025mm这一粒径组外,两者都有良好的关系。0.01~0.025mm下面一线是相当于1963、1964年的冲刷关系。由于前期冲刷,河床粗化,床面上0.01~0.025mm粒径组泥沙的可冲量减小,使这一时期的冲刷量也相应减少。由此可见,黄河下游河道清水冲刷,河床粗化过程中,对床面粗化起明显作用的是粒径大于0.025mm的泥沙,粒径小于0.025mm的泥沙基本上都能被冲起带走。粗泥沙在高村以下出现淤积调整,下游的冲刷量反比高村以上的冲刷量小。水利论文)ygT-gD:Uj%A

3 三门峡水库蓄水期下游河道不同粒径泥沙冲刷量与水利论文:ay7j^r/U+H _
来沙量的关系
Y5i6cjOn.?G0Fig.3 Relation between sediment erosion and incoming runoff in the Lower Yellow River, when the Sanmenxia reservoir was impounded
4 三门峡水库蓄水期利津站不同粒径泥沙出海沙量与水量的关系水利论文Se%DH` Ik&S;c
Fig.4 Relation between quantity of sediment load and incoming runoff at Lijin station when Sanmenxia reservoir was impounded

2.4 利津出海沙量水利论文,nj6HXM @.t

三门峡水库下泄的清水,经过下游河道的冲刷调整,在沿程水量变化不大的情况下,通过利津的沙量与来水量之间存在较好的关系,如图4。可以看出,在清水冲刷情况下,通过利津的泥沙中,以中泥沙(0.025~0.05mm)为主,在各级来水量时,约占总沙量的40%~50%;其次为细泥沙中的0.01~0.025mm泥沙,约占20%;粗泥沙中的0.05~0.1mm泥沙占有15%~25%,大于0.1mm的泥沙不到1%。

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3 集中排沙期粗细泥沙的淤积规律

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3.1 水沙特点

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1964年为黄河的大水大沙年,潼关年水量699.3×108m3, 年沙量23.6×108t(水文年),三门峡水库汛期滞洪,汛后库水位下降,形成典型的水库集中排沙。水库下泄流量从当年10月下旬的3500m3/s下降至翌年2月的660~830m3/s;含沙量持续偏大,10月下旬为40kg/m3,11月维持在50~70 kg/m3,12月至翌年2月持续在30kg/m3左右,而泥沙粒径较粗,中径从初期的0.036mm增加到0.05mm左右。这期间下游河道不仅是“小水带大沙”而且是“小水带粗沙”。水利论文 ZD Y+VD!Km'B4U

3.2 下游河道淤积特点

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水库集中排沙初期,水库下泄流量较大,泥沙相对较细,下游河道的淤积量占来沙量的60%~70%,几乎全部淤在高村以上;中后期下泄流量逐渐减小,淤积量占来沙量增大到74%~84% ,淤积部位下延,高村以下的淤积相对增加,约为全河淤积量的30%~40%。水利论文6m'M|8_;Jz~O

在集中排沙期,各粒径组泥沙的淤积量和部位是不同的。随着下泄流量的减小,水流挟带各种泥沙的能量逐渐减小,粗泥沙在下游河道的淤积量占其来沙量的93%,中泥沙的淤积量占其来沙量的89%,细泥沙的淤积量仅占其来沙量的38% ,淤积下来的主要是粗泥沙和中泥沙。从淤积部位上看,在花园口以上河段,粗泥沙的淤积量占该级泥沙下游河道淤积量的67。4% ,中泥沙的淤积量占该级泥沙下游河道淤积量的58.1% ,这两级泥沙在高村以上河段的淤积量占他们在下游总淤积量的80% 左右,粗、中泥沙淤积部位主要在花园口以上河段,细泥沙主要淤在花园口至高村之间。这种淤积特点与当时的河床形态有关。花园口以上河段经过清水及1964年汛期的大冲刷,河床粗化,比降变平,三门峡集中排下来的较粗泥沙,首先在这里淤积调整。花园口至高村,在1964年期间,河道展宽,汊洲增多,为细泥沙的淤积创造了条件。水利论文8@9yZ&r8T_#V2v{n

  水库集中排沙期,河道的淤积量与来沙量有关,而与下泄流量关系不大。由于在此期间各级泥沙大部分淤在高村以上,高村以上各粒径组泥沙的淤积量与其来沙量在双对数纸上呈良好的直线关系(图5)。水利论文Bp,L;X/W(W"H

4 “蓄清”期非汛期下泄清水期粗细泥沙的冲淤调整

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4.1 冲淤调整

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EL;]eR"aY0  三门峡水库非汛期蓄水,下泄清水或含沙量较小的水流,下泄流量除桃汛外,一般都比较小,粗细泥沙的沿程冲淤调整是在汛期水库“排浑”期淤积的基础上进行的,因此,冲刷主要发生于主槽,冲起的泥沙都比较粗。水利论文 Oz%c8cE [3f

5 三门峡水库集中排沙期高村以上河段淤积量与来沙量的关系
V2c2M0\SR%JI#k0Fig.5 Relations between deposition and incoming sediment load in reach upstream of Gaocun when concentrated flushing of reservoir

以花园口为例,冲出来的泥沙中粗、中泥沙各占30%~40% 左右,中径在0.04mm左右。在清水冲刷下,冲刷距离随流量的增加而增长。当来流量为500m3/s左右时,冲刷发生在花园口以上河段;当来流量在500~1000m3/s时,冲刷范围可达高村;如果遇桃汛,则冲刷可达艾山(1976.3.1~4.30,1985.3.11~3.25),但这期间95% 的冲刷仍然集中在高村以上。在冲刷河段以外河段,普遍发生淤积,泥沙存在明显的“搬家”现象。特别是高村到利津河段,其淤积量约相当于高村以上冲刷量的30%,十分触目。水利论文*c(~` ?|V7E"m jk

从不同粒径组泥沙调整来看,来自三门峡水库的清水,经过高村以上的冲刷调整,至高村时水流所携带泥沙中,粗、中、细泥沙约各占1/3左右。如全沙一样,粗、中、细泥沙也存在着“搬家”现象,粗、中泥沙在艾山-利津河段内的淤积量平均约为高村以上冲刷量的43%、38.3%,比全沙的(30%)高,比清水冲刷期的(50%)低。这是“蓄清”期非汛期下泄的流量较小的缘故。上述分析结果表明,即使水流能从高村以上河段冲起粗、中泥沙,但输送粗、中、细泥沙的能力相差较大,输送粗、中泥沙比输送细泥沙更困难。

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4.2 高村以上河段桃汛前后输沙能力水利论文4Xc SJSL

“蓄清”期非汛期的冲刷一般到达高村,水库下泄的水量越多,通过高村的沙量也越多。图6所示为高村站的输沙量与来水量的关系。可以看出,桃汛前后同来水量的输沙量不同,桃汛后有明显的减少。水量越大,桃汛后减少越多;泥沙越细,降低也越多。这点也表现在桃汛前后高村以上河段的冲刷上,在同样来水量时,高村以上河段桃汛后的冲刷量明显降低,细泥沙更为明显(图7)。造成这一现象的主要原因是桃汛期的冲刷,一方面冲刷使汛后过水面积增加,流速降低,水流输沙能力减小;另一方面冲刷也使床面粗化,床面上能够被冲起的泥沙减少,特别是床面上含量较少的细泥沙。水利论文$O&Y|zee*oJz

6 三门峡水库蓄清期高村站输沙量与来水量的关系水利论文S`:c#V8qw~
Fig.6 Relations between sediment load and incoming runoff at Gaocun station in non-flood season
7 三门峡水库蓄清期高村站输沙量与来水量的关系
+o!\)E:Td `NU0Fig.7 Relations between erosion and incoming runoff in the reach upstream Gaocun in non-flood season

5 “蓄清”期汛初水库冲刷排沙期粗细泥沙的冲淤调整水利论文1D;yu6`TrM/f

5.1 淤积特点水利论文&Lx | q S a1Q!U

每年汛初三门峡水库水位降到300m左右,非汛期淤在库区的泥沙有部分冲刷下泄。由于库水位下降和非汛期淤积不同,下泄泥沙粒径变化较大,中径在0.005~0.042 mm 。冲刷下泄的泥沙在下游河道淤积,淤积主要部位在花园口以上,淤积比随下泄泥沙粒径的增加而增加。下泄粒径粗时(0.04 mm),花园口以上淤积量占来沙量的70%~80% (图8);下泄粒径细时(0.005~0.007mm),淤积量占来沙量平均为30%;下泄泥沙粒径为0.03 mm时,淤积量为来沙量的50% 。花园口至高村的淤积量一般为来沙量的10%~20%。水利论文$acsbO/Jrf4x+[

8 花园口以上河段淤积量百分比与来沙中径的关系
!u1|(Y[3k[0Y8i0Fig.8 Relation between percentage of deposition and median size of incoming sediment in the reach upstream of Huayuankou
9 淤积量与来沙量的关系
y G"^2n#wJ Y(uK0Fig.9 Relation between deposition and incoming sediment load
10 三门峡水库汛初排沙期花园口以上河段淤积量与来沙量的关系水利论文 W1b}t MR [s7X9b
Fig.10 Relation between deposition of different sized sediment and incoming sediment load

5.2 淤积量

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花园口以上河段的淤积量与来沙量的关系如图9,可以看出,淤积量的多少决定于来沙量而与流量无关,来沙量越大,淤积量也越多,这主要与黄河下游发生淤积时水流含沙量处于超饱和状态有关。各粒径组泥沙在花园口以上的淤积量也与其相应的来沙量有关(图10),除极细泥沙外(d<0.01mm),两者都有较好的关系。

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6 结论水利论文g3FP%s4D jy#| M3w

(1)当水库下泄清水,河床冲刷时,水流含沙量逐渐恢复,细泥沙恢复慢,恢复距离长,中、粗泥沙恢复距离短。河床冲刷以中泥沙及细泥沙中0.01~0.025mm泥沙为主,高村以上冲起的中、粗泥沙中有相当一部分要在高村、艾山以下河段淤积下来,其冲刷量决定于清水水量的大小。

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(2)在水库集中排沙时,下游河道严重淤积,淤积量占来沙量的60%~70% ,初期淤积部位在高村以上,以后逐渐下移,其中粗、中泥沙主要淤在花园口以上河段,其淤积量决定于来沙量。水利论文,Rv!O~}(z

(3)在“蓄清”期间,冲起的泥沙比较粗,花园口河段中、粗泥沙各占30%~40% ,中径在0.04mm左右,冲刷距离随流量的增加而增加,最远可达艾山附近,高村以上冲起的泥沙有40%左右要在艾山以下淤下来,高村以上河段在桃汛以后由于河床粗化,输沙能力有明显降低,因而河道冲刷量也相应降低,泥沙越细越明显。

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(4)在“蓄清”期汛初水库小水排沙时,根据库水位下降、下泄流量和非汛期淤积不同,水库下泄泥沙粒径变化范围为0.005~0.042mm,泥沙淤积主要在花园口以上河段,泥沙粗时淤积量占来沙量的70%~80%,泥沙细时占30%左右,淤积量决定于来沙量,与流量无关,泥沙粒径也是影响淤积量的重要因素。水利论文uvz-`~ Z

参 考 文 献

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[1] 陈建国,周文浩,赵华侠,李宜斌。三门峡水库不同运用时期下游河道不同粒径泥沙的冲淤调整趋势。水利水电技术,1997,6,(6):14-17.

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[2] 胡一三主编。中国江河防洪丛书。北京:中国水利水电出版社,1996.水利论文5sz ErROZ_7x

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