河型成因及其应用

河型成因研究及其应用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①。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②。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]。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[2]。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)。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%；仅此一项，就足以将黄河全部来沙输送入海而有余。孙黄河利津司站们(膨见站图段3)196雁3贡～想197断5芦年平均，每个翼汛期河槽冲刷格20cm第，非汛期淤积勿36cm妹。平均每年净坦淤高拖16cm婆。若按大、小呆水期统计，则桶每年小水期的抢淤积量，大水合期的冲刷量，凯将远比蛮36cm赵和替20cm端为大。因此，驳只要制止或减推弱小水期的淤都积，单靠大水激期的刷槽，河浅槽将很快变成住窄深。荡制止或减撤少小水淤槽，论滩槽高差加大挠，河道游荡强动度减弱后，更蜻便于兴利工程造和整治工程的日建设。因此，烈改造河性，使屈之较窄深稳定奶后，再进行全熔面整治控制，光不失为游荡性逮河段的事半功洞倍的整治程序牢。图3黄河下游河道图SketchoftheLowerYellowRiver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挑过去，柳中河的大量泥沙亚由洪水直送到世大汗屯、新民心以请下觉(或见歪图豆4确)话，成为辽河西双部水害沙害的烧主要根源绳。李193抱9况年以飞前发10纵0才年内，河道迁幼徙透达下1姓5召次，仅本世为纪扩3币0窗年代内就迁云徙肃4健次之多。沈山驱铁所路陡190圾3途年修建后，铁武桥移动受过庄9蹦次。路基也不铜断加高，其沫中夫3引次即共加高条9m骗。柳河来沙对喘辽河干流的为含害也极大。但曲在大汗屯以上令，柳河却是比番较稳定的，河温槽较深，滩上宿建有四百余僧学众的大庙和十验几座小庙，还讽有个大地主庄堆园。这说明河雕道的摆动和淤蜘积都不很严重亮。图4柳河下游河道示意图SketchoftheLowerLiuheRiver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[2]。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。延表晶1绢芽柳河下游多年妙平均输沙节量闸(扰1)蛛Annual斩sedim识entlo妥adin碗the糟Lower轿雅Liuhe刃胶River抹站名丽年输沙土量绕(宽亿倡t)带年淤积饼量棚(真亿贼t)史占出库沙钟量旗(侍%)鞋河段笼长处(绒km)餐闹得海外0.2916怠0.1420颜49缸42嚷彰闸驶武剖0.1496哄0.0734显25狂62肝新唱知民程0.0762定

惠

海

斩(1)姥堤辽宁水科所，线闹得海水库管狡理陆所只.但柳河下游河道患冲淤演变分辛析酱.拳辽宁水利科技雪，渴1973(5郊)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%[3]。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。叨5酱改造河性根治竹黄河问题瞧我们研究踢河型成因，目秧的就是为了寻薪求根治黄河的盟办法。改造黄藏河河性可以达龟到的要求是盯：烦(说1)秒将河槽改造较果窄深稳定的，肺便于建造治河谅工程和兴利工秧程受。禁(2其)什将河道改造成默窄深通畅，输动水输沙能力增驱强，河道淤积烛速率减小，以微延长河道工程禾的使用年限，壶为上中游拦沙役减沙赢得时间杨，逐步达到根堆治的目的。饺根据前节供所提思路，减宿少小水来沙，供加多大水来沙姻，或不使小水峰挟沙进入河段裙，或将小水集箱中变成大水泄追放，或将小水芒泥沙转化成大包水泥沙，就能筐加大水沙搭配盈的剩m套值，使大水淤递滩刷槽加多，稻小水淤槽减少条，河槽变窄深此。在黄河，大询小水的分界约轮为雪1800m疼3扇/乞s应，见淡图傍1柴。淤槽最强的草流量级约为铲1100m物3吗/细s退。而且黄河非驴汛期流量多在冻1200m数3灶/尚s臭以下，控制调河度是比较容易卸的。为了制导鸭这种效能，我蛾们曾考虑过的匙措施有：用三卧门峡枢纽调水熔调沙，使泥沙废尽量输送入海三或淤在适当部选位上；建小浪捡底工程作为泥隶沙反调节水库蚂；用枢纽尽量屿拦截小水期较幻粗的泥沙，到教大水期仍把它尤排泄下去；用希黄河下游各低慨水头枢纽调水嘱调面沙垂(骤当时黄河下游脖有膨6饺大低水头枢纽慈在建或已建，淡后都依次废弃燥或停递建草)缎；用三门峡枢统纽作低水反调滤节，不放小水保流量或集中成绸2000m拆3械/饮s母以上的平顶水睁峰下泄；建白弃坡引水工程，德将三门峡枢纽政下泄的小水引封出堤外分用；奋利用黄河沿岸请引水涵闸将河拨道小水流量引评出堤外分张用僚(垄但应集中引水厌使河道免受分榜流淤积之姿害福)吧；改变三门峡蜻枢盐纽磨“柳小水排大离沙捧”德的运用方式；腐黄河口地区进亡行大小水分流趁，使小水改道师就近入海，以界改造河口河道明。炉用我们过片去常用的河床楼冲淤计算公火式若(悠1)箭Δ拒Z梢/予Δ安t=f(QJ荷)哥用黄委设以计院设计优的捎200泊0贵年水平艾山站蛮流量过程，计在算三个方案的局利津河槽高程句变化雁：波a债方案为原设计硬流量过程，即妈不加人工调节闭的惧，杯b毫方案为不让非束汛期小询水舍(投<舍1800m3动/s累)爸进入山东的女，晌c扬方案为不让全奴年进入山东的姑。经唤过梢2迟5尺年，尽管河口析已淤积外延月25km峰(揭假设每淤进他1km况)逼，自然情况鹰下谢(欺a涝方地案帮)客河槽也已淤高饰2.1m资，平均每年淤塞高梨8.4cm后；像b母方案河槽仍比竿原来降低候0.5m丸，平均每年降围低磁2cm沸；四c仗方案河槽降低狸2m汗余，平均每年希降低摘8cm症。到彩第贞2赞5席年蕉，校b妥方案枪比跳a粘方案低偏2.6m颂，熔c凡方案低约拒4m羽。可见调节小引水的成效是很裂明显的。愧愿饲8龙0纤年代中叶以后与，黄河来水转狂枯，下游河道夹断流机遇增大城，不少人认为劈黄河已无水可卵调，靠调水调塑沙已不可能起拘作用。不过，拌事物都有两面屠性。小于娱1100m反3棵/s来的流量减小，哈河槽淤积率也锐减小；河道断秃流，河槽也不扫再淤积；单就聪河槽冲淤而言暑，这都是好事延。大于坊1100m退3局/辟s许的流量减小，战河槽的冲刷会猾减小，甚至会已转而淤积；这效是不利的。其论实，黄河的所帅有问题都源于饶河槽不断淤积摊，以致洪水位丢不断抬高，工层程效能不断降岔低；而河槽淤见积则只在小水勤期发生。只要幕减小或制止了法小水淤积，就握能使水位抬升厘减慢或停止，浪工程寿命相应熊增长，就算达淹到目的了。当视然，如果来水凳丰沛，能将较希小洪水调成较总大洪水，淤滩胃刷槽作用更强尼，河道改造速是率也就更快。弄80盈年代中，我们款曾计算得黄河仁口大堤还能再社用话5驰0娇年；加上调节售水沙，改造河踏道后，还可再攻多状用仰20牵年；以后进行护河口改道二、那三次，就能膊在菠20奉0珍年内不必加高沫河口大堤。在点此期间，改造石黄河下游河道模，使洪水位不集再抬高或减慢砖其抬高速率，棒以痒在截20秤0称年内不必加高旱黄河大堤。有写这么长的过渡剖时间，上中游愉的水土保持拦花沙应能大见成星效了。黄河下挺游也就达到根贸治。兄6烟长江中下游的互改造称长江中下赛游成为分汊性继河流的原因，狮是含沙量很小诊，已如前唯第巾1饰节所述。汊道勾既不利于航运办，也因分汊后惩比降加陡，壅姥高洪水位而不湾利于防洪。而孩壅高水位的影炭响能向上游累类加。武汉段天胃兴洲汊道，在意流量船63400m蚕3发/s然时，分汊段比耳降万分禽之骨0.29锄6瞧；而附近的单焰股段比降仅万羞分缴之芳0.10硬7例。汊段长你20.6km度，比单股河段回壅高水位葛39cm舟。城陵矶至江帖阴段共有汊逆道昌4解1悄段，占扎800km尊河长思的例71丈%序。各汊段壅高饺水位累加起来惩会是很惊人的美。长江水量极咳大，水沙关系糟易改造，但若贼能加些人工辅再助，使汊道逐仙步归并，当对药降低长江洪水桑位及加深航道宽有很大裨医益帜[4灶]崖。梯7借黄河小浪底枢码纽的泥沙问题烘删妹8御0羡年代中，小浪殿底枢纽可行性折研究报告提付笋审批时，尚不抛能考虑发电运价用，表明其泥筐沙问题的复杂给性。而今枢纽谷即将建成，且浊按电站运用已日成定局。这一涨转变会存在什离么问题，如何党去处理，自然厅是应该很好研槽究的。例如枢援纽水位应一次坏抬高到位还是江逐步抬高，至当今仍是一个争邀论的问题。一勉次抬高的发电言效益较大，逐猾步抬高则拦沙别效益较大。这裹是建库后一、合二十年内、水潮库还没淤积平街衡前的问题。姓在此期间，水颜库下泄清水、祥冲塌下游滩地吧，也将是个问萝题；与三门峡战水库的情况相链似，但程度会雅有所减弱，因葛为滩地已塌去温较多，且已修滤了不少护滩工千程。发电流量翻若在顽1800m3叉/s荐以下，山东河龄槽将受到更多慌淤积，也是一识个问题。栽库区接近诚冲淤平衡以后饭，如何维护防茧洪库容和兴利绒库容，将是枢益纽运用的一个勒重大问题。大要水、高水位难宣以排沙，小水酒、低水位排沙喂将损失电能和掏淤坏下游河槽温，这是问题的宜关键。平时按狐1000m心3恼/s到上下的流量发脖电，即使是清秩水，也将冲刷市河南而淤坏山肯东，也是一个条问题。对此，毁规划部门的看肥法大抵是衔：旷(1苏)不在一年的主汛召期柔内远(犁7槽月粉1块1怠日拔～闸9品月职3帆0尺日遗)同，较短时间的蒙大流量敞泄冲质刷排沙，更多使时间为低壅水刃蓄水拦沙，调激节径流；在非迅讯期扣内捉(1举0逮月～次扯年凉7湖月揭1镇0共日迫)牺，高水党位蓄水拦沙，荐调节径流。其增间的排沙期，扁只有来水扶在殖250注0手～廊8000m3省/君s网之间时敞泄排摊沙，来水大于艳8000m慕3做/乒s域时按侍8000m钻3脊/圈s口下泄，来水大传于估10000m件3经/皱s毙时按下游防洪匀要求泄放。据鉴规划部门计算敬，这样运用，窝下游河道的淤万积量每年可减健少铲0.赖3子～尺0.渠4途亿倒t嫌，河床继续淤朽积抬高，河床猜演变特性基本跌上恢复为自然榴状态。算80谈年代中，小浪酒底枢纽尚不考济虑发电运用。秒我们以规划部炸门所提供的无足枢纽调股节胖(悄无小方影案景)基和经枢纽调节枕后株(期有小方陵案胜)痰的艾山流量过秘程，计算得山泽东河槽冲刷过渴程耳(1恨)找、庆(怀2)恩，如兰表柏2惠所示：有小方岭案比无小方案硬淤积速率约增识大椅43蒜%乘，其中汛期原漂可共冲深伙4.7m眠，经水库调节宪后减为盏4.1m捐。其原因如嫌图沿5尤中的汛期流量纠频率曲线，与劳图渴1信相比，枢纽的葱调节把不少大匀于谎1800m3灭/月s跃的可冲刷河槽送的水流调节小低于盼1000m3浪/亚s雁的要淤积河槽瞎的水流了。这叮当然是与调水艳调沙的原意相帜违背的。以后装规划部门可能销重新计算过。宰表只2吴纹小浪底枢纽运议用膝2来5唤年，山东河槽芝冲淤创量涂(绪m雀3佩)刃Predic偶tedsi悬ltatio仍nfor再there梢achin规旬Shando朝ng掠provi扇nceaf荡ter25删years发since拔theX挤iaolan握gdipr谁oject桑constr袜ucted茎方案栽无小浪底丹有小浪底量有小浪叛底笔/绸无小浪底浑汛章较期毛冲晋4.7监冲途4.1谣少爱冲话0.6烫非汛期豆淤拥6.8兰淤李7.1额多甩淤串0.3沃总踢狗计渴淤袄2.1钳淤打3.0抬多击淤美0.9榨图津5姿差艾山嗽站优2辟5拿年汛期流量频匆率曲线采Freque肿ncy