河床枯萎疏浚浅论

1、河床枯萎疏浚浅论摘要：原有的疏浚概念多是指在浅滩等碍航河段的通航疏浚，或是河道部分清障，而疏浚技术开展到今天，作为长河道防洪减灾的一种重要措施，必需赋予新的含义。本文结合近些年来我国北方河流出现的河床枯萎现象，分析了枯萎疏浚的根本原理及几个关键技术问题，对于目前在黄河等枯萎河道上采用疏浚防洪有一定的参考价值。关键词：河床枯萎防洪减灾枯萎疏浚枯萎造床流量1前言近年来，随着流域水资源开发利用程度的进步，河床枯萎现象日渐严重。自80年代后期，中国的第二大河黄河下游河道及河口段由于长期小水包括汛期小水淤积，汛期缺乏足够的水流冲刷恢复，主槽逐渐萎缩，行洪才能锐减，形成了“小水大灾的不利场面。尤其是汛期的

2、第一场洪水，往往水位异常高涨，带来宏大的损失。1996年8月5日花园口站洪峰流量为76803/s，缺乏下游堤防防御流量的1/3，而沿河水位已接近设防标准，防洪形势一度紧张。1998年7月16日花园口出现第一号洪峰，洪峰流量仅有47003/s，然而最高洪水位竟高达94.38，仅次于“96.8洪水。同处中国北方地区的辽河、海河及新沂河等河流下游尤其河口地区也遇到了类似的枯萎现象，即没有足够的水流动力冲槽，致使河道常年萎缩，行洪才能远低于设计值，因此机械疏浚已作为防洪减灾的一项重要措施被提上日程。疏浚作为一门古老的技术，在中国其年代可追溯到公元前数千年，而作为一门新兴的科学Dredging，却是伴随

3、着欧美的航运事业开展起来的。目前在国外，美、日、德、荷兰等国对于港口航道的疏浚已普遍采用大型高效挖泥船，我国在清淤固堤的长期理论中也积累了一定的经历。现今的河道疏浚工程并不少见，所采用的方法也有很多，有水下疏浚，有干河疏浚、有依靠水力疏浚，也有采用爆破等手段疏浚，但这些方法多是限于部分排障，仅限于航道和港口的整治，而对于含沙量较高的河流，如何通过疏浚减缓枯萎，增加河道行洪才能那么缺乏指导性的理论和理论经历。随着河床枯萎现象的增多，枯萎疏浚的要求日益增加，这种矛盾就更加突出。2黄河下游河道枯萎特点及疏浚对策黄河下游河段，从铁谢到河口，一般分成三段，即游荡型河段、弯曲和过渡型河段及河口段。黄河下游

4、的游荡型河段，如铁谢陶城埠河段，主流线变化不定，冲淤变化非常强烈，枯萎后泥沙淤积分布在数千米的嫩滩上。对于这样的河道，一方面挖槽不容易稳定，另一方面，即使挖槽不回淤，假如与河道主流线不相一致，也起不到增大行洪才能的作用。2000年后，小浪底水库将在50年内对河南段河道产生冲刷作用，届时河道形态也将会发生调整，因此在此河段不宜采用较大规模的疏浚，盲目投入，不仅效果甚微，还将会造成人力物力的极大浪费。但是我们同时也应看到，游荡型河道存在着一些畸形的河湾，也存在“横河、斜河的产生条件，如能配合上游的调水调沙工程和河道整治工程采用部分疏浚，因势利导，调整河势，就能一定程度上减少险情的发生。黄河下游的弯

5、曲和过渡型河道，如陶城埠渔洼河段，原有的断面比拟窄深，枯萎后泥沙淤积集中在数百米的主槽内，洪水主流线集中，这样通过一定方式和规模的机械疏浚，减少小水期的淤积，就有可能有效降低汛期行洪水位，增大河道过洪才能。此外，两个河弯之间的过渡河段，由于环流作用减弱，水流挟沙才能较弱，枯萎最为严重。如梁集和大田楼断面1994年与1986年相比，过水断面面积分别减少16352和14002，减少比例56%和53%，从纵剖面来看，过渡段河底高程和行洪水位也较高，已起到部分侵蚀基面的作用。考虑到长河道疏浚的现实可操作性，短期内应将上述河段作为疏浚重点河段。黄河渔洼以下河口段的枯萎，主要受来水来沙条件、河口淤积延伸及

6、人工整治措施等因素的制约。人工整治属于部分影响，淤积延伸属于溯源影响，这些影响随水力条件的不同时大时小，都有可能加速河槽枯萎的进程。但河口段的枯萎主要还是由于来水来沙产生的自上而下的萎缩过程。因此，仅仅是口门清淤，虽说在一定程度上降低了侵蚀基面，但并不能有效缓解黄河下游的防洪压力。3河床枯萎疏浚设计流量枯萎疏浚必须选定某一设计流量，才能进一步确定挖槽尺度和规模。设计流量的选取，应可以保证河道在设计流量下不淤或少淤，从而在一定程度上维持汛前的挖槽尺寸，以减缓枯萎现象。笔者曾论证到，在枯萎的水文条件下，天然河道往往存在着两种河相关系：一种是形成洪水河槽的河相关系，另一种是由于大洪水出现时机减少，长

7、期对河床起作用的是小水，因此出现的枯萎河相关系。枯萎河相关系致使河宽变孝主槽萎缩，洪水降临时同流量水位增高，易造成灾害。虽然接着河道可能会冲刷，但由于缺乏冲刷造床的持续洪水，枯萎的淤积是不能完全恢复的。因此，枯萎是一种不可逆过程。河道在总趋势枯萎的过程中不断重复“枯萎部分恢复再枯萎这个循环。形成枯萎和洪水相间的河相关系，是流域水沙条件发生变化所致。为了数学描绘的需要，我们必须在原有的洪水造床流量之外，再选择一个代表流量叫作枯萎造床流量。图1是以黄河艾山站19851994年实测水沙系列推求河道枯萎造床流量的计算成果。其中，Qi是分级流量，Si，Pi是根据实测资料统计的相对于Qi的含沙量和历时权重

8、。QSP反映着输沙才能，选择与QSP极大值相对应的Q，有利于保持河槽不淤或缓淤。图1出现两个峰值，第一个在48003/s左右，这是我们常说的洪水造床流量。第二个在80012022/s左右，此时其对应的平均含沙量约为25kg/3。我们认为这就是枯萎造床流量，正是它作为一个有代表性的动力，塑造了艾山河段在枯萎时期的河相关系，故应将其作为艾山段疏浚设计流量。由于黄河下游沿程大量引水，所以流量沿程减小，因此必须对每个河段进展详细分析，得出当地的疏浚设计流量。图1黄河艾山站19851994实测系列的枯萎造床流量puteddinantdishargeundershrinkingnditinsusingda

9、taseriesf1985-1994atAishanStatin图2疏浚河段开挖横断面图DredginglineatatypialrsssetininthelerYellRiver转贴于论文联盟.ll.4断面有效疏浚部位及疏浚角黄河下游过渡段河道断面形态如图2所示。经非汛期小水的长期作用，贴边淤积严重，而且形成一个小水河槽。汛期大水过后，断面近似一矩形河槽。说明汛期非汛期其水流动力轴线并不一致。为充分发挥挖槽在汛期降低行洪水位的作用，断面有效疏浚部位应尽量与汛期水流最大动力轴线一致。笔者假想的疏浚开挖线如图2所示。既然挖槽位置尽量与洪水主流位置接近，那么在枯水期必然发生变化，对于象黄河这样一条

10、主流摆动频繁显著的河流来说，挖槽被淤废的可能性极大。这就要求一方面挖槽必须选择合理的疏浚时机、设计流量和挖槽尺寸，尽量减少挖槽在枯水期的淤积变形，另一方面，在必要的时候，须根据河道大、中、小水主流线的变化规律，配合必要的整治控导工程措施，以稳定挖槽平面位置。从纵向上来看，挖槽方向应尽量与主流特别是底流方向一致，这有利于泥沙的输移。也有人主张挖槽方向与底流方向构成一定的交角，在挖槽内形成螺旋流，以利冲沙。原苏联学者列亚尼兹经过理论分析，并用某些小河及伏尔加河的实际资料分析证明，最小挖槽回淤发生在底流与挖槽轴线成某角时。BA培什金根据理论论证，也获得了类似的结果。根据原苏联的一些成功挖槽的经历，挖

11、槽内回淤量最小时=713。5挖槽横断面设计挖槽横断面一般设计成倒梯形，须确定的尺寸为深度、底宽、边坡系数及槽底高程。边坡系数取决于土壤在水下的安息角，对此已形成专门的疏浚土研究方向。至于槽底高程那么由开挖深度确定。所以主要是确定深度和宽度。在设计流量下，设u0、h0、B0、J0为疏浚前主槽内的平均流速、平均水深、水面宽度、水面比降，un、hn、Bn、Jn为疏浚后挖槽内相对应的数值。令hn/h0=a为相对疏浚深度；Bn/B0=b为相对疏浚宽度；un/u0=k为相对疏浚流速。列亚尼兹以曼宁公式和流量连续方程为根底，在一系列假定条件下推导得图3挖槽示意图Skethfdredgingk=(a2/3)/

12、(1-b+ba2/3)(1)根据原苏联一些成功挖槽的经历，按下述范围取值，挖槽内回淤量最校(2)然而，必须指出的是，目前在通航疏浚中现已广泛应用的列氏公式仅是从进步挖槽内流速出发，对整个主槽的过水和输沙才能是考虑较少的。因此，对于黄河这样的多沙河流，公式是否适用尚需详细分析。设疏浚后挖槽两侧的流速为u0，与u0之比为k。经过简单推导可得下式k=u0/u0=k/a0.67(3)按列氏公式的取值k=0.790.73，这说明随着挖槽内流速的增加，挖槽两侧的流速比原值有较大幅度的减少，对进步整个主槽的输沙才能来说，这就意味着要产生一部分抵消作用。现以章丘屋子为例，根据1996年汛后资料，在设计流量12

13、022/s时，原主槽尺寸为4001.78，原主槽平均流速为1.67/s，输沙率25kg/3。挖泥尺度设为a=1.8，b=0.2，那么按列氏公式计算结果un=1.86/s，u0=1.25/s。挖槽内流量为4803/s，即仅有大约1/3的流量输沙才能增加，而剩下2/3的流量其输沙才能反而有所减少。至于整个主槽的输沙才能是大是小，还需要通过数学模型甚至河工模型进一步深化研究。文献7根据一些运河的治理经历，认为当把疏浚弃土堆放在边滩位置，那么可以在一定条件下增加断面输沙才能。然而对于黄河下游主槽断面来说，无论如何优化，小水淤积是不可防止的。但如能在汛前维持一定的挖槽尺寸，那么挖槽对于降低汛期第一场洪水

14、位的作用是毋庸置疑的。假如忽略挖槽后糙率和水面比降变化，用章丘屋子同一断面的滩槽曼宁公式结合求解，按照如上挖槽尺寸，“96.8洪水可降低洪水位0.41，“98.7洪水可降低洪水位0.42。6结语1.对于黄河等枯萎河道来说，汛期已经没有可造床洪水。同时由于同流量洪水位越来越高，单纯靠加高堤防的手段，已不能解决目前的防洪新问题，因此，疏浚作为一项重要措施已被提上日程。2.河床枯萎的根本原因还是流域来水来沙条件的变化。因此，疏浚同样是“治标不治本的措施。黄河下游主槽断面，无论如何优化，小水淤积是不可防止的。但汛前疏浚，对于有效降低汛期第一场洪峰水位，即对防洪减灾的作用是毋庸置疑的。在同样的防洪效益下，可以与加高堤防措施进展经济比拟。3.以前在黄河上的一些零散的疏浚工程，大多效果不佳。这不仅仅是由于工程规模小，其中还存在一个“科学治黄的问题。譬如，以往有些疏浚作业并非选择汛前，时机不合理，以致疏浚的速度赶不上淤积的速度，可谓“事倍功半。长河道防洪疏浚，与原有的通航疏浚不同，是个崭新的研究课题。本文仅是浅论，希望起到抛砖引玉的作用，从而最终用科学指导疏浚，缓解黄河下游的防洪压力。参考文献1明宗富编。疏浚工程学。武汉水利电力大学教材，1993.12.2费祥俊等