改造宽浅游荡河道的途径与输沙流量

1、改造宽浅游荡河道的途径与输沙流量摘要：冲积河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和比降，及河床组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和比降，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性，对于一定的河槽形态，小水淤积、大水冲刷分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束作用不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性与水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。关键词：游荡河道改造途径输沙流量1水流塑造河槽，河槽约束水流冲积河流的特性取决于流域因素，来自流域的长期水沙条件，决定了河槽的形态和比降，及河床

2、组成。不同河流的来水来沙条件组合不同，塑造出不同的河槽形态和比降，从而决定了水流的强弱，形成不同的输沙特性，对于一定的河槽形态，小水淤积、大水冲刷分界流量是确定的。因此，来水来沙条件组合又决定河道的冲淤特性；不同的河槽形态对水流的约束作用不同，又形成不同的演变特性；河床组成的抗冲性与水流的强弱决定了河槽的稳定性，因此形成不同的河型。河型的不同是多因素综合的结果，是河流演变、输沙特性的集中反映。河道的输沙特性与演变特性间存在着密切的联系，其原因是它们都受河槽形态的控制。不同河型的主要差别是因为它们具有不同的河槽形态，具有窄深河槽的河流，不仅输沙能力强，河道很少淤积，且河势受窄深河槽的约束，河道稳

3、定，多年坐弯得以累计，可发展成弯曲性河流。而具有宽浅河槽的河流，不仅输沙能力低，河道强烈堆积，且宽浅河槽无法约束洪水期河势变化，受局部边界的影响经常产生“横河”“斜河”，发生游荡摆动，产生难以预料的河势变化和险情，对防洪极为不利。游荡性河道以宽浅著称。由于河道宽浅使得河道输沙能力低；由于河道宽浅无法约束主流，经常造成游荡摆动，使平工出险，引水困难；由于河道宽浅，整治工程无法布置而难于整治，因此，从防洪、输沙减淤、河道整治控导河势等各方面都希望把游荡性河道治理成具有窄深河槽的规顺的河道。2(/).游荡性河道的形成3，5，6游荡性河道的形成是流域长期来水来沙条件作用的结果。资料统计表明，当进入河流

4、的水沙搭配用输沙率Qs与流量Q的指数关系表示时()。不管多沙或少沙河流，m值小者形成游荡性河流,m值大者形成弯曲性河流。美国的一些河流m=34时，也形成具有窄深河槽(式中的0.1)的弯曲性河流。m值的物理意义表示洪、枯水时的泥沙搭配情况。图7-1给出黄河主要干支流含沙量与流量间的关系说明m值的物理意义，图中的m=m-1。当各级流量挟带的含沙量相等时，m值为零；洪水时含沙量小于枯水含沙量时，m值小于零；洪水较枯水的含沙量相差越多，m值越大。m值大者表示河流的泥沙绝大部分靠高含沙洪水输送，而枯水时的含沙量很低。m值小时，小水带大沙，造成河槽强烈淤积，断面宽浅，输沙能力低，河床抬高、比降变陡，河道稳

5、定性差，久而久之，形成目前的游荡性河流。而m值大的河流，由于绝大部分泥沙由洪水输送，通过滩淤槽冲塑造的窄深河槽，输沙能力强，加之枯水时含沙量低，河槽不仅不淤还会产生一定冲刷，使得窄深河槽得以长期保持，流域注入河流的泥沙能够顺利输送，可保持多年冲淤相对平衡，形成比降平缓稳定的河流，能使小水坐弯得以多年累积，最终发展成弯曲性河流。游荡性河流具有比降陡、河槽宽浅、河床组成粗、抗冲能力差和河道输沙能力低的特点。黄河下游高村以上河段为典型的游荡河段，造成河段输沙能力低的主要原因是河槽极为宽浅。渭河、北洛河是黄河中游的主要支流，发源于粗沙产区。流量比黄河干流小，含沙量比黄河高，河道比降与黄河下游高村以上河

6、段相近，但仍能形成比较稳定的弯曲性河流。其主要原因就是其来水来沙比较有利，由m值较大的水沙组成。流域的来沙主要由高含沙洪水挟带，枯水期流量小，含沙量低，使得高含沙洪水塑造的窄深河槽能够长期保持。根据资料统计，以日平均含沙量大于300kg/m3计，北洛河、渭河由高含沙洪水挟带的沙量分别为72%和40%，有的年份高含沙洪水挟带的沙量达80%90%，如1977年北洛河和渭河的来沙大于300kg/m3分别占89%和71.0%，枯水期含沙量很低常不足1kg/m3，而造成塌滩的低含沙洪水很少发生。北洛河在2030年内才发生一、二次低含沙洪水。渭河下游低含沙洪水虽然发生的机会较多，但对河槽的破坏作用并不严重

7、，每逢高含沙洪水发生时，均可使前期较宽浅的河槽形态得到调整，使窄深河槽得以维持。在这样水沙条件的控制下，形成较为窄深规顺的河槽形态，经常保持高效输沙状况。渭河、北洛河下游河道的客观存在，为我们提供了改造黄河下游河道的实例，指出了黄河下游河道的治理方向，可作为今后长期治理的奋斗目标。3.河槽形态调整变化不同来水来沙条件的河槽形态调整变化表明，枯水大沙淤槽，清水冲刷塌滩，河槽展宽。洪水滩淤槽冲，尤其是高含沙洪水通过滩地强烈淤积和主槽的强烈冲刷可塑造出适合高含沙洪水输送的窄深河槽。根据黄河下游的实测资料黄委会设计院得出高村以上河段的水力几何形态与来水来沙之间关系如下3：式中含沙量为kg/m3，流量为

8、m3/s，h为m，v为m/s。图7-2给出花园口站水面宽、水深和流速值与流量、含沙量间的关系。图中包括60年代三门峡下泄清水、70年代高含沙洪水期和90年代的资料，其中：从图中的点群分布可知，不同年代的资料集中分布在平均线的两侧。在流量相同时，高含沙洪水期间河宽明显变小，水深、流速增大。含沙量越低河宽越大，”与“多来多淤”的双重输沙特性，主槽多输，滩地多淤，实测断面滩淤槽冲的变化也证明了这一输沙特性。根据对高村以上河段历年含沙量较高的洪水期主槽的冲淤条件分析，发现主槽的冲淤主要与流量大小有关，与含沙量的关系不明显，高含沙洪水对河床冲刷更强烈，且河床冲刷主要发生在涨水期。如图7-4给出的花园口、

9、高村、艾山三站的洪峰流量与洪水前后3000m3/s水位差间关系表明，当洪峰时段流量为40005000m3/s时，宽浅河段的主槽基本上都发生冲刷，利用这级流量排沙可以基本控制主槽不淤。根据水深流速间的关系，控制床面为高输沙平整床面，所需的主槽平均单宽流量要大于5m3/s，流速。因边滩的水深流速小，洪水漫滩必然造成严重淤积，但这种淤积有利于河道的稳定与输沙。从1973年8月和1992年8月持续时间较长的高含沙洪水在宽浅河段输移情况可知，河段的输沙特性均经历了由淤变冲的过程。如1973年8月的高含沙洪水，在初期含沙量沿程降低，夹河滩以上河段的排沙比只有66%，而在洪水后期，含沙量沿程增大，河段的排沙

10、比达124%。经过210km长的宽浅河段，到夹河滩站的实测含沙量仍能达444kg/m3，如图7-5所示。由此可知，利用历时较长的高含沙洪水输沙可以提高河道的输沙能力，减少宽河段的淤积。从图7-6给出的花园口站的断面形态变化可知，其输沙能力变化的主要原因，是高含沙洪水在输送过程中塑造了窄深河槽，使输沙能力迅速提高。为此水库应具有较大的调沙库容，对天然来水来沙进行多年调节。平枯水年蓄水拦沙运用，下泄清水发电；调沙库容淤满后，利用丰水年水量有余，而小浪底水库又无法调节利用时，利用洪水期泄空水库进行溯源冲刷，排沙流量应大于3000m3/s。5.比降变化对泥沙输移的影响比降是河流洪水输移演进的动力。比降

11、在冲积河流调整过程中，不象河槽横断面形态变化那样剧烈，经过一场洪水塑造即可使断面形态发生巨大的变化，从而对输沙产生明显的影响，其变化一般是缓慢的。冲积河流的比降一般是沿程变缓的，呈下凹形，但河流的调整，往往使得流速沿程变化不明显，没有因比降的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，与河道比降的变化相反。其调整的机制主要是通过河宽的变化，来调整水深值，从而保持流速始终处于较高的数值。往往是比降变缓，河宽减小，水深增加，从而使流速不变。表7-1给出黄河下游主槽1973、1977年汛期实测流量3000m3/s水深、流速的沿程变化表明，比降由小浪底站的8，到艾山以下河段减小到

12、1，平均流速并没有减小，而是由增加到5150m3/s，含沙量变化范围10786kg/m3，比降4.50，得出的输沙公式：,比降的方次仅为，接近于零，对输沙的影响很微弱。造成上述输沙特性当然还与含沙量增加、流体粘性增大、沉速大幅度降低、输送更容易有关。从表4-1给出的不同河流的比降的变化范围可知，几乎在同一比降条件下，不同河流所以均能达到输沙平衡，是由于洪水塑造了不同的河宽。如北洛河主槽宽仅100m，流量200300m3/s的高含沙洪水均可输送，渭河下游华阴以下，比降不足1，河宽仅250m，1000m3/s洪水均可输送。因此形成大水塑造大的河宽，小水塑造小的河宽，且均可输送流域的来沙。综上所述，

13、在冲积河流实测比降的变化范围，看不出对洪水输沙的明显影响。6.调水调沙与河道整治相结合是改造宽浅游荡河段的有效途径早在30年代，德国著名治河专家恩格斯教授，就指出在游荡性河道形成中水河槽的重要性。并得到众人的认同。沈怡在评述各家治河主张时，对治理中水河槽给予高度的评价。他指出：“因为种种病象均由河无定槽而起，所以如果要治河，必须首先使河槽定”，“无论何人来治河，都必须这样做”。可见具有河槽的重要。但如何形成中水河槽一直是人们关心的问题。也是游荡性河道治理的关键。通过对游荡河道河槽形态调整变化规律研究，我们认识到单纯用河道整治工程治理游荡性河道是有困难的。新中国成立以后，黄河下游整治实践说明高村以下河段通过护湾导流，河道稳定，整治获得成功，然而对高村以上的宽浅河段，虽然也采用同样的整治办法，目前的摆动范围虽然有所减小，但在洪水期仍经常发生河势的突然变化，造成平工出险，给防洪造成被动。其主要原因是前者具有窄深河槽，河道容易控制。而后者河槽极为宽浅散乱，整治工程无法控制主流的自由摆动。因此，首先要通过小浪底水库调水调沙运用改变进入下游的