黄河下游河道萎缩过程中输沙能力的调整关系

1黄河下游洪水演进对河道萎缩的响应姚文艺1李勇1侯爱中1（黄河水利科学研究院，河南郑州450003）摘要：依据水文学和河床演变学的原理，结合定位观测资料分析和河工动床模型试验的方法，对黄河下游河道萎缩过程中的洪水演进规律进行了分析。研究表明，黄河下游河道萎缩过程中，无论水流含沙量高低，洪水削峰率均会增加，出现坦化现象，但是，当洪峰流量与平滩流量接近时，洪水的变形不大，洪峰流量削减也最小；洪水演进速度减缓，演进历时加长，当洪峰流量约为平滩流量的2倍时，洪水传播速度最慢。但是，河槽断面平均流速与流量之间仍存在着同步调整的关系；河道萎缩使过水断面面积减小，河底平均高程抬升速率增加，从而造成洪水水位涨幅增大；河道萎缩后，洪水输沙仍具有“多来多淤多排”的特性，洪水挟沙力大小与河槽断面形态的关系仍然符合一般意义下的河床过程规律，与河道萎缩模式无关。关键词：洪水演进；输沙能力；河道萎缩；黄河下游河道根据水文学和河床演变学的原理知，河道洪水演进特征与河床边界条件之间有着高阶的响应关系。自20世纪80年代中期以后，黄河下游主河槽发生严重淤积萎缩，河床平均高程抬升速率加快，过水面积大大减小，对河道的洪水演进产生很大影响。针对黄河下游河道萎缩对洪水演进影响的问题，有人曾开展过一些探讨[1～8]，但总的说，大多是针对某一场洪水的演进特性或河道行洪能力，以及引起河道萎缩的洪水水沙特征等问题开展研究的，而对于黄河下游河道萎缩条件下洪峰、洪水传播时间和水位—流量关系等洪水演进特征参数的变化规律进行系统研究的较少，对洪水的输沙能力的调整与河道萎缩之间的响应关系也更待进一步研究。分析洪水演进对河道萎缩的响应关系，对于了解河道萎缩的致灾机理及制定治理对策都是非常必要的。本文依据定位观测资料分析，结合河工动床模型试验，探讨了黄河下游河道萎缩过程中洪水演进的响应关系。1模型试验设计1.1试验河段选择及试验比尺设计黄河下游游荡型河段河道萎缩最为严重，其萎缩演变过程也比较复杂，因此选取该河段作为试验对象。根据试验场地和模型进出口水沙条件的控制要求，模拟范围选定为花园口河段。模型进口为北裹头，出口在赵口险工下游，全河段长38.45km（图1）。图1模型模拟河段示意图基金项目：“十五”国家科技攻关计划重大项目（2004BA610-03）2模型按黄河动床模型相似律设计，相似条件主要有水流重力相似、水流阻力相似、水流运动相似、泥沙起动和扬动相似、泥沙沉降相似、水流挟沙能力相似和河床冲淤相似等。模型选定的主要比尺见表1。表1模型主要比尺汇总比尺名称平面比尺L垂直比尺H流速比尺V水流运动时间比尺1t河床变形时间比尺2t沉速比尺含沙量比尺S糙率比尺n比尺800708.3795.5895.581.352.000.60根据模型试验目的，选取1987年水文年水沙过程作为验证试验的水沙条件，模型初始地形按河道萎缩初期的1987年汛前实测大断面制作。尾门水位按花园口站流量与赵口闸前水位统计关系控制。验证试验表明[9]，模型在河型、河势、沿程水位、河床形态和冲淤等方面与原型是基本相似的，可以满足试验的精度要求。1.2试验方案选择三个典型的水沙过程作为试验水沙条件，即中水丰沙的1988年、小水中沙的1994年和枯水少沙的1991年。根据实测资料分析，河道萎缩主要发生于汛期，因此，在试验过程中只施放汛期水沙过程。另外，1998年淤积量是1985~1996年年均淤积量的1.8倍，且滩地淤积都非常明显，主河槽深泓高程抬升约2m；1991年淤积量较小，如汛期的仅为1988年的33%，但泥沙全部淤积在主河槽内，若与1988年的水沙过程组合，则可充分展现“小水大灾”的效应，根据主河槽冲淤变化的特征，将1991年和1998年的水沙过程进行组合作为一个试验组次。因此，在试验组次设计中，考虑了两种类型，即1988+1991年组合型和1994年型（分别简称为“88+91型”和“94型”）。两个试验组次的初始地形均按1987年汛前实施大断面制作。试验周期按每种水沙试验条件下河床冲淤演变达到相对稳定状态时进行控制。2河道萎缩特征及模式实测资料分析和试验研究表明[9,10]，黄河下游河道萎缩主要表现为主河槽严重淤积，同流量水位明显抬升，平滩流量大大减小。因此，通常所说的黄河下游河道萎缩实质上是指主河槽的萎缩。黄河下游河道萎缩的主要特征是主河槽宽度和其中的主河槽明显缩窄；主河槽过水面积大大减少；河床高程抬升速率明显增加，以及横断面形态调整多变等。试验结果也进一步表明，在河道萎缩过程中断面形态的调整趋势不单是单向性的，而是视水沙条件而有所不同。在1991年和1998年的试验水沙条件下，断面宽深比是逐步减小的，也就是说主河槽断面逐步趋于窄深；而对于“94型”的水沙过程，断面宽深比则是逐渐增大的，说明断面形态趋于宽浅。因而，可将“91型”洪水所形成的萎缩模式称作“集中淤槽”，而将“94型”洪水形成的萎缩模式曰为“滩槽并淤”。显然，在“集中淤槽”模式下，主河槽断面趋于宽浅；而在“滩槽并淤”模式下，断面形态则趋于窄深。另外，还有一种“淤积不萎缩”的模式，即尽管河槽发生淤积，但并不具备主河槽宽度缩窄、过水断面面积减小的萎缩特征。3洪水演进过程与河道萎缩的响应关系3.1河道萎缩对洪水峰型的影响洪水在向下游传播过程中，因河道边界条件的影响，将会引起洪水峰型的变化。峰型可简单由洪峰流量大小表征。峰型的变化最直接的表现是洪峰流量的增减。洪峰流量增减程度一般用削峰率表征。所谓洪水削峰率是指上下断面洪峰流量之差占上游断面洪峰流量的百分比。根据黄河下游花园口至孙口河段自203世纪50年代到90年代洪水削峰率的变化过程知，1986年以来黄河下游河槽淤积萎缩，平滩流量明显降低，洪水漫滩严重，造成洪水削峰率逐年增加。尤其是1988年高含沙量洪水发生后，高村以上河段削峰率不断增高，1994、1995年达到1954年以来的最高值。而高村以下削峰率反而减小。1981年、1985年和1996年洪水，花园口洪峰流量均在8000m3/s左右，但由于河床边界条件的不同，洪峰流量沿程削减也不同（表2）。1985年9月洪水前，河道平滩流量较大，洪峰在下游传播过程中，没有发生明显漫滩，因此洪峰削减不明显。花园口和孙口最大洪峰流量分别8260m3/s和7100m3/s，削峰率为14%；而1996年洪水过程中，受1986～1996年河道持续淤积萎缩的影响，平滩流量仅3000～4000m3/s，在花园口洪峰流量7860m3/s的条件下，下游河道发生大范围漫滩，同时由于下游主槽淤积抬升幅度大于滩地的抬升幅度，滩地水深大，滞洪作用强，因而洪峰沿程坦化明显，如孙口洪峰流量仅有5800m3/s，较花园口削减了26%。1981年情况与1996年相似，因洪水前期下游河道平滩流量较小（约4500m3/s），洪峰削减也较为明显，如花园口洪峰流量8060m3/s，到孙口时已削减了19%。表2典型洪峰削减情况统计表站名洪峰流量（m3/s）削峰率（%）1981年1985年1996年1981年1985年1996年花园口8060826078604.1-0.79.0夹河滩7730832071504.49.84.8高村73907500681012.05.314.8孙口65007100580019.414.026.2进一步分析表明，对于一定的平滩流量，当洪水的洪峰流量小于河槽平滩流量时，洪水在主槽运行过程中，即使洪水有所坦化，但洪峰流量的削减不会太大，上下站洪峰流量基本接近；当洪峰流量与平滩流量接近时，洪水的变形不大，洪峰流量削减也最小；一旦洪峰流量超过平滩流量，洪水发生漫滩，削减率随洪峰流量的增大而增大。在不同时期，尤其是与1986年前后时期相比，河道的平滩流量相差极大，因此即使发生相同流量的洪水，洪峰流量的削减率也不相同。河道淤积时，过洪能力降低，平滩流量减小，中小洪水即可漫滩，洪峰流量的削减率就大。因此可以说，洪水洪峰流量mQ与河槽平滩流量pQ的对比关系可以作为反映河道边界条件对洪水削减作用的特征因子。为此，统计分析自20世纪50年代以来主要场次洪水不同河段削峰率与mQ/pQ之间的关系可得到：上下mmQQ/=1k(mQ/pQ)1b（1）式中上mQ、下mQ分别为上下断面的洪峰流量；1k、1b分别为斜率和截距，1k、1b的取值见表3。显然，河道萎缩后无论是一般含沙量洪水还是高含沙量洪水，由于平滩流量pQ减小，pmQQ/增大，削峰作用更为明显。即河道萎缩后，洪水在传播过程中坦化作用更强。表3式（1）中1k、1b取值表洪水类型河段mQ/pQ1k1b一般含沙量级洪水花园口～夹河滩-0.061.062夹河滩～高村-0.051.004高村～孙口-0.081.022高含沙量洪水花园口～夹河滩-0.321.224夹河滩～高村-0.501.30043.2洪水传播时间的响应由于河道萎缩使得洪水坦化，因而，洪水的传播速度必将受到影响。对于断面规则、非复式断面的河道，洪峰传播速度与断面平均流速V的关系可表示为：AV（2）式中A值代表河槽形态对洪水传播特性的影响，可表达dZdBBRA3235（3）式中R为水力半径；B为河槽宽度；Z为水位。由上式知，在河槽断面形态一定时，若来水洪峰流量超过平滩流量发生漫滩，过流面积的增大将明显降低断面平均流速，那么，洪峰传播速度将会减小。在1986年以前，下游平滩流量在5000m3/s左右，其后降至2000～3000m3/s。若分析典型洪水全断面平均流速变化过程（表4）可以看出，在平滩流量附近断面平均流速最大，其他流量级的断面平均流速都小。而且平滩流量越小，滩地过流比例越大，断面平均流速越小。“96.8”洪水前期高村断面平滩流量2800m3/s，约为1982年和1958年洪水前的50%左右，发生大幅度漫滩后，全断面平均流速仅0.54～0.70m/s，约为其他年份同流量下断面平均流速的1/3～1/5，也仅为1982年和1958年大漫滩洪水期全断面平均流速的1/2。与1981年同流量级洪水相比，除2000m3/s流量级外，“96.8”洪水期断面平均流速仅为前者的43%～55%，相应传播时间增长约1.43～2.62倍。表4高村水文站典型洪水断面平均流速统计表流量（m3/s）不同年份断面平均流速（m/s）1958年1981年1982年1985年1996年20001.692.221.521.812.4030002.082.501.881.971.3850002.552.382.322.090.5470001.201.622.452.560.70100001.031.89进一步分析表明，当洪峰流量约为平滩流量的2倍（/mQpQ2）时，洪水传播速度最慢。1996年洪峰流量仅约为平滩流量2倍，因而其洪峰的传播速度也只有平滩流量附近的1/3，洪峰传播时间最长。根据分析，当/mQpQ大于2时，如1957年、1958年洪水，将会出现全河道过流，洪水主流带宽度增大，从而洪水的传播速度随/mQpQ的增大则反而减小。根据模型试验分析知，尽管河道萎缩可以引起洪水传播速度减小，传播时间增长，但是，断面平均流速与流量之间仍有很好的跟随性，即流量越大，洪水的断面平均流速越大。而且，不论何种萎缩模式，流速的变化过程都与流量变化过程有着密切的正比关系。由此说明，无论何种萎缩模式，只要增大流量，就可望使得主河槽内保持有较大的流速，从而改善河道的萎缩状况。3.3洪水水位的响应关系根据曼宁阻力公式可得到主槽流量从1Q上涨到2Q时的水位涨幅：6.015.06.016.02))((nBJQQH（4）5由式（4）可以看出，水位的变幅与河宽和河床阻力具有密切的非线性关系。进一步计算表明，河宽缩窄或河床阻力增大一倍，都将导致1.52倍的水位升幅；水面比降减小一倍，将导致1.23倍的水位升幅。如前述分析，现状黄河下游花园口～夹河滩、夹河滩～高村两河段主槽平均宽度约为20世纪80年代中期主槽宽度的60%，据此可以推算，同流量的水位升幅将增大36%；下游生产堤范围内滩区综合曼宁糙率系数由0.015增加到0