河型成因研究及其應(yīng)用

1、河型成因研究及其應(yīng)用             摘要大水淤灘刷槽，小水淤槽，河性河型就在這對(duì)相互矛盾過(guò)程的相互交替、相互抵消、相互消長(zhǎng)中形成、演化。前者導(dǎo)向好河，后者導(dǎo)向壞河。兩者的強(qiáng)弱對(duì)比，就是河性河型差異的總根據(jù)?？捎脕?lái)水來(lái)沙關(guān)系的m值來(lái)表達(dá)這種對(duì)比。m2.5的將形成單股窄深蠕動(dòng)性河型，m2.5的則形成多汊寬淺游蕩性河型。改變來(lái)水來(lái)沙關(guān)系的m值，大水淤灘刷槽、小水淤槽過(guò)程的強(qiáng)弱對(duì)比也就改變，河性河型也要逐步改變。這就是調(diào)水調(diào)沙、改造河性的真諦。將寬淺游蕩河段改造成較窄深穩(wěn)定

2、，以便修建興利工程和整治工程；將強(qiáng)烈淤積的河段改造成通暢的淤積較輕的河段，以延長(zhǎng)河道工程的使用年限；將無(wú)防洪困難的寬淺河段改造成更寬淺的壞河，能攔截大量來(lái)沙以利于下游河段的整治利用；水沙條件不易改造，而需加一些人工輔助的，如將分汊性河道改造成單股性河道，等等，都可以作為改造河性的目的。 關(guān)鍵詞河型成因 河性改道 水沙搭配 黃河 小浪底 1 河型成因淤積并不都可怕，可怕的是河槽的淤積；灘地上的淤積對(duì)河槽穩(wěn)定有利。沖刷也不都是有利的，灘地的沖刷會(huì)引起河槽擺動(dòng)改道；河槽受沖刷會(huì)對(duì)形成窄深的河道有利。大水淤灘刷槽，小水淤槽；河性河型就在這兩種相互矛盾過(guò)程的相互交替、相互抵消、相互消長(zhǎng)中形成、演化的。見(jiàn)

3、圖1。兩過(guò)程的強(qiáng)弱對(duì)比，就是河型差異的總依據(jù)，如圖2。設(shè)河道斷面的輸沙關(guān)系線為c線，如果來(lái)水來(lái)沙關(guān)系如d線所示，比c線為陡，則大水期將發(fā)生淤積，小水期將發(fā)生沖刷。我們知道，大水期淤積，應(yīng)主要淤在灘地上，這樣可使灘地易于淤高；小水期沖刷則只能發(fā)生于河槽中，有利于沖深河槽。因此d線所示的來(lái)水來(lái)沙關(guān)系將促使河道變得深窄，其原先的輸水輸沙關(guān)系線(c線)也將逐漸被調(diào)整到和d線相合。相反地，如果來(lái)水來(lái)沙關(guān)系如e線所示，即比c線平坦，則大水期將發(fā)生沖刷，小水期要淤積。將促使河道斷面變得更為寬淺多汊。河道的輸水輸沙關(guān)系線也將逐漸由c線變到與e線相合。所以來(lái)水來(lái)沙的搭配關(guān)系Qs=Kqm的m值大的，大水來(lái)沙偏大而

4、小水來(lái)沙偏小，易于淤灘刷槽而形成單股窄深蠕動(dòng)性河型；m值小的，大水來(lái)沙偏小而小水來(lái)沙偏大，易刷灘淤槽而形成多汊寬淺游蕩性河型。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，m值約以2.5為分界1。尹學(xué)良。黃河的害沙及其處理問(wèn)題。國(guó)務(wù)院三門峽樞紐問(wèn)題座談會(huì)文件。1964.12尹學(xué)良。三門峽水庫(kù)運(yùn)用和增建問(wèn)題。水利電力部“三門峽水利樞紐問(wèn)題座談會(huì)”文件匯編。1962年9月 來(lái)沙極少的單股河流，裁彎故河不易淤死而能多汊長(zhǎng)期并流，可出現(xiàn)一種副河型，即多汊窄深蠕動(dòng)性河型。來(lái)沙極少的多汊河型，該死的支汊不易淤死，而能多汊并流，也可出現(xiàn)另一種副河型，即多汊寬淺蠕動(dòng)性河型。長(zhǎng)江、嫩江中下游成為分汊性河道，就是這個(gè)原因。因季節(jié)性壅水而使大水期

5、比降減小的河段，相當(dāng)于加大大水期淤積(加大m值)而易形成單股窄深河型，如下荊江和長(zhǎng)江支流的下段是。北方長(zhǎng)期冰凍河流冰期岸冰起護(hù)岸作用，冰蓋使近底流速增大，流冰對(duì)河底剪力強(qiáng)，溫度低使泥沙沉速減小，都使小水期輸沙能力增大，減小小水期的河槽淤積，相當(dāng)于加大m值，使河道易于向單股窄深河型發(fā)展，如嫩江等是。滯洪水庫(kù)將洪水泥沙滯蓄而在洪水過(guò)后的小水期才泄放，減不了下游河道的淤灘強(qiáng)度而加大淤槽強(qiáng)度，下游河道會(huì)變成更寬淺游蕩的。如柳河鬧得海水庫(kù)的作用是。這是直接將大水來(lái)沙轉(zhuǎn)化成小水泥沙，減小m值、淤壞下游河槽的典型例子。不少學(xué)者強(qiáng)調(diào)邊界土質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)河型的作用，認(rèn)為河岸和河床抗沖能力之比，河岸粘土含量、河岸土質(zhì)二

6、元結(jié)構(gòu)等決定河型。另一些學(xué)者則強(qiáng)調(diào)比降或侵蝕基面對(duì)河型的作用，認(rèn)為基面決定河道比降，比降決定沖淤?gòu)?qiáng)度，從而決定河型。然而對(duì)于沖積性河流來(lái)說(shuō)，邊界條件，土質(zhì)結(jié)構(gòu)、比降等，都是由來(lái)水來(lái)沙條件和其所構(gòu)成的河型條件的影響下決定的，即不同的水沙條件造成了不同的河型，也造成了土質(zhì)結(jié)構(gòu)和比降等因素的差異，而不是這些因素決定河型。歷來(lái)一種河型的河流劫奪其他河型的河床(例如黃河奪淮，單股窄深河流流入黃河故道等)，或同一條河流的來(lái)水來(lái)沙條件改變了，舊的河床土質(zhì)結(jié)構(gòu)及比降等都要被新的水沙條件破壞和改造，直到改造完成為止1。當(dāng)然，在改造完成之前，新河還是要受老河床條件影響的。實(shí)際上，來(lái)水來(lái)沙條件經(jīng)常變，河性河型不斷在

7、變，河床土質(zhì)結(jié)構(gòu)、比降條件等也跟著不斷的變。三門峽樞紐幾次改變運(yùn)用方式，黃河下游河性也跟著改變幾次。因此，河性是可變、常變、易變的。         2 改造河性河型問(wèn)題河性是可變、常變、易變的。研究河型成因，目的在于改造河性河型。改造的方向，一般是把壞河改造成好河，把寬淺游蕩河道改造成窄深蠕動(dòng)河道，并極力防止好河變成壞河。而其改造的方法是加強(qiáng)大水淤灘刷槽過(guò)程而減弱小水淤槽過(guò)程。按照前面水沙搭配關(guān)系決定河性河型的認(rèn)識(shí)，只要減少小水泥沙，加多大水泥沙，或不使小水挾沙進(jìn)入河道，或?qū)⑿∷凶兂纱笏狗牛驅(qū)⑿∷嗌侈D(zhuǎn)化

8、成大水泥沙，就能加大水沙搭配關(guān)系的m值，使河性變好，河槽變窄深。這就是我們過(guò)去常說(shuō)的調(diào)水調(diào)沙，改造河道的辦法(1)(3)。(1)尹學(xué)良。三門峽水庫(kù)增建后下游河道問(wèn)題。水利電力部“三門峽水利樞紐問(wèn)題第二次座談會(huì)”文件匯編。1962年9月(3)尹學(xué)良。黃河的害沙及其處理問(wèn)題。國(guó)務(wù)院三門峽樞紐問(wèn)題座談會(huì)文件。1964.12河道變窄深后，輸送同樣水沙所需比降相應(yīng)減小，水位隨而下降。例如，據(jù)曼寧公式，讓斷面水深加大1.5%，輸送同樣流量的比降就能減少5%。而若黃河的比降能減小5%，花園口的水位就能降低4.5m，效果是明顯的。又如斷面積相等的矩形斷面，若河寬減小20%，輸水輸沙能力將分別增大16%和45%

9、；僅此一項(xiàng)，就足以將黃河全部來(lái)沙輸送入海而有余。黃河利津站(見(jiàn)圖3)19631975年平均，每個(gè)汛期河槽沖刷20cm，非汛期淤積36cm。平均每年凈淤高16cm。若按大、小水期統(tǒng)計(jì)，則每年小水期的淤積量，大水期的沖刷量，將遠(yuǎn)比36cm和20cm為大。因此，只要制止或減弱小水期的淤積，單靠大水期的刷槽，河槽將很快變成窄深。制止或減少小水淤槽，灘槽高差加大，河道游蕩強(qiáng)度減弱后，更便于興利工程和整治工程的建設(shè)。因此，改造河性，使之較窄深穩(wěn)定后，再進(jìn)行全面整治控制，不失為游蕩性河段的事半功倍的整治程序。河槽刷深，灘地是否也要大量坍失，以致河槽迅速展寬呢?河流灘槽的位置關(guān)系，主要是由大中水的水沙過(guò)程決定

10、的。我們調(diào)水調(diào)沙，主要調(diào)節(jié)小水，制止或減弱小水淤積，不調(diào)節(jié)大水過(guò)程，應(yīng)不致造成大量塌灘展寬。當(dāng)然，必要時(shí)也可加些護(hù)灘工程輔助。然而，將壞河改造成好河，將寬淺游蕩性河道改造成窄深蠕動(dòng)性河道，只是河道改造的一種方向。其實(shí)，根據(jù)自然規(guī)律，根據(jù)人的需要與可能，河道改造是可以多種多向的。3 遼河支流柳河下游的改造過(guò)去，柳河的大量泥沙由洪水直送到大汗屯、新民以下(見(jiàn)圖4)，成為遼河西部水害沙害的主要根源。1939年以前100年內(nèi)，河道遷徙達(dá)15次，僅本世紀(jì)30年代內(nèi)就遷徙4次之多。沈山鐵路1903年修建后，鐵橋移動(dòng)過(guò)9次。路基也不斷加高，其中3次即共加高9m。柳河來(lái)沙對(duì)遼河干流的為害也極大。但在大汗屯以上

11、，柳河卻是比較穩(wěn)定的，河槽較深，灘上建有四百余僧眾的大廟和十幾座小廟，還有個(gè)大地主莊園。這說(shuō)明河道的擺動(dòng)和淤積都不很嚴(yán)重。為了解決沈山鐵路的安全，1942年建成了鬧得海水庫(kù)。原設(shè)計(jì)為攔沙庫(kù)，后見(jiàn)沙量太大，不敢安裝閘門而成為無(wú)控制的滯洪水庫(kù)。188m高程總庫(kù)容為1.683億m3，1963年洪水淤剩0.809億m3,1973年又沖開(kāi)增至1.350億m3，永久淤積量?jī)H約0.33億m3，合平均年沙量(0.29億t)的1.5倍?？梢?jiàn)水庫(kù)對(duì)河道長(zhǎng)期水、沙量和平均含沙量的增減和調(diào)節(jié)是不大的。而且集中在初期幾次大洪水內(nèi)。但水庫(kù)對(duì)水、沙及含沙量過(guò)程的調(diào)節(jié)卻始終很巨大，因而引起下游河道的重大改造：洪水期間，庫(kù)區(qū)壅

12、水，大量泥沙淤下，出庫(kù)洪峰減小，中水加長(zhǎng)，含沙量大大減小，下游漫灘淤積減弱，灘坎坍塌加劇，河槽稍許刷深；洪水過(guò)后的小水期，庫(kù)區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈沖刷，淤沙大量被小水帶下，淤在壩下游不遠(yuǎn)(大廟、彰武一帶)的河槽里。長(zhǎng)久下來(lái)，彰武以上灘地大量坍減，十幾座大小廟宇和大地主莊園坍塌殆盡，河槽迅速淤高、變寬淺、強(qiáng)烈游蕩了。大汗屯以下河道則變成少淤、穩(wěn)定的。河性被徹底改造了。柳河下游的輸沙情況如表1。來(lái)沙的近一半淤在上段42km內(nèi)，1/4淤在中段62km內(nèi)，僅有1/4能到達(dá)新民以下，這對(duì)新民段和遼河下游顯然是很有利的。   4 河谷改造攔沙問(wèn)題表1是河谷改造、攔沙的典型例子。另一種典型

13、是：紅山水庫(kù)庫(kù)尾生長(zhǎng)茂密林草后，起著滯洪滯沙，改造水沙搭配關(guān)系的作用，將來(lái)沙的90%以上攔截，進(jìn)到庫(kù)區(qū)的淤積量不足10%。黃河、永定河上中游沙源支流大都很寬闊、平坦，平時(shí)無(wú)水，成為亂石干灘，連農(nóng)耕都不宜，且無(wú)防洪問(wèn)題。若能在河床上廣植柳樹，待林草茂密后，將能起攔沙作用；也能改善河灘土質(zhì)，宜于農(nóng)耕。林草隨淤隨長(zhǎng)，不怕淤死；受些沖毀，再生能力也強(qiáng)。當(dāng)然，可加些人工維護(hù)，特別是在初期。河谷攔沙是有極限的。但可在水土保持?jǐn)r沙大見(jiàn)成效之前，提前對(duì)下游河道起良好的作用。         5 改造河性根治黃河問(wèn)題我們研究河型成因

14、，目的就是為了尋求根治黃河的辦法。改造黃河河性可以達(dá)到的要求是：(1)將河槽改造較窄深穩(wěn)定的，便于建造治河工程和興利工程。(2)將河道改造成窄深通暢，輸水輸沙能力增強(qiáng)，河道淤積速率減小，以延長(zhǎng)河道工程的使用年限，為上中游攔沙減沙贏得時(shí)間，逐步達(dá)到根治的目的。根據(jù)前節(jié)所提思路，減少小水來(lái)沙，加多大水來(lái)沙，或不使小水挾沙進(jìn)入河段，或?qū)⑿∷凶兂纱笏狗牛驅(qū)⑿∷嗌侈D(zhuǎn)化成大水泥沙，就能加大水沙搭配的m值，使大水淤灘刷槽加多，小水淤槽減少，河槽變窄深。在黃河，大小水的分界約為1800m3/s，見(jiàn)圖1。淤槽最強(qiáng)的流量級(jí)約為1100 m3/s。而且黃河非汛期流量多在1200 m3/s以下，控制調(diào)度是比

15、較容易的。為了制導(dǎo)這種效能，我們?cè)紤]過(guò)的措施有：用三門峽樞紐調(diào)水調(diào)沙，使泥沙盡量輸送入海或淤在適當(dāng)部位上；建小浪底工程作為泥沙反調(diào)節(jié)水庫(kù)；用樞紐盡量攔截小水期較粗的泥沙，到大水期仍把它排泄下去；用黃河下游各低水頭樞紐調(diào)水調(diào)沙(當(dāng)時(shí)黃河下游有6大低水頭樞紐在建或已建，后都依次廢棄或停建)；用三門峽樞紐作低水反調(diào)節(jié)，不放小水流量或集中成2000 m3/s以上的平頂水峰下泄；建白坡引水工程，將三門峽樞紐下泄的小水引出堤外分用；利用黃河沿岸引水涵閘將河道小水流量引出堤外分用(但應(yīng)集中引水使河道免受分流淤積之害)；改變?nèi)T峽樞紐“小水排大沙”的運(yùn)用方式；黃河口地區(qū)進(jìn)行大小水分流，使小水改道就近入海，以

16、改造河口河道。用我們過(guò)去常用的河床沖淤計(jì)算公式(1)用黃委設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的2000年水平艾山站流量過(guò)程，計(jì)算三個(gè)方案的利津河槽高程變化：a方案為原設(shè)計(jì)流量過(guò)程，即不加人工調(diào)節(jié)的，b方案為不讓非汛期小水(1800m3/s)進(jìn)入山東的，c方案為不讓全年進(jìn)入山東的。經(jīng)過(guò)25年，盡管河口已淤積外延25km(假設(shè)每淤進(jìn)1km)，自然情況下(a方案)河槽也已淤高2.1m，平均每年淤高8.4cm；b方案河槽仍比原來(lái)降低0.5m，平均每年降低2cm；c方案河槽降低2m余，平均每年降低8cm。到第25年，b方案比a方案低2.6m，c方案低約4m?？梢?jiàn)調(diào)節(jié)小水的成效是很明顯的。80年代中葉以后，黃河來(lái)水轉(zhuǎn)枯，下游河道

17、斷流機(jī)遇增大，不少人認(rèn)為黃河已無(wú)水可調(diào)，靠調(diào)水調(diào)沙已不可能起作用。不過(guò)，事物都有兩面性。小于1100 m3/s的流量減小，河槽淤積率也減小；河道斷流，河槽也不再淤積；單就河槽沖淤而言，這都是好事。大于1100 m3/s的流量減小，河槽的沖刷會(huì)減小，甚至?xí)D(zhuǎn)而淤積；這是不利的。其實(shí)，黃河的所有問(wèn)題都源于河槽不斷淤積，以致洪水位不斷抬高，工程效能不斷降低；而河槽淤積則只在小水期發(fā)生。只要減小或制止了小水淤積，就能使水位抬升減慢或停止，工程壽命相應(yīng)增長(zhǎng)，就算達(dá)到目的了。當(dāng)然，如果來(lái)水豐沛，能將較小洪水調(diào)成較大洪水，淤灘刷槽作用更強(qiáng)，河道改造速率也就更快。80年代中，我們?cè)?jì)算得黃河口大堤還能再用50

18、年；加上調(diào)節(jié)水沙，改造河道后，還可再多用20年；以后進(jìn)行河口改道二、三次，就能在200年內(nèi)不必加高河口大堤。在此期間，改造黃河下游河道，使洪水位不再抬高或減慢其抬高速率，以在200年內(nèi)不必加高黃河大堤。有這么長(zhǎng)的過(guò)渡時(shí)間，上中游的水土保持?jǐn)r沙應(yīng)能大見(jiàn)成效了。黃河下游也就達(dá)到根治。6 長(zhǎng)江中下游的改造長(zhǎng)江中下游成為分汊性河流的原因，是含沙量很小，已如前第1節(jié)所述。汊道既不利于航運(yùn)，也因分汊后比降加陡，壅高洪水位而不利于防洪。而壅高水位的影響能向上游累加。武漢段天興洲汊道，在流量63400m3/s時(shí)，分汊段比降萬(wàn)分之0.296；而附近的單股段比降僅萬(wàn)分之0.107。汊段長(zhǎng)20.6km，比單股河段壅

19、高水位39cm。城陵磯至江陰段共有汊道41段，占800km河長(zhǎng)的71%。各汊段壅高水位累加起來(lái)會(huì)是很驚人的。長(zhǎng)江水量極大，水沙關(guān)系易改造，但若能加些人工輔助，使汊道逐步歸并，當(dāng)對(duì)降低長(zhǎng)江洪水位及加深航道有很大裨益。7 黃河小浪底樞紐的泥沙問(wèn)題80年代中，小浪底樞紐可行性研究報(bào)告提付審批時(shí)，尚不能考慮發(fā)電運(yùn)用，表明其泥沙問(wèn)題的復(fù)雜性。而今樞紐即將建成，且按電站運(yùn)用已成定局。這一轉(zhuǎn)變會(huì)存在什么問(wèn)題，如何去處理，自然是應(yīng)該很好研究的。例如樞紐水位應(yīng)一次抬高到位還是逐步抬高，至今仍是一個(gè)爭(zhēng)論的問(wèn)題。一次抬高的發(fā)電效益較大，逐步抬高則攔沙效益較大。這是建庫(kù)后一、二十年內(nèi)、水庫(kù)還沒(méi)淤積平衡前的問(wèn)題。在此期

20、間，水庫(kù)下泄清水、沖塌下游灘地，也將是個(gè)問(wèn)題；與三門峽水庫(kù)的情況相似，但程度會(huì)有所減弱，因?yàn)闉┑匾阉ポ^多，且已修了不少護(hù)灘工程。發(fā)電流量若在1800m3/s以下，山東河槽將受到更多淤積，也是一個(gè)問(wèn)題。庫(kù)區(qū)接近沖淤平衡以后，如何維護(hù)防洪庫(kù)容和興利庫(kù)容，將是樞紐運(yùn)用的一個(gè)重大問(wèn)題。大水、高水位難以排沙，小水、低水位排沙將損失電能和淤壞下游河槽，這是問(wèn)題的關(guān)鍵。平時(shí)按1000m3/s上下的流量發(fā)電，即使是清水，也將沖刷河南而淤壞山東，也是一個(gè)問(wèn)題。對(duì)此，規(guī)劃部門的看法大抵是：(1)在一年的主汛期內(nèi)(7月11日9月30日)，較短時(shí)間的大流量敞泄沖刷排沙，更多時(shí)間為低壅水蓄水?dāng)r沙，調(diào)節(jié)徑流；在非訊期內(nèi)

21、(10月次年7月10日)，高水位蓄水?dāng)r沙，調(diào)節(jié)徑流。其間的排沙期，只有來(lái)水在25008000m3/s之間時(shí)敞泄排沙，來(lái)水大于8000m3/s時(shí)按8000m3/s下泄，來(lái)水大于10000m3/s時(shí)按下游防洪要求泄放。據(jù)規(guī)劃部門計(jì)算，這樣運(yùn)用，下游河道的淤積量每年可減少0.30.4億t，河床繼續(xù)淤積抬高，河床演變特性基本上恢復(fù)為自然狀態(tài)。80年代中，小浪底樞紐尚不考慮發(fā)電運(yùn)用。我們以規(guī)劃部門所提供的無(wú)樞紐調(diào)節(jié)(無(wú)小方案)和經(jīng)樞紐調(diào)節(jié)后(有小方案)的艾山流量過(guò)程，計(jì)算得山東河槽沖刷過(guò)程(1)、(2)，如表2所示：有小方案比無(wú)小方案淤積速率約增大43%，其中汛期原可共沖深4.7m，經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)后減為4.1m。其原因如圖5中的汛期流量頻率曲線，與圖1相比，樞紐的調(diào)節(jié)把不少大于1800m3/s的可沖刷河槽的水流調(diào)節(jié)小于1000m3/s的要淤積河槽的水流了。這當(dāng)然是與調(diào)水調(diào)沙的原意相違背的。以后規(guī)劃部門可能重新計(jì)算過(guò)。(1)涂啟華，安催花等。論黃河下游河床演變規(guī)律和小浪底水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙作用。黃委會(huì)設(shè)計(jì)院。1997年10月(2)尹學(xué)良。黃河山東河段河槽沖淤量計(jì)算初步成果。國(guó)家計(jì)劃委員會(huì)小浪底樞紐可行性研究報(bào)告審查會(huì)文件。1984年8月從計(jì)算成果中可以看到，經(jīng)過(guò)合理調(diào)度，樞紐是能夠大大減少下游河槽淤積的。但在建成電站后，情