河型成因研究及其应用

1、河型成因研究及其应用             摘要大水淤滩刷槽，小水淤槽，河性河型就在这对相互矛盾过程的相互交替、相互抵消、相互消长中形成、演化。前者导向好河，后者导向坏河。两者的强弱对比，就是河性河型差异的总根据。可用来水来沙关系的m值来表达这种对比。m2.5的将形成单股窄深蠕动性河型，m2.5的则形成多汊宽浅游荡性河型。改变来水来沙关系的m值，大水淤滩刷槽、小水淤槽过程的强弱对比也就改变，河性河型也要逐步改变。这就是调水调沙、改造河性的真谛。将宽浅游荡河段改造成较窄深稳定

2、，以便修建兴利工程和整治工程；将强烈淤积的河段改造成通畅的淤积较轻的河段，以延长河道工程的使用年限；将无防洪困难的宽浅河段改造成更宽浅的坏河，能拦截大量来沙以利于下游河段的整治利用；水沙条件不易改造，而需加一些人工辅助的，如将分汊性河道改造成单股性河道，等等，都可以作为改造河性的目的。 关键词河型成因 河性改道 水沙搭配 黄河 小浪底 1 河型成因淤积并不都可怕，可怕的是河槽的淤积；滩地上的淤积对河槽稳定有利。冲刷也不都是有利的，滩地的冲刷会引起河槽摆动改道；河槽受冲刷会对形成窄深的河道有利。大水淤滩刷槽，小水淤槽；河性河型就在这两种相互矛盾过程的相互交替、相互抵消、相互消长中形成、演化的。见

3、图1。两过程的强弱对比，就是河型差异的总依据，如图2。设河道断面的输沙关系线为c线，如果来水来沙关系如d线所示，比c线为陡，则大水期将发生淤积，小水期将发生冲刷。我们知道，大水期淤积，应主要淤在滩地上，这样可使滩地易于淤高；小水期冲刷则只能发生于河槽中，有利于冲深河槽。因此d线所示的来水来沙关系将促使河道变得深窄，其原先的输水输沙关系线(c线)也将逐渐被调整到和d线相合。相反地，如果来水来沙关系如e线所示，即比c线平坦，则大水期将发生冲刷，小水期要淤积。将促使河道断面变得更为宽浅多汊。河道的输水输沙关系线也将逐渐由c线变到与e线相合。所以来水来沙的搭配关系Qs=Kqm的m值大的，大水来沙偏大而

4、小水来沙偏小，易于淤滩刷槽而形成单股窄深蠕动性河型；m值小的，大水来沙偏小而小水来沙偏大，易刷滩淤槽而形成多汊宽浅游荡性河型。根据实测资料，m值约以2.5为分界1。尹学良。黄河的害沙及其处理问题。国务院三门峡枢纽问题座谈会文件。1964.12尹学良。三门峡水库运用和增建问题。水利电力部“三门峡水利枢纽问题座谈会”文件汇编。1962年9月 来沙极少的单股河流，裁弯故河不易淤死而能多汊长期并流，可出现一种副河型，即多汊窄深蠕动性河型。来沙极少的多汊河型，该死的支汊不易淤死，而能多汊并流，也可出现另一种副河型，即多汊宽浅蠕动性河型。长江、嫩江中下游成为分汊性河道，就是这个原因。因季节性壅水而使大水期

5、比降减小的河段，相当于加大大水期淤积(加大m值)而易形成单股窄深河型，如下荆江和长江支流的下段是。北方长期冰冻河流冰期岸冰起护岸作用，冰盖使近底流速增大，流冰对河底剪力强，温度低使泥沙沉速减小，都使小水期输沙能力增大，减小小水期的河槽淤积，相当于加大m值，使河道易于向单股窄深河型发展，如嫩江等是。滞洪水库将洪水泥沙滞蓄而在洪水过后的小水期才泄放，减不了下游河道的淤滩强度而加大淤槽强度，下游河道会变成更宽浅游荡的。如柳河闹得海水库的作用是。这是直接将大水来沙转化成小水泥沙，减小m值、淤坏下游河槽的典型例子。不少学者强调边界土质结构对河型的作用，认为河岸和河床抗冲能力之比，河岸粘土含量、河岸土质二

6、元结构等决定河型。另一些学者则强调比降或侵蚀基面对河型的作用，认为基面决定河道比降，比降决定冲淤强度，从而决定河型。然而对于冲积性河流来说，边界条件，土质结构、比降等，都是由来水来沙条件和其所构成的河型条件的影响下决定的，即不同的水沙条件造成了不同的河型，也造成了土质结构和比降等因素的差异，而不是这些因素决定河型。历来一种河型的河流劫夺其他河型的河床(例如黄河夺淮，单股窄深河流流入黄河故道等)，或同一条河流的来水来沙条件改变了，旧的河床土质结构及比降等都要被新的水沙条件破坏和改造，直到改造完成为止1。当然，在改造完成之前，新河还是要受老河床条件影响的。实际上，来水来沙条件经常变，河性河型不断在

7、变，河床土质结构、比降条件等也跟着不断的变。三门峡枢纽几次改变运用方式，黄河下游河性也跟着改变几次。因此，河性是可变、常变、易变的。         2 改造河性河型问题河性是可变、常变、易变的。研究河型成因，目的在于改造河性河型。改造的方向，一般是把坏河改造成好河，把宽浅游荡河道改造成窄深蠕动河道，并极力防止好河变成坏河。而其改造的方法是加强大水淤滩刷槽过程而减弱小水淤槽过程。按照前面水沙搭配关系决定河性河型的认识，只要减少小水泥沙，加多大水泥沙，或不使小水挟沙进入河道，或将小水集中变成大水泄放，或将小水泥沙转化

8、成大水泥沙，就能加大水沙搭配关系的m值，使河性变好，河槽变窄深。这就是我们过去常说的调水调沙，改造河道的办法(1)(3)。(1)尹学良。三门峡水库增建后下游河道问题。水利电力部“三门峡水利枢纽问题第二次座谈会”文件汇编。1962年9月(3)尹学良。黄河的害沙及其处理问题。国务院三门峡枢纽问题座谈会文件。1964.12河道变窄深后，输送同样水沙所需比降相应减小，水位随而下降。例如，据曼宁公式，让断面水深加大1.5%，输送同样流量的比降就能减少5%。而若黄河的比降能减小5%，花园口的水位就能降低4.5m，效果是明显的。又如断面积相等的矩形断面，若河宽减小20%，输水输沙能力将分别增大16%和45%

9、；仅此一项，就足以将黄河全部来沙输送入海而有余。黄河利津站(见图3)19631975年平均，每个汛期河槽冲刷20cm，非汛期淤积36cm。平均每年净淤高16cm。若按大、小水期统计，则每年小水期的淤积量，大水期的冲刷量，将远比36cm和20cm为大。因此，只要制止或减弱小水期的淤积，单靠大水期的刷槽，河槽将很快变成窄深。制止或减少小水淤槽，滩槽高差加大，河道游荡强度减弱后，更便于兴利工程和整治工程的建设。因此，改造河性，使之较窄深稳定后，再进行全面整治控制，不失为游荡性河段的事半功倍的整治程序。河槽刷深，滩地是否也要大量坍失，以致河槽迅速展宽呢?河流滩槽的位置关系，主要是由大中水的水沙过程决定

10、的。我们调水调沙，主要调节小水，制止或减弱小水淤积，不调节大水过程，应不致造成大量塌滩展宽。当然，必要时也可加些护滩工程辅助。然而，将坏河改造成好河，将宽浅游荡性河道改造成窄深蠕动性河道，只是河道改造的一种方向。其实，根据自然规律，根据人的需要与可能，河道改造是可以多种多向的。3 辽河支流柳河下游的改造过去，柳河的大量泥沙由洪水直送到大汗屯、新民以下(见图4)，成为辽河西部水害沙害的主要根源。1939年以前100年内，河道迁徙达15次，仅本世纪30年代内就迁徙4次之多。沈山铁路1903年修建后，铁桥移动过9次。路基也不断加高，其中3次即共加高9m。柳河来沙对辽河干流的为害也极大。但在大汗屯以上

11、，柳河却是比较稳定的，河槽较深，滩上建有四百余僧众的大庙和十几座小庙，还有个大地主庄园。这说明河道的摆动和淤积都不很严重。为了解决沈山铁路的安全，1942年建成了闹得海水库。原设计为拦沙库，后见沙量太大，不敢安装闸门而成为无控制的滞洪水库。188m高程总库容为1.683亿m3，1963年洪水淤剩0.809亿m3,1973年又冲开增至1.350亿m3，永久淤积量仅约0.33亿m3，合平均年沙量(0.29亿t)的1.5倍。可见水库对河道长期水、沙量和平均含沙量的增减和调节是不大的。而且集中在初期几次大洪水内。但水库对水、沙及含沙量过程的调节却始终很巨大，因而引起下游河道的重大改造：洪水期间，库区壅

12、水，大量泥沙淤下，出库洪峰减小，中水加长，含沙量大大减小，下游漫滩淤积减弱，滩坎坍塌加剧，河槽稍许刷深；洪水过后的小水期，库区发生强烈冲刷，淤沙大量被小水带下，淤在坝下游不远(大庙、彰武一带)的河槽里。长久下来，彰武以上滩地大量坍减，十几座大小庙宇和大地主庄园坍塌殆尽，河槽迅速淤高、变宽浅、强烈游荡了。大汗屯以下河道则变成少淤、稳定的。河性被彻底改造了。柳河下游的输沙情况如表1。来沙的近一半淤在上段42km内，1/4淤在中段62km内，仅有1/4能到达新民以下，这对新民段和辽河下游显然是很有利的。   4 河谷改造拦沙问题表1是河谷改造、拦沙的典型例子。另一种典型

13、是：红山水库库尾生长茂密林草后，起着滞洪滞沙，改造水沙搭配关系的作用，将来沙的90%以上拦截，进到库区的淤积量不足10%。黄河、永定河上中游沙源支流大都很宽阔、平坦，平时无水，成为乱石干滩，连农耕都不宜，且无防洪问题。若能在河床上广植柳树，待林草茂密后，将能起拦沙作用；也能改善河滩土质，宜于农耕。林草随淤随长，不怕淤死；受些冲毁，再生能力也强。当然，可加些人工维护，特别是在初期。河谷拦沙是有极限的。但可在水土保持拦沙大见成效之前，提前对下游河道起良好的作用。         5 改造河性根治黄河问题我们研究河型成因

14、，目的就是为了寻求根治黄河的办法。改造黄河河性可以达到的要求是：(1)将河槽改造较窄深稳定的，便于建造治河工程和兴利工程。(2)将河道改造成窄深通畅，输水输沙能力增强，河道淤积速率减小，以延长河道工程的使用年限，为上中游拦沙减沙赢得时间，逐步达到根治的目的。根据前节所提思路，减少小水来沙，加多大水来沙，或不使小水挟沙进入河段，或将小水集中变成大水泄放，或将小水泥沙转化成大水泥沙，就能加大水沙搭配的m值，使大水淤滩刷槽加多，小水淤槽减少，河槽变窄深。在黄河，大小水的分界约为1800m3/s，见图1。淤槽最强的流量级约为1100 m3/s。而且黄河非汛期流量多在1200 m3/s以下，控制调度是比

15、较容易的。为了制导这种效能，我们曾考虑过的措施有：用三门峡枢纽调水调沙，使泥沙尽量输送入海或淤在适当部位上；建小浪底工程作为泥沙反调节水库；用枢纽尽量拦截小水期较粗的泥沙，到大水期仍把它排泄下去；用黄河下游各低水头枢纽调水调沙(当时黄河下游有6大低水头枢纽在建或已建，后都依次废弃或停建)；用三门峡枢纽作低水反调节，不放小水流量或集中成2000 m3/s以上的平顶水峰下泄；建白坡引水工程，将三门峡枢纽下泄的小水引出堤外分用；利用黄河沿岸引水涵闸将河道小水流量引出堤外分用(但应集中引水使河道免受分流淤积之害)；改变三门峡枢纽“小水排大沙”的运用方式；黄河口地区进行大小水分流，使小水改道就近入海，以

16、改造河口河道。用我们过去常用的河床冲淤计算公式(1)用黄委设计院设计的2000年水平艾山站流量过程，计算三个方案的利津河槽高程变化：a方案为原设计流量过程，即不加人工调节的，b方案为不让非汛期小水(1800m3/s)进入山东的，c方案为不让全年进入山东的。经过25年，尽管河口已淤积外延25km(假设每淤进1km)，自然情况下(a方案)河槽也已淤高2.1m，平均每年淤高8.4cm；b方案河槽仍比原来降低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方案低约4m。可见调节小水的成效是很明显的。80年代中叶以后，黄河来水转枯，下游河道

17、断流机遇增大，不少人认为黄河已无水可调，靠调水调沙已不可能起作用。不过，事物都有两面性。小于1100 m3/s的流量减小，河槽淤积率也减小；河道断流，河槽也不再淤积；单就河槽冲淤而言，这都是好事。大于1100 m3/s的流量减小，河槽的冲刷会减小，甚至会转而淤积；这是不利的。其实，黄河的所有问题都源于河槽不断淤积，以致洪水位不断抬高，工程效能不断降低；而河槽淤积则只在小水期发生。只要减小或制止了小水淤积，就能使水位抬升减慢或停止，工程寿命相应增长，就算达到目的了。当然，如果来水丰沛，能将较小洪水调成较大洪水，淤滩刷槽作用更强，河道改造速率也就更快。80年代中，我们曾计算得黄河口大堤还能再用50

18、年；加上调节水沙，改造河道后，还可再多用20年；以后进行河口改道二、三次，就能在200年内不必加高河口大堤。在此期间，改造黄河下游河道，使洪水位不再抬高或减慢其抬高速率，以在200年内不必加高黄河大堤。有这么长的过渡时间，上中游的水土保持拦沙应能大见成效了。黄河下游也就达到根治。6 长江中下游的改造长江中下游成为分汊性河流的原因，是含沙量很小，已如前第1节所述。汊道既不利于航运，也因分汊后比降加陡，壅高洪水位而不利于防洪。而壅高水位的影响能向上游累加。武汉段天兴洲汊道，在流量63400m3/s时，分汊段比降万分之0.296；而附近的单股段比降仅万分之0.107。汊段长20.6km，比单股河段壅

19、高水位39cm。城陵矶至江阴段共有汊道41段，占800km河长的71%。各汊段壅高水位累加起来会是很惊人的。长江水量极大，水沙关系易改造，但若能加些人工辅助，使汊道逐步归并，当对降低长江洪水位及加深航道有很大裨益。7 黄河小浪底枢纽的泥沙问题80年代中，小浪底枢纽可行性研究报告提付审批时，尚不能考虑发电运用，表明其泥沙问题的复杂性。而今枢纽即将建成，且按电站运用已成定局。这一转变会存在什么问题，如何去处理，自然是应该很好研究的。例如枢纽水位应一次抬高到位还是逐步抬高，至今仍是一个争论的问题。一次抬高的发电效益较大，逐步抬高则拦沙效益较大。这是建库后一、二十年内、水库还没淤积平衡前的问题。在此期

20、间，水库下泄清水、冲塌下游滩地，也将是个问题；与三门峡水库的情况相似，但程度会有所减弱，因为滩地已塌去较多，且已修了不少护滩工程。发电流量若在1800m3/s以下，山东河槽将受到更多淤积，也是一个问题。库区接近冲淤平衡以后，如何维护防洪库容和兴利库容，将是枢纽运用的一个重大问题。大水、高水位难以排沙，小水、低水位排沙将损失电能和淤坏下游河槽，这是问题的关键。平时按1000m3/s上下的流量发电，即使是清水，也将冲刷河南而淤坏山东，也是一个问题。对此，规划部门的看法大抵是：(1)在一年的主汛期内(7月11日9月30日)，较短时间的大流量敞泄冲刷排沙，更多时间为低壅水蓄水拦沙，调节径流；在非讯期内

21、(10月次年7月10日)，高水位蓄水拦沙，调节径流。其间的排沙期，只有来水在25008000m3/s之间时敞泄排沙，来水大于8000m3/s时按8000m3/s下泄，来水大于10000m3/s时按下游防洪要求泄放。据规划部门计算，这样运用，下游河道的淤积量每年可减少0.30.4亿t，河床继续淤积抬高，河床演变特性基本上恢复为自然状态。80年代中，小浪底枢纽尚不考虑发电运用。我们以规划部门所提供的无枢纽调节(无小方案)和经枢纽调节后(有小方案)的艾山流量过程，计算得山东河槽冲刷过程(1)、(2)，如表2所示：有小方案比无小方案淤积速率约增大43%，其中汛期原可共冲深4.7m，经水库调节后减为4.1m。其原因如图5中的汛期流量频率曲线，与图1相比，枢纽的调节把不少大于1800m3/s的可冲刷河槽的水流调节小于1000m3/s的要淤积河槽的水流了。这当然是与调水调沙的原意相违背的。以后规划部门可能重新计算过。(1)涂启华，安催花等。论黄河下游河床演变规律和小浪底水库调水调沙作用。黄委会设计院。1997年10月(2)尹学良。黄河山东河段河槽冲淤量计算初步成果。国家计划委员会小浪底枢纽可行性研究报告审查会文件。1984年8月从计算成果中可以看到，经过合理调度，枢纽是能够大大减少下游河槽淤积的。但在建成电站后，情