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泥沙淤积是黄河下游洪水危害的根本原因,窄深河道具有极强的泄洪输沙能力 
[ 2008/8/13 15:21:00 | By: zw-pump ]
 

泥沙淤积是黄河下游洪水危害的根本原因,窄深河道具有极强的泄洪输沙能力
提要:泥沙淤积是黄河下游洪水危害的根本原因,窄深河道具有极强的泄洪输沙能力,床面进入高输沙动平整状态造成河道输沙“多来多排”,流速2m/s河槽不淤,洪水输沙的非恒定性,底沙的运动状况决定了河床的冲刷或淤积,其底沙运动速度远小于洪水波的传播速度,因此不管洪水含沙量高与低,比降陡与缓的河流,河床在涨水期都是冲的,落水期都是淤的,均可产生长距离强烈冲刷。所以对窄深河槽的过洪机理,淤滩刷槽之间没有联系,水库排沙调控原则等问题认识的突破,为水库利用洪水排沙和下游河道双岸整治,充分利用洪水的输沙和造床作用,长距离输沙入海,实现下游主槽不淤高的目标提供了可能。

关键词:窄深河道,泄洪输沙,非恒定,河槽不淤,双岸整治,河床不抬高

众所周知,泥沙淤积是黄河下游洪水危害的根本原因,治黄的主攻方向就是要解决泥沙淤积问题。根据2002年国务院批复的《黄河近期重点治理开发规划》的相关研究,2050年后,黄河年均来沙量仍有8亿t,利用河道输沙入海是治黄中一项长期的而艰巨的重要任务。为维持黄河下游河道健康生命,将采取综合措施实现下游主槽不淤高的目标,其核心是科学进行中游水库调水调沙和下游河道整治,充分利用自然的力量,增大洪水的输沙作用。

针对21世纪黄河的治理思路,水利部提出“堤防不决口、河道不断流、水质不超标、河床不抬高”宏观治理目标。其中最难的是河床不抬高。在对黄河窄深河道具有极强的泄洪输沙能力,洪水输沙的非恒定性,涨冲落淤规律的破解,打开了对下游治理的新视野,治理理论有了突破。

1.洪水非恒定可造成冲积河道长距离冲刷

根据对冲积河道实测资料的分析,河槽水力几何形态、动床阻力特性、床沙与悬沙不同的水力特性与河道冲淤之间的密切关系, 阐明了窄深河槽输沙多来多排的力学基础。床面在高输沙动平衡状态时,处在多来多排的输沙状态;底沙运动速度滞后于洪水传播速度,造成河道长距冲刷;洪水非恒定性是造成涨冲落淤的原因,河床的冲淤取决于作用河床底部剪力的变化,剪力增大,底沙的输送强度增加,河床不断冲深。在最大洪峰后,水深达最大,作用在床面上的剪力最大,底沙输移强度最大,d50=0.05~0.1mm的粗沙在洪峰期也能顺利输送,在洪峰稍后河床高程达到最低。在落水过程中作用在床面上剪力减小,底沙输移强度渐次变弱,河床不断淤积抬高。

河流的调整,没有因比降的沿程变缓而使水流的流速降低,而是始终保持某一固定的数值,甚至沿程增大。

其调整的机制:往往是比降变缓,河宽减小,水深增加,从而使流速不变,甚至沿程增大,维持床面在高输沙动平衡状态, 如黄河下游河道,渭河下游河道均是如此。

底沙的运动状况决定了河床的冲刷或淤积,其运动速度远小于洪水波的传播速度,因此洪水在几百公里、甚至上千公里长,比降变化相差甚至十倍(万分之六至万分之零点六)的冲积河道均可产生强烈冲刷。

2.窄深河槽有利于高含沙水流输送

20世纪80年代,对黄河干支流不同河段的高含沙水流输沙特性的对比分析表明[详见附件9],窄深河槽有利于高含沙水流输送,适宜输送的含沙量不是低含沙量,而是含沙量大于200kg/m3的高含沙水流。目前造成高含沙洪水在黄河下游河道严重淤积,和在输送中产生异常现象的主要原因是高村以上游荡性河道河槽极为宽浅。

造成河道多来多排的原因,在低含沙水流时是因水流的流速达到1.8~2m/s,床面进入高输沙动平整状态(详见附件12);对高含沙水流而言,是因为黄河泥沙组成细,含沙量增高后流体的黏性增大,而河床对水流的阻力并没有增加所致,仍可利用曼宁公式进行水力计算。

在窄深河段随着流量的增大,河道由淤积变为冲刷:形成窄深河道“多来多排”的输沙规律;宽浅河道“多来多排多淤”:其中河槽“多来多排”,而滩地则“多来多淤”。黄河下游艾山以下河道实测洪水最大含沙量为200 kg/m3。目前的山东河道在流量2000~3000m3/s,不仅可以输送实测含沙量小于200 kg/m3的洪水,待含沙量增加到400~500kg/m3时,会更有利于输送。该段河道具有巨大的输沙潜力。

3.窄深河槽的过洪机理

造成窄深河槽过洪能力大的主要原因,是河槽的过流能力与水深的1.67次方成正比。洪水泄洪能力的增加主要是靠河床冲刷水深增大来实现的。

1958年花园口站水位流量关系表明,流量从5000m3/s涨到15000m3/s,水位只抬升1m,河床平均冲深1.83m,而主槽平均水深却由1.99m增加到4.82m,增长2.83m,主槽刷深的幅度远大于水位的增幅。由于水深的大幅度增加,使得河槽的泄流能力迅速增大。洪峰前后5000m3/s水位下降1m,主槽河底高程下降近3m。

1958年泺口站流量从5000m3/s增长到10000m3/s,水位升高2.95m,平均河底高程冲深3.45m,但主槽平均水深由6.70m增加到13.1m,增加了6.4m,也远大于水位升高值。最大水深由8.9m增至18.1m,增加了9.2m。

艾山以下河道在涨水过程中,流量大于1500 m3/s平均河底高程开始冲深,在最大洪峰时,主槽河底高程最低,过流能力到达最大。

4.窄深河槽具有很强的泄洪能力

水深增大对河道的过洪能力影响最大。

河道比降万分之一的河段:艾山站在1958年7月21日、22日,在河宽476m、468m,平均水深8.9m和10.6m的条件下,分别下泄12300m3/s和12500m3/s洪水;泺口水文站在1958年7月22日、23日,主槽宽295m,平均水深10.6m和13.1m的条件下,通过的洪峰流量分别为10100m3/s和11100m3/s。

河道比降万分之二的花园口站:在1977年经过7月和8月两场高含沙洪水塑造,8月8日实测主槽宽467m、483m,相应水深为5.4m,5.3m,平均流速3.85 m/s、3.73m/s,流量达8980m3/s和9540m3/s。由此表明,主槽的过流能力很大,只要能保持较大的水深,泄洪要求的河宽并不是很大。

窄深河槽随着流量的增大,水面宽会略有增加,河床不断被冲深,水位的涨势趋缓,流量越是增大,水位涨率越是平缓。

洪水在冲积河床中流过,随着洪峰流量的上涨,不仅水位上升,同时河床不断刷深,使得河道的过流能力迅速增加。不仅低含沙洪水如此,高含沙洪水也是如此。河床刷深对过洪能力的影响往往大于水位抬升的影响,甚至由于河床剧烈的刷深,使得洪水位反而大幅度降低。

5. 调节水沙搭配,控制主槽淤积是解决问题的关键

黄河干支流大型的水利枢纽建设,完全改变了下游来水来沙的自然过程,游荡性河道经长处于小水挟沙过多状态中,河槽连年淤积而不能摆动是造成二级悬河的根本原因。二级悬河与一级悬河产生的原因相同。通过洪水期河床冲刷与滩地清水回归主槽过程分折,说明主槽冲刷与漫滩淤积间没有必然联系(详见附件3),洪水不漫滩河槽仍可发生冲刷。因此,调节水沙搭配,控制主槽淤积是解决问题的关键。

为了实现黄河下游河道不抬高,首先要改变进入下游的水沙搭配,这是治理下游的前提,其作用往往不引人重视,如三门峡水库的“蓄清排浑”运用避免了非汛期小水挟沙后淤槽,有利于中水河槽的形成。但是三门峡水库的“蓄清排浑”作用是有限的,尤其是不能适应黄河水沙变化的发展趋势,也不能充分利用下游河道可能达到的输沙潜力输沙入海,黄河的水资源也不能得到充分合理的利用。小浪底水库进行泥沙多年调节运用的作用,会有更多的泥沙调节到洪水期输送,远大于三门峡水库“蓄清排浑”的作用,为进一步整治游荡性河道创造了条件。在“拦、排、调、放、挖”, 以调为核心的治河方略,也为下游形成窄深河槽提供了技术支撑。

黄河滩区是180万滩区民众赖以生存与发展的基础。目前,滩区经济发展水平相对低下,产业结构单一,民众生活环境较为恶劣。该区域十分落后的安全和发展现状,与整个区域和乃至全国经济社会快速发展的整体态势形成鲜明对照,创造条件形成窄深河槽,就可以为滩区创造一个相对安全的环境是社会经济发展所必须。

6.泥沙多年调节,利用洪水排沙

在黄河“八五”攻关中,首次对小浪底水库泥沙多年调节,利用洪水排沙,并进行了较详细的方案计算,初步制定了水库运用原则。因此,小浪底水库的运用方式由初期的削减高含沙洪水发展到利用洪水排沙。

6.1把沙量调放到涨水期

因为不管高含沙量,低含沙量,比降陡与比降缓的河流,河床在涨水期都是冲的,落水期都是淤的,我们在调水调沙的时候若能把沙量调放到涨水期,这是非常有意义的。因此,拦粗泥沙主要应拦小水时挟带的泥沙,而大水时“粗泥沙”也可输送入海。

6.2产生高含沙水流的机理

大量的实测资料表明,蓄水拦沙运用水库水位的迅速下降并泄空,淤泥便可流动产生高含沙水流。水库虽然大小、形态各异,但淤土的力学性质相同,产生高含沙水流的机理也相同(详见附件12)。

(1) 众所周知,淤土抗剪强度参数(C和Ф)依排水条件而异。土的抗剪强度一般不排水不固结的试验值最小,库水位的迅速降低,使淤土中孔隙水来不及排出,土体的强度,粘着力C和内摩擦角值低,Ф=0(属于情况: f=c),土体的容重rm大,只要流泥的水平推力W=rmhj大于土体的黏着力(C= f),土体的便可产生流动,式中h为泥浆深, j为纵坡。蓄水拦沙运用水库中的淤积物处于水下饱和状态,库水位的迅速下降并泄空,淤泥流动便可产生高含沙水流。

(2) 在洪水期水库主动泄空,库水位迅速大幅降低,随着主槽强烈冲刷,河床高程降低,滩槽高差的增大,土体荷重增加。随之土体内发生超孔隙水压力,引发土体向主槽坍塌,为利用洪水排沙,高含沙水流形成创造了有利条件。

(3)水库泄洪排沙时,库水位迅速降低,当库区淤积物抗冲性较强时,溯源冲刷纵剖面调整又具有自动调整的特性,使冲刷以“局部跌坎”的形式向上游发展,使水流能量的消散集中,增强冲刷能力,为多沙河流形成长期使用的调水调沙库容提供了可能性。

(4)在中小型水库泄空冲刷时产生的淤土滑塌,洪水排沙的高含沙水流的情景,在大型水库(如黄河小浪底水库)相似运用条件下也会产生。主动空库泄洪排沙是多沙河流调沙的优化模式,这为黄河下游河道利用洪水输送高含水流提供了可能。

6.3利用洪水冲刷排沙

由小浪底水库分析计算结果可知,水库的淤积量大于30亿m3后,才能利用洪水冲刷排沙,相同的来水来沙条件,库区淤积量小,水库冲刷机会多,但冲刷效率低;当首次起冲量大时,库区淤积量多,冲刷效率高,但冲刷机会少,两者综合作用的结果,看不出优劣。同样的来水条件和库区泄空水位,水库淤积量大时,冲刷效率高,出库的含沙量大,可以使更多70%-90%的泥沙调节到洪水期输送。进入下游的水沙为供兴利的大小流量清水流和挟带泥沙的洪水; 由水库主动空库泄洪排沙,淤土滑塌所形成的调沙库容可以长期重复使用, 为黄河下游河槽不淤创造了有利的来水来沙条件。

7.不淤河槽设计(详见附件14)

7.1.河槽不淤的水流条件

床面在低能态区,随着水深的增加,流速迅速增加,进入“多来多排”,此时的水深流速值可作为不淤河道设计值。根据相应的床面形态由沙纹发展成流动沙浪,底沙的运动逐渐增强,当床面进入高输沙率平整状态时,水深与流速关系发生明显拐点。根据对黄河河道实测断面平均水深与流速关系图,将发生拐点的临界水深、流速值列入表1。从表中给出的资料表明,水深的变化范围在1.5m至2m,流速的变化范围在1.8至2m/s,单宽流量的变化范围在3至5m3/s-m,进入高输沙动平整状态,河道的输沙特性将进入“多来多排”的输沙状态。故可以用流速2m/s,作为设计条件,当河宽变化时不淤流量也会相应变化。

 


7.2.不淤河槽设计

比降变化对输沙不淤河宽的影响

 


表2给出比降万分之一或万分之二,排沙流量分别为3000、2500、2000、1500、1000 m3/s ,各流量时的河槽不淤时整治河宽值列入表2。随着排沙流量的减小河槽不淤整治河宽减小,但均可达到河槽不淤控制条件。其中比降万分之二比万分之一时的河槽不淤河宽均大些,前者是后者的1.7倍。排沙流量1000 m3/s时的不淤河宽, 在曼宁糙率分别为0.012和0.010时,比降万分之二和比降万分之一的整治河宽分别为227m和177m, 均可达到控制河槽不淤要求。

从以上计算结果可知,在河道比降不变的情况下,输沙流量的减小,不淤河宽相应减小,仍可达到河床不淤所需的水流条件,排沙流量由3000 m3/s降到1000 m3/s时,比降万分之二时的不淤河宽由682m减少到227m;河道比降万分之一时,不淤河宽由530m降为177m。说明在比降一定的情况下,可以设计流量不同的不淤河槽,只是河槽宽度上的变化。

 


在自然条件相似的冲积河流,流量变化幅度虽然很大,但比降的变化幅度并不大,在比降相同时,不同流量级别的河道的河槽宽度不同。以黄河主要干支流渭河、北洛河及黄河下游为例可清楚说明,北洛河河槽最窄只有80米,100~200 m3/s高低含沙洪水河道即可不淤;渭河下游从上到下河槽宽450~260m时,流量1000 m3/s 高低含沙洪水河道不淤;黄河下游艾山以下河道河槽宽300~400m,实测含沙量100多kg/m3,流量1500~1800 m3/s 时河段排沙比即可达100%。以上实例说明,在排沙流量变化时可通过控制河槽宽度,实现控制河槽不淤。

8. 双岸整治方案是实现窄深河槽的最优方案

基于窄深河槽具有极强的输沙潜力和泄洪能力,按洪水期顺直微弯流路布置双岸整治工程, 以缩窄河宽、增加槽深,控制清水塌滩,使洪水冲刷向纵深方向发展,增大平滩流量(详见附件1.2.6)。考虑到排沙时河槽不淤与泄洪的共同需求,整治河宽取600至800m。2003年进行的动床模型试验表明,在小浪底水库泥沙多年调节的水沙条件下,主槽能够迅速刷深,洪水水位降低,平滩流量迅速增大,河道输沙能力大幅度提高,河段输沙基本平衡,平滩流量由3000m3/s增加到6000m3/s以上,既减少中小洪水漫滩致灾的风险,又能形成稳定的中水河槽,有效控制河势, 并经受百年一遇洪水的试验,证实了双岸整治方案。

双岸整治工程经常靠河,因而提高工程的利用率,将大量节省投资。可以从根本上解决背着石头撵河的被动局面,及大量河道整治工程长期不靠流的状况(详见附件1.10),并防止发生类似2003年小流量下游生产堤遭冲决,造成滩区严重淹没损失。但由于受传统治河思想及河道整治工程修建方法的影响,在黄河上实施双岸整治还有很大的阻力。为此希望把这个项目作为重点,针对关键问题集中组织水利系统的科技力量攻关,以便统一认识。针对实施中关键技术开展模型试验和进一步的分析研究。

双岸整治在其它河流如中亚地区多沙的阿姆河,以及美国密西西比河、密苏里河及我国的汉江上都有成功的先例。虽然各自的整治目的不同,但整治方法却是相同的,都是通过缩窄河宽,增大水深和流速。为此在借鉴国内外经验的基础上,根据已经进行的双岸整治动床摸型试验取得的认识,建议在黄河下游选取几十公里长的河段进行原型试点研究,以取得经验。

9.正在实施的河道整治方案需要调整

开始于上世纪六十年代的黄河下游河道整治工程,经过40余年建设,改善了河势,保护了滩区,减轻了现有险工的防洪压力,对于黄河下游防洪安全起到了积极作用。但是针对黄河下游游荡性河段河槽极为宽浅无法约束洪水,造成河势变化呈现随机性,没有采取相应有效的工程措施。在河道整治实践过程中,无论是枯水时段、丰水时段或是大洪水时期,都曾出现过河势失控的情况,2003年汛期蔡集等处出现的严重险情说明,在小浪底水库建成投入运用后的水沙条件下,在辛店集以上宽河段,现行减小荡性范围的弯曲河道整治方案难以满足新形势下对稳定主槽、提高河道输沙能力要求。为此黄委会对下游河道治理提出“稳定主槽,调水调沙,宽河固堤,政策补偿”的下游河道治理方略, 稳定主槽是当前下游河道治理的关键。当前有必要对弯曲整治方案进行再认识,对以实施的河道整治工程进行后评估, 对现行微弯整治实际多急弯、陡弯,存在诸多问题,用双岸整治工程办法进行补充,行成不同型式的双岸整治, 减少塌滩,稳定主槽,形成窄深河槽,提高排洪输沙能力。

10. 黄河下游河道治理前景

在对黄河窄深河道泄洪输沙规律认识的基础上,治理理论有了突破(详见附件13);在下游河道河型转化的条件研究的基础上,提出了游荡性河道整治的发展方颉P±说姿饽嗌扯嗄甑鹘冢嗷煤樗派? 优化了来水来沙条件,才有可能达到河床不淤。稳定主槽形成窄深河槽才能保证防洪的安全;必须形成窄深河槽才能提高河道的输沙能力,充分利用下游河道在洪水期的输沙潜力多输沙入海,从而达到更好的减淤目的(详见附件2.15)。

由此可见,形成有一定过洪能力窄深河槽是游荡性河道治理主攻目标。主槽过流能力增大了,洪水漫滩机会减少了,才能使黄河滩区人们与自然和谐相处, 滩区180万群众得到解放,100万亩耕地得到充分利用, 是以人为本、科学发展观对现今黄河下游河道治理的客观要求。只有把游荡性河道改造成窄深、归顺、稳定的高效排洪输沙通道,才有可能达到河床不抬高(详见附件2)。使水资源短缺、二级悬河及滩区、河口泥沙等诸多问题便可得到妥善解决,即将在我们面前展现的会是一个高滩深槽的前景, 黄河下游河床不抬高的战略目标一定能够实现。

附件目录:中国水情分析研究报告

(关于黄河下游河道治理文件)

水规总院水利规划与战略研究中心

1. 关于黄河下游游荡性河道整治的思考 总第102期 齐 璞 于强生 马荣曾

2. 浅谈黄河下游河道不淤的可能性 总第112期 刘善建

3. 生产堤对塑造中水河槽的作用 118 齐 璞

4. 以河治河 以水治水—学习潘季训治河思路的思考 120 刘善建

5. 小浪底水库运用后输沙用水量可以大量节省 122 齐 璞

6. 论“稳定主槽、调水调沙”的治河方略 127 齐 璞

7. 塑造窄深河槽是黄河下游治理的首要任务 132 齐 璞

8. 钱正英院士在黄河下游治理座谈会上的讲话 133 钱正英

9. 黄河高含沙水流的高效输沙特性形成机理 134 齐 璞 孙赞盈

10. 黄河下游河道整治方案应重新规划 138 温善章

11 评《黄河下游游荡性河道整治方案研究》 139 齐 璞

12.利用洪水排沙不必刻意拦粗排细 137 齐 璞 高 航 余 欣

13. 黄河下游河道输沙泄洪机理、能力及治理前景 140 齐 璞

14.黄河泥沙“多来多排”的输沙机理与不淤河槽设计 141 齐璞 高航 彭红 孙赞盈

15. 关于黄河下游整治最终目标的设想 142 刘善建

16. 关于黄河水资源可持续发展的建议 143 刘善建
 

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