二级悬河的成因与生产堤存废(齐璞 孙赞盈).docx

二级悬河的成因与生产堤存废(齐璞 孙赞 盈) #TRS_AUTOADD_1218507386984 MARGIN-TOP: 0px; FONT- SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_1218507386984 P MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体 #TRS_AUTOADD_1218507386984 TD MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体#TRS_AUTOADD_1218507386984 DIV MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN- BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体 #TRS_AUTOADD_1218507386984 LI MARGIN-TOP: 0px; FONT-SIZE: 12pt; MARGIN-BOTTOM: 0px; LINE-HEIGHT: 1.5; FONT-FAMILY: 宋体/*-JSON-“:“line- height“:“1.5“,“font-family“:“宋体“,“font- size“:“12pt“,“margin-top“:“0“,“margin- bottom“:“0“,“p“:“line-height“:“1.5“,“font- family“:“宋体“,“font-size“:“12pt“,“margin- top“:“0“,“margin-bottom“:“0“,“td“:“line- height“:“1.5“,“font-family“:“宋体“,“font- size“:“12pt“,“margin-top“:“0“,“margin- bottom“:“0“,“div“:“line-height“:“1.5“,“font- family“:“宋体“,“font-size“:“12pt“,“margin- top“:“0“,“margin-bottom“:“0“,“li“:“line- height“:“1.5“,“font-family“:“宋体“,“font- size“:“12pt“,“margin-top“:“0“,“margin- bottom“:“0“-*/提要：生产堤的存废一直是黄河滩区 治理争论的焦点。20 世纪 70年代作出破除生产堤的决定。 从水流漫滩后的滩、槽能量损失上分析，水流漫滩对主槽 的输水输沙能力将减弱；主槽强烈冲刷与滩地大量淤积没 有必然联系；洪水不漫滩主槽仍可发生强烈冲刷；洪水的 非恒定性决定了河床的涨冲落淤和动床试验结果等多方面 分析，生产堤的存在有利于主槽冲刷、多输沙入海和保护 滩区。黄河下游河道治理的主攻方向是调水调沙与双岸整 治互相结合，控制主槽淤积，增加主槽的过洪能力，减少 漫滩机会，形成有利于排洪输沙的“高速公路”。 关 键词：生产堤，滩槽能量损失，主槽与滩地冲淤，洪水非 恒定性，黄河下游 回顾治黄历史，1973 年汛后给中央的报告认为：“由 于生产堤挡水，该漫滩的洪水不能漫滩，加重了河槽的淤 积，形成悬河中悬河”，彻底废除生产堤后，二级悬河则 可消除。多年的治黄实践表明，生产堤的破除，虽然洪水 上滩后增加了滩地的淤积，但滩地面积大，大漫滩机会少， 滩地虽不断地被淹，二级悬河问题并没有得到解决。其实 生产堤的存在不是产生二级悬河的主要原因。 1.二级悬河的形成原因 造成二级悬河的根本原因是在形成游荡性河道小水挟 沙过多,不利水沙条件没有根本改变之前，在游荡河段兴建 了大量的控导工程，控制了主流的摆动范围。这样虽对当 时的防洪起了重要作用，但也控制了小水挟带泥沙的堆积 范围，改变了游荡性河道依靠主流自由摆动平衡滩槽高差 的演变规律，使主河槽持续淤积，造成主槽高于滩地的二 级悬河。 游荡性河道的主槽强烈堆积是造成河床不稳定的主要 原因。在自然情况下，主槽的淤积，造成滩槽高差降低， 在洪水期会发生游荡摆动。因此河槽的强烈堆积是造成河 槽宽浅，游荡摆动的根本原因1。 漫滩洪水在滩面上淤积成横比降二千分之一，滩唇高 堤根洼，仍保持槽高滩低的格局，随着近年来不利水沙条 件的出现，小水挟沙所占比例增加，河槽淤积加重，二级 悬河在某些河段仍在发展。 游荡性河道整治后，工程控导了主流，但也控制了泥 沙堆积的范围，经常走水的河槽在小水期不断淤高。由于 受工程等因素的控制无法摆动，而洪水漫滩机会少，滩地 面积大、淤积速度慢，因此，主槽的抬升速度大于滩地的 抬升速度，促成了二级悬河的形成与发展，见图 1，生产堤 的存在加剧了这一发展，这一情况在夹河滩至高村河段表 现得较为突出。 2、漫滩水流的滩槽能量损失问题 从漫滩水流的主槽与边滩的流速分布的改变可知，洪 水漫滩后由于主槽的高流速区向滩地的低流速区传递能量， 会降低主槽的流速。图 2给出苏联气象与水文月刊 1962年 10月发表什比的主槽和滩地水流的相互作用论 文2。水槽试验的结果表明，主槽与滩地隔开与否会影响 主槽的流速值。当主槽与滩地隔开后主槽的流速可增加 20%30%。由此说明漫滩洪水不会增加主槽的输沙和过流 能力。 图 3 给出黄河下游孙口站实测流量与断面平均流速的 关系可知，在低水期随着流量的增加，流速增大，平均流 速最大的相应流量为 50006000m3/s。当流量大于 6000m3/s开始漫滩后，随着流量增加，断面平均流速减小， 当流量达到 10000m3/s时平均流速只有 1m/s，较流量 50006000m3/s 的最大流速为 2-3m/s，减小很多。 从图 4给出的 1996年高村站主槽实测平均水深与平均 流速的关系也可以看出，洪水漫滩后会使主槽的平均流速 和最大流速均会大幅度减小。其中最大流速减小的幅度远 大于主槽平均流速减小幅度，最大流速由 3.5m/s在漫滩后 减至 3m/s。 由以上水槽试验，黄河实测资料均可说明洪水漫滩会 减弱了主槽的排洪输沙能力。由此可见在下游泄洪条件允 许的情况，洪水漫滩会造成许多不利的影响。 3、淤滩与刷槽之间没有必然的联系 滩地与主槽的过流边界条件不同，因此造成水流输沙 能力有很大差别，洪水漫滩后主槽与滩地输沙特性与冲淤 特性表现也各不相同，滩地冲淤与主槽冲淤并没有必然联 糸。主槽的强烈冲深也不是滩槽水沙交换所至。 2.1 从实测洪水过程分析 近年来，对具有窄深断面形态的稳定河段的输沙特性 与冲淤特性的研究表明，主河槽的冲刷主要发生在涨水期， 在落水期不管含沙量大小，均处于淤积状态。由于涨水期 的冲刷深度往往大于落水期的淤积厚度，使洪水期河床呈 现冲刷。1958 年大水，花园口、泺口站断面实测资料图 5 表明，大水过程中涨冲落淤。随着涨水平均河底高程和最 低河底高程都是在降低，最大洪峰的时候河底高程达到最 低。洪水的泄洪能力的增加主要是靠河床冲刷、水深的增 大实现的。花园口站在 1958年这场洪水中，流量从 5000m3/s涨到 15000m3/s，水位只增高了 1m，但是河槽冲 深了 3m，河槽的冲深对河流的过洪能力起着至关重要的作 用，这是黄河的特点。 一场大洪水在通过具有复式断面的河段时，随着洪水 流量的增大，水位升高，主槽过流量增加的同时，漫滩水 量也在增大，这两者是同时发生的。主槽过流量增大，无 疑会增加主槽冲刷量与冲刷强度。而滩地的淤积量的大小， 则取决于漫滩的水量与上滩含沙量。造成滩地淤积的主要 原因是滩地糙率大，水浅流缓，泥沙很容易淤积。多沙河 流洪水漫滩后，泥沙首先在滩唇上落淤，形成自然堤，阻 断了滩地退水流流路，漫滩水流只能沿着堤河缓缓地向下 游流动，“走一路淹一路，一直淹到陶城堡”，显现了滩 区的滞洪滞沙作用。漫滩水流的运动速度远远低于主槽内 洪水的传播速度，只有在下游险工的上首，水位较低时， 才有机会回归主流。因此造成漫滩水流往往在落水期汇入 主槽。从上述洪水期涨冲落淤形成过程可以看出，漫滩水 在落水期汇入主槽，只能起到减少河槽淤积的作用。至于 漫滩水流加到落水期的作用较小，难以抵消洪水期漫滩后 减弱的河槽的冲刷。因此，在一场洪水中，主槽的冲刷与 滩地淤积是相互独立的，二者之间没有必然的联系。 2.2 洪水的非恒定性决定了河床的“涨冲落淤” 河床的冲淤与底沙的运动状况有关。已有的研究成果 表明3，床面处于高输沙动平整状态时，其运动强度取决 于作用在床面上的剪力 =hj 或功率 =hjv 的变化。 当作用在床面上剪力或功率逐渐增加，底沙的输移逐渐增 强时河床产生冲刷，否则河床发生淤积。 由于洪水流量的剧烈变化，使得水深、流速、比降发 生相应的调整，引起作用在床面上的剪力或功率相应增强 或减弱，从而造成底沙输移强度的增强或减弱。在涨水期， 随着流量的增加，比降和附加比降均迅速增加，作用在床 面上剪力、功率也随之增大，底沙的运动增强，河床发生 冲刷，河床平均高程随之降低，反之河床不断淤高。其中 剪力、功率的变化过程与河床平均高程变化过程相反，最 大流量发生时，剪力、功率最大，河床平均高程最低。因 此造成涨水期河床必然冲刷；在落水期河床必然淤积，与 洪水是否漫滩没有内在的联系。 从以上分析可知，艾山利津河段比降虽比较平缓， 但当进入本河段的洪水造床和输沙作用增强后，仍会造成 本河段的强烈冲刷，有利于本河段的减淤。 2.3 洪水不漫滩河槽仍可发生强烈的冲刷 从 1983和 1985年洪水在山东河道的艾山、泺口和利 津断面的冲淤过程图 7均可以看出，在流量大于 1500m3/s 的时候，河床开始冲刷，随着流量的增大，河床的冲刷不 断加深，平均河底高程逐渐降低，在最大洪峰的时候，河 底高程最低，到了落水时段河床才逐渐淤高。 从 1982年利津站实测洪水过程线与河床高程变化过程 和尹学良同志绘制的 1977年利津高含沙洪水期，洪水过程 中河床对应涨冲落淤的过程都可以看出，洪水的涨冲落淤 过程非常明显5。不仅是低含沙量洪水，高含沙量洪水也 是这样。1973 年 8月、1977 年 7月、1977 年 8月和 1992 年 8月的高含沙量洪水，根据花园口的流量、含沙量过程， 从平均河底高程和最深点高程可以看出来，涨水都是冲的， 落水的时候都是淤的。 通过对大洪水的分析，特别是对几次典型大洪水深入 全面分析，艾山以下稳定河道不论是低含沙量洪水，还是 高含沙量洪水，艾山和利津水文站实测成果都是涨水冲刷、 落水淤积的。对于过渡段或者游荡性河段，大部分也呈涨 冲落淤，造成个别例外的缘由，主要是河槽宽浅，河势变 化无常所致。对于比较稳定的河段都是涨水冲刷，落水淤 积的。由此可以看出来，河槽的冲刷主要靠流量，且都发 生在涨水过程中。 3.重现期为百年一遇洪水滩槽冲淤动床试验结果 在花园口至夹河滩河段双岸整治动床模型上6，试验 了重现期为百年一遇设计洪水，洪峰流量 15300m3/s，最大 含沙量 113kg/m3，在这种水沙条件作用下，韦滩以下河段 均发生大漫滩，各典型断面河槽形态均发生不同程度的变 化(见图 6)。在本场洪水的作用下，河槽又进一步扩宽冲深， 最大冲深达 25m。河道呈现出了槽冲滩淤现象，滩地落淤 范围在河槽两侧 300m以内的滩唇落淤较厚，黑岗口以下河 段滩唇淤高 0.40.7m，黑石、韦城等断面具有明显的横比 降。试验中，涨水期漫滩后的水流，在滩区流动的非常缓 慢，漫滩的大量清水在洪水落水期河槽水位下降后才缓缓 归槽，滩槽水流交换并不频繁，漫滩水回归主槽的刷槽作 用也不够明显。 综上所述，滩地淤积与主槽冲刷，在洪水过程中虽然 是同时发生，但两者之间没有必然的联系，更构不成因果 关系。 4、生产堤存在有利于集中水流多输沙入海 今后中常洪水出现机会增加，大洪水出现机会明显减 少，从增加河道输沙能力来说，若通过滩地削减洪峰，不 利于输沙入海，也不利于洪水对河槽的冲刷。水库调水调 沙的任务就是增大洪水的造床输沙作用，在这种情况下， 生产堤存在是有利的。 艾山至利津河段平均流量与艾山至利津河段冲淤特性 与输沙特性，以往已有不少研究。其主要结论是河道冲淤 主要取决流量的大小；而河道输沙能力在流量大于一定值 后，主要取决上游站的含沙量。图 8-3给出的艾山至利津 河段，汛期、非汛期平均流量与断面法测得的冲淤量， 3000m3/s水位差及用含沙量表示的河段排沙比关系。由图 8-3可知，在非汛期随流量的增加，淤积量增大，当平均流 量在 8001000m3/s 时，淤积最为严重。非汛期的淤积可 达 0.61.0 亿 m3。进入汛期，随着流量增加，河道淤积量 减少，当平均流量达到 1800m3/s，由淤积转为冲刷。从图 8-3、(c）给出的 3000m3/s水位差值及河段排沙比与流量 间的变化规律，也显示出河道冲淤主要取决流量大小的特 性。 为了说明河道输沙能力在流量大于 1500m3/s时主要取 决于上游来的含沙量，我们统计了 1950年至 1988年平均 流量大于 1500m3/s，平均含沙量 50150kg/m3，47 场洪水 的实测资料，河段的排沙比在 90110%之间，看不出含沙 量的变化对河道排沙比的明显影响，呈现出窄深河槽“多 来多排”的输沙特性。 为了进一步论证这一输沙 特性，我们分析了 1959、1973、1977 年六场高含沙洪水时的河床冲淤情况， 及洪水前后 3000m3/s水位差变化，详见表 1。在流量 30006000m3/s，含沙量 100200kg/m3 时，河床一般为 冲刷，一场洪水的冲刷面积 100300m2，只有 1977年 8月 洪水水位差略有升高。3000m3/s 水位差变化也说明上述洪 水期的冲刷情况。从以上分析可知，造成艾山以下河道严 重淤积的主要流量 8001000m3/s 的小水，而流量大于 XXm3/s，河道呈现出“多来多排”的输沙特性。流量大于 3000m3/s，含沙量在 100200kg/m3 范围可顺利输送，且 河床会产生一定的冲刷，这段河道存在着较大的输沙潜力。 5、水库调水调沙运用与双向整治配合是合理解决问题 的途径 几十年的治理实践，使人们认识到维持黄河主槽必需 的泄洪输沙能力，是黄河下游治理的关键所在。面对黄河 来水来沙条件的不利变化，在特殊情况下形成的 XX水库 “蓄清排浑”泥沙年调节的运用方式，受库区条件限制不 能对黄河水沙进行大幅度调节，因此无法解决目前下游河 道出现的问题。要想从根本上解决二级悬河的问题，则应 与小浪底水库调水调沙运用结合。通过水库的泥沙多年调 节，改变进入下游的水沙搭配，控制小水挟沙与河槽淤积， 利用大洪水输沙，塑造有利输沙的中水河槽，使平滩流量 增大。 由地方兴建的黄河滩区的生产堤，堤距一般 34 公里， 远远大于使黄河下游河道保持不淤积时的整治河