引水工程对河流河床演变的影响

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随着河流开发利用程度的提高，河流从源头到河口就是不断汇流到不断分流（包括引水灌溉等造成的分流）的过程，沿程汇流使河流流量不断增大，引水分流使河流流量不断减小。伴随流量的增减，河流输沙与河床演变或多或少地发生变化，了解汇流与分流及其对输沙与河床演变的影响特性，不仅对河流动力学是一个重要的补充，而且还有更重要的实际意义。引水工程的修建为人类的生存和发展创造了有利条件，但也或多或少地改变着人们赖以生存的自然环境，而对上下游附近河道的影响是最直接和最明显的。水电枢纽虽然改变了天然情况下的水沙过程，减少了下泄沙量，但并不一定大大地减少了水量；灌溉供水或发电引水虽然有时也有一定的壅水作用，引走了水留下了沙，造成下游河道的淤积。如图2所示。1、有坝引水工程下游的河床演变1.1下游河道的冲刷与淤积有坝引水工程运行使用后，上游因坝前水位壅高发生淤积，类似于水库淤积；下游因下泄沙量减少而发生冲刷，尤其是坝后局部冲刷。随着上游坝前河段淤积的平衡，泥沙输往下游，因大量引水使下泄流量降低和相应的输沙能力降低，导致下游河段淤积。我国多沙河流上引水工程的引水率很高，排沙用水很少，加上多沙河流来沙量大，河道宽浅散乱，河床淤积普遍[1].如新疆的奎屯河旧渠渠首下游淤积4～5m，八音沟渠首下游淤积3～6m，玛纳斯河渠首下游淤积2.5m.又如陕西的织女渠首、榆惠渠首、李家沟渠首等。由于淤积而造成闸门无法使用的现象很多。且多年使用后下游河床抬高，原来的拦河溢流坝都被泥沙淤埋，不得不加高坝顶。国外类似的渠首引水后给下游河道同样带来的淤积问题。如美国的阿肯撒斯河约翰马丁坝下游5英里处修建一引水分流工程后，虽然使河道停止了冲刷但却开始了淤积等[1～2]］。据分析造成下游河道的淤积的原因还有引水工程建设过程中产生的泥沙、上游的冲刷、河岸侵蚀与河道淤积物的重新分布、风沙、支流来沙和引水分流。1.2下游淤积量的估算由于坝前水位壅高等水流条件的改变，引水工程下游会产生淤积，断面形态和纵比降也会调整，这种调整有时甚至影响到引水工程效益和寿命。因此有必要对河道断面形态和纵比降变化作出估算。1.2.1冲刷平衡计算方法当河床经过较长时期的冲刷后，河床纵剖面将达到河床泥沙停止起动的状态。在河床组成为均匀的中细沙及下泄水流基本上为清水的条件下，当冲刷后流速降至起动流速时，河床冲刷便将停止，河相关系可采用，Bα/H=ζ，取α=0.5，可以得到冲刷终止状态下的比降、河宽和水深分别为J=50ζ0.60n2d0.64Q-0.33（1）B=0.34Q0.64ζ0.72d-0.23（2）H=0.58Q0.32d-0.11ζ-0.64（3）在实际计算中，流量Q常选取为造床流量，床沙粒径d根据床沙级配确定，对于覆盖层较厚的沙质河床，考虑到冲刷停止时床沙组成将要边粗，因此作为略估可选用d80～d85.1.2.2淤积平衡计算方法[1]当下游河道处于淤积状态时，应采用极限淤积纵剖面进行估算。此时河道各处泥沙交换已经进入平衡状态，各处的输沙率相等，输沙率沿程不变。下泄流量减少后，排到下游的沙量减少甚微，粒径也无大变化，河床糙率变化不大。故可假定n、d等值均为常数，但河相系数则有较大变化，下游河道可能由单一的宽槽变为串沟，下游河道在流量减少前后的纵剖面关系可简化为J2=J1（φ2/φ1）0.63（Q1/Q2）0.31（4）式中J1、J2为淤积前后的河床比降；Q1、Q2为引水前后进入下游河道的流量；φ1、φ2为淤积前后的河相系数。河相系数相差较大，一般为0.3～1.0.由此，下游河道的淤积厚度、淤积量、淤积长度分别为ΔZ=J1[（φ2/φ1）0.63（Q1/Q2）0.31-1]L（5）W1=ΔZLBγ'/2（6）L=（2QsT）0.5/[ρ′gBJ1（φ2/φ1）0.63（Q1/Q2）0.31-1]0.5（7）式中Qs为河道输沙率；T为输沙历时；B为河宽；ρ'为淤积体干密度。2无坝引水工程附近河床演变有坝引水工程所造成的上下游的水沙运动类似于水库，而无坝引水工程则有所不同，其差异主要表现在前者造成了壅水或上下游水流的某种不连续性，而后者则不一定是壅水甚至是降水，另外水流也总是连续的；前者因壅水而引起上游河流的泥沙淤积，后者则有可能产生冲刷。但在引水分流造成泥沙淤积方面，二者是相似的。2.1分水口流态分区[3]根据室内实验，引水口前流态可分为：1.加速区：分水口上游，是方向一致的两种水流即等速均匀流与分水口自由出流合成的弯曲水流。2.稳速区：临近加速区一侧的为稳速区。3.扩散减速区：稳速区水流下行成为分散水流，形成扩散减速区。4.分离减速区：扩散减速区水流同时又是弯曲水流，在这股水流的凸边部分，即分水口对岸主槽边墙附近水流流速较低，且流速随距边墙距离的增加而增大。5.潜流加速区：位于分水口下唇内缘，加速区水流集中流入本区。6.潜流减速区：位于分水口下唇外缘。7.滞流区：位于下唇外缘，是加速区、扩散减速区、潜流加速区和潜流减速区四股水流相持的地方。8.回流区：在分水口上唇内缘，因水流分离而形成。2.2引水口附近河床的冲刷与淤积从黄河下游的实际情况来看，引水后引水口门处水位降低，因而在附近河段会产生以下现象：口门以上河段水面比降加大，流速增加，水流输送泥沙的能力势必增大，从而引起上游河段的溯源冲刷；口门下游则正好相反，因流量减少，比降减小，再加上上游来沙增多，可能会引起口门以下河段的淤积。对河道而言，引水口口门以上河段的冲刷是有利的一面，但以下河段的淤积将是不利的一面。无坝引水口附近的河床冲淤现象显然与有坝情况下的不同。有坝情况下坝上游的河床变化类似与水库淤积，但淤积的数量一般要小于水库；而无坝情况下上游的河床变化则类似于水位突然降低后的溯源冲刷现象，虽然冲刷的影响范围有限。有坝与无坝引水分流对下游河道的影响基本是一致的，都将造成下游的淤积，虽然在坝下局部河段有时仍可能发生冲刷现象。3、多口引水对河床演变的影响黄河下游是多口引水情况。70年代，黄河下游来沙量较大而来水量较少，相对来沙量明显偏多，致使黄河下游淤积严重。整体而言，分流将部分泥沙输送到了河道和河口三角洲以外，减缓了河口的延伸淤积速度；同时，放淤或分流要使清水返回黄河，才能使河道减少淤积。近十年来，两岸引黄发展很快，引水对黄河河道的变化是增淤，还是减淤，不少学者有不同看法。一类是利用数学模型进行推算，即先用实测资料进行验证，再推算没有引水时河道的淤积量，二者相比便可求得增淤量；另一类根据黄河下游的实测资料，建立水沙输移关系，按照这一关系推算有无引水河道淤积量的差别。从黄河的情况分析或数学模型计算，引黄使黄河下游河道增加的淤积量约占来沙量的2%左右；从水沙输送关系分析，引水率较小时引水将使河道增淤；引水率较高时使河道减淤。4、引水工程对河口的影响引水工程不仅对工程上下游产生一定影响，对河口也会产生相当的影响。河口是径流与潮流作用相互抗衡的地区。如径流与潮流的相互关系发生了变化，河口地区将必然作出调整以适应这一变化。加拿大的东干河流域面积5万km2，东西长约500km.引水前该河25年的年均流量900m3/s，最小流量140m3/s，洪峰流量为最小流量的35倍。在河口以上160km处的引水工程于1980年7月19日运用后，流量下调至50～510m3/s，平均流量90m3/s左右，仅为天然流量的10%.由于引水工程的启用，下游平均流量减少90%.经过4年的观测，认为河口主要发生了如下变化[3].引水前夏季大潮汛盐水入侵河口内仅2km，冬季冰层下向上游入侵5km；引水后工程下游的流速8天内从0.35m/s减至0.05m/s，河口2m和4m水深的平均速度从0.45m/s和0.26m/s降至0.10m/s和0.044m/s，一个月后降到0.06m/s和0.018m/s.口门处的平均水位也下降了0.41m，M2潮差增加约30%.后来，过去很少进入河道下游的盐水，进入内陆，引水数周后盐水入侵口门以上8km.由于西风导致潮差增大及较大的壅水作用，流量减小使余潮流速降低95%，平均潮流流速增大30%.引水工程开始启用后，下游河道的含沙量骤然增加，比常年全年的正常值要大许多。河口口门以上32km处河道含沙量的变化。造成含沙量增大的原因可能是引水工程下游水位下降而使两岸坍塌以及下泄水流含沙量较高所致。最大浑浊带的含沙量分布及确切位置不稳定。天然或人为造成的河流流量的波动将周期性地使盐水和悬浮泥沙冲向口门及其以外。引水后河口的淤积物覆盖在引水前的河床上，每年的净淤积率为2～5cm.对引水3年后的测量资料进行了含沙量与含盐度关系分析，证明底部含沙量在1981年以后增大了。引水后进入河口的年输沙量减少了十分之九。5、其他水电枢纽对引水工程的影响水电枢纽的修建和运用不仅改变了库区的水沙状况，也改变了下游的水沙过程，而水沙条件影响河槽几何形态，使河床受到冲刷，甚至粗化等，如影响下游防护工程、桥墩和引水工程，冲刷河岸等。水流过程的变化主要表现是枯水流量时期缩短或增大，洪峰减小，中水流量持续时间增加，流量过程均匀化。电站水头越高，库容越大，这种作用就越加明显。另外还取决于电站的运用方式。电站水位的壅高在蓄水发电的同时，也拦截了部分来自上游的泥沙，使下泄沙量减少，下泄泥沙组成变细。黄河的情况不仅如此，而且由于上游水库群的联合运用，下游水量也受到了影响。在黄河上修建了盐锅峡和八盘峡水库后，下游也发生了一定的变化。如分析兰州水文站在此期间水位和流量关系，建库初期若干年内下游河道同流量下水位降低，说明下游处于冲刷状态；当水库淤积基本达到平衡后，下游河道同流量下水位开始上升，说明下游不再冲刷或开始回淤。1962年盐锅峡水库开始运用至1968年，兰州站河道同流量下水位下降了20cm；1976年八盘峡水库开始运用至1983年该河段同流量下的水位又下降了20cm左右；1983年以后变化不大[3].水电枢纽下游的冲刷不仅受下泄含沙量的影响，还随河床组成会有所变化，且冲刷的发展也有一定距离，超过这一距离河床就会转而淤积，冲上段淤下段。如美国的科罗拉多河帕克坝下游约160km长的河道冲刷为下游65km河段上的淤积提供了泥沙来源。6、结语引水工程对河流或多或少地产生着影响。在科研生产实践中，要充分考虑