黄河洪水的非恒定性对输沙及河床冲淤的影响

黄河洪水的非恒定性对输沙及河床冲淤的影响 (sddianjian) (docin.com) 1121 齐 璞 ，孙赞盈，侯起秀，彭红（1.黄河水利科学研究院，2. 黄河水利委员会总工办，河南 郑州450003；） 提要： 1.8~2.0m/s 黄河下游河道从铁谢至河口长800多km，在其形成的漫长历史时期，流域的来水来沙及人类与黄河奋斗历史塑造了目前的河道形态，从而也形成不同河段 的演变特性与输沙特性，使河流的来水来沙条件沿程不断地调整，形成不同的河 0槽形态(河型)。按河型可将下游划分成三段，铁谢至高村长300km，比降2.7～00001.7，两岸堤距8～20km，为典型的游荡性河流，也称宽浅型；高村至陶城埠00000长165km，比降1.7～1.1，是过渡段；陶城埠以下至河口长约460km，比0000000降1，堤距0.4～5km，为弯曲性河流，也称窄深型。 000 早在60年代就发现黄河泥沙在大水时存在多来多排的输沙特性，不仅全[1]沙如此，造床质“粗泥沙”也存在多来多排现象。由于黄河下游河道上段宽浅，下段具有窄深河槽，因此使得输水输沙特性呈现出在洪水含沙量大时，上段河道 滞洪滞沙，洪峰沿程减小，河道输沙“多来多排多淤”，主槽多来多排，边滩多 来多淤。艾山以下河段呈现“多来多排”的输沙特性。 1、黄河下游河道输沙特性 1.1 图1给出的历年高含沙洪水平均含沙量沿程变化情况表明，在高村以上宽浅河 基金项目：水利部科技创新基金资助项目(scx2001-18) 作者筒介：齐璞（1942-），北京市人，汉，教授级高工，主要从事河床演变与泥沙输移、高含沙水流输沙、 河型转化、水库泥沙多年调节、河道整治等方面研究 1 333段含沙量急骤降低，平均含沙量由220kg/m至320kg/m迅速降至80-150 kg/m，艾山以下比降平缓的窄深河段经过300km长的河道，含沙量不仅没有减小反而 增加，表现出“多来多排”的输沙特性。 图1 历年高含沙洪水实测平均含沙量沿程变化 1.2.比降、河宽、流速的沿程变化 比降是河流洪水输移演进的动力。比降在冲积河流调整过程中是缓慢的， 不像河槽横断面形态变化那样剧烈，经过一场高含沙洪水的塑造即可使断面形 态发生巨大的变化，从而对输沙产生明显的影响。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。 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，尽可能地输送上游洪水挟带的巨量泥沙。 表1给出的黄河下游河道主槽1973、1977年汛期洪水过后，实测流量 33000m/s时，下游各水文站的比降、河宽、水深、流速的沿程变化表明，比降 00由花园口站的2.5，到艾山以下河段减小到1，河宽变化范围600-400m, 000000 水深变化范围2.2-3m，平均流速并没有减小，而是由2.0m/s增加到2.5m/s，因此使得平滩流量的水流挟沙能力沿程不会降低。 表1 1973、1977年汛期水力要素沿程变化 站 名 小浪底 花园口 高 村 孙 口 艾 山 利 津 0比降() 8.0 2.5 1.5 1.2 1.0 1.0 000 水深(m) 7.0 2.5 2.2 2.5 3.0 3.0 流速(m/s) 2.0 2.0 2.5 2.5 2.5 2.4 水面宽(m) 214 600 545 480 400 410 2、渭河、北洛河下游河道道输沙特性与冲淤特性 2.1. 渭河下游河道输沙特性与冲淤特性 [2]#0渭河下游河道的比降变化也较大，由耿镇～渭淤13，比降由5.9过渡到000 2 ##0002.1，渭淤13断面到渭拦2断面，比降由1.72变缓到0.57，由上 段000000000 00的500～600m，到华阴以下河段减至250m，在渭河下游河道中比降1或1000000以下的河段均可产生强烈冲刷。详见表2给出的渭河下游河道高含沙洪水前后 00主槽冲刷的沿程变化，在比降4.5和0.57的河段内均可产生主槽强烈冲000000 刷。需特别指出的是这几场均为由粗沙组成的高含沙洪水，平均流量在 33800-2000m/s，含沙量在600-800kg/m，泥沙组成d达0.1mm，表中括号内数字50 3为最大含沙量(kg/m)。 从表2给出渭河下游河道高含沙洪水沿程主槽的冲刷情况说明，随着比降的 变缓，主槽在洪水期冲刷深度，并没有减弱，而是略有加强。 表2 渭河下游高含沙量洪水主槽沿程冲刷情况 3各站500m/s水位下降值(m) 主槽最深点 时 间 临潼 交口 沙王 华县 陈村 华阴 吊桥 冲刷情况 1964.8.12～-0.5 -0.4 -0.8 -0.7 -0.1 洪水过后未测断面 8.17 （670） (643) (604) 洪水后测断面14个，其-0.9 -0.5 -1.4 1966.7.26～中10个断面最深点降低-0.6 -1.2 -0.6 -1.4 7.31 0.4～3m (688) (636) (579) 洪水过后测断面20个，其中1970.8.2～-0.3 -0.32 19个断面最深点降低0.6～-0.45 -0.6 -0.8 -0.7 8.10 (801) (702) 3.7m 1977.7.6～-0.7 -1.9 -2.0 洪水过后测断面21个，其中 -1.3 19个断面最深点降低0.4～3m 7.10 (695) (695) (703) 2.2.北洛河下游河道输沙特性与冲淤特性 北洛河下游河道长100km，河槽宽80-100m，且沿程变化不大，均具有窄深的 0河槽形态。纵比降沿程变缓，由状头以下河段的5.4到洛淤17号至7号断面000 00降至1.62，7号断面至朝邑河段比降为1.88。由表3给出的实测 000000[3]3资料表明，流量仅100-200 m/s的高含沙洪水均可顺利输送,河段的排沙比达到百分之百。因此，使河流沿程输沙特性不因河流比降的变缓而受到影响。 表3 北洛河小流量高含沙洪水输沙情况 时 段 状 头 站 状头至朝邑 33 平均流量(m/s) 平均含沙量(kg/m) 冲淤量 输沙比 8(年、月、日) 最大日 时 段 最大日 时 段 (×10t) (%) 1968.7.28~29 169 122 738 687 -0.012 108 1970.8.25~31 166 88 842 632 -0.025 107 1973.6.15~19 125 52 607 457 -0.010 109 1973.7.11~15 174 59 741 578 +0.006 96 1974.7.28~8.3 118 61.5 915 683 +0.011 96 3 2.3.比降变化对河流输沙的影响 根据渭河下游、北洛河下游、三门峡库区及艾山以下窄深河段的151场实测 33洪水资料，流量变化范围50～5150m/s，含沙量变化范围10～786kg/m，比降 0.8481.0870.006000.27～4.50，得出的输沙公式：,式中的SQ,0.00132QS,J,s上000000 为上站含沙量，实测比降的方次仅为0.006，接近于零，对输沙的影响很微弱。但 式中的流量的方次大于1，随着流量的增加，河道输沙能力增大。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， 不同河流之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 3主槽宽仅80m，流量100～200m/s的高含沙洪水均可输送，渭河下游华阴以下， 30比降不足1，河宽仅100-250m，1000m/s洪水均可输送。因此形成大水塑造 000 表4 黄河山东河道与渭河、北洛河下游河道特性 30河 名 河 段 比降() 河槽宽(m) Bh/ 平滩流量(m/s) 000 黄 河 艾山~利津 (290km) 0.9-1.1 300-600 3～6 3000～6000 渭 河 临潼~潼关(165km) 6.9~0.57 100-600 2～6 1000～5000 北洛河 洛21#~朝邑(110km) 5.4~1.62 80-100 2～3 400～1000 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，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。 3．洪水输沙的非恒定性造成河道的沿程长距离冲刷 从黄河下游及主要支流渭河、北洛河下游河道高含沙洪水前后主槽冲刷的沿 程变化，在河道比降相差十倍的条件下河床均可发生长距离强烈冲刷，显然用一 般水流挟沙能力理论无法解释，不平衡输沙恢复长度一般只有几百米，最多几公 里，无法解释洪水在几百公里长的河段都发生冲刷，只有从洪水的非恒定的物理 图形寻找 答案 八年级地理上册填图题岩土工程勘察试题省略号的作用及举例应急救援安全知识车间5s试题及答案 。 3.1 河道的形成“多来多排”及沿程冲刷条件 ?动床阻力特性与输沙特性 3对艾山以下窄深河段流量与动床阻力特性研究表明，在流量小于500 m/s时， 3n值最大达0.015-0.026；流量在500-1500 m/s，n值变化范围最大，呈现随着流 量的增大n值的平均值逐渐减小。最大达0.026；最小值仅为0.006，主要是床面形态变化所至。详见图2给出的利津站流量与n值及艾山至利津河段排沙比之间 3关系。当流量大于1500 m/s时n值的平均值最小，n值约为0.01，艾山至利津河段排沙比达到100%，河道的输沙特性进入多来多排状态，床面进入高输沙动 平整状态。据对黄河冲积河道动床阻力与输沙特性形成机理的分析，当床面进入 高输沙动平整状态，悬沙则不会在床面上淤积，河道的输沙特性将进入“多来 4 图2利津站流量与n值、艾-利排沙关系 图3利津站床面形态对水深与流速比间关系 多排”的输沙状态。其原因是比悬沙组成粗得多的床沙(0.05-0.1mm)在河床上都在强烈运动，比床沙细得多的悬沙(<0.05mm)自然会顺利输送，详见图3给出的利津站及水槽试验得出的床面形态(阻力特性)对水深与流速关系的影响[4]。 ?河床冲刷形成条件 根据对黄河河道实测断面平均水深与流速关系图，发生拐点的临界水深、流 速值列入表5。从表中给出的资料表明，水深的变化范围在1.5m至2m，流速的3变化范围在1.8至2m/s，单宽流量的变化范围在3至5m/s-m，作用在床面上的 2剪力只有0.2至0.3kg/m，功率为0.4至0.6kg/m-s。当河宽为300m时，进入高 [5]3输沙动平整状态的输沙流量约为1500m/s，河道的输沙特性将进入“多来多排” 的输沙状态。当河宽变化时不淤流量也会相应变化。根据多年对艾山以下窄河段 3输沙特性的分析，流量大于1500-2000m/s时河道输沙特性呈“多来多排”的输[5]沙状态，其确切的不淤流量值与当时河宽有关。由于近年来连续枯水塑造的河 3宽变窄，流量在1000-1500m/s时该河段平均排沙比达100%。 表5 床面输沙进入高输沙动平整状态的水流条件 站 名 花园口 夹河滩 高村 孙口 艾山 洛口 利津 1.5 1.5 1.7 2.0 2.0 3.0 2.0 水深(m) 2.0 1.8 1.8 2.0 1.8 2.0 2.0 流速(m/s) 3单宽流量(3.0 2.7 3.1 4.0 3.6 6.0 4.0 m/m-s) 2剪力(kg/0.3 0.25 0.23 0.23 0.2 0.3 0.2 m) 0.6 0.44 0.46 0.46 0.36 0.6 0.4 功率(kg/m-s) 因此，在洪水流量稳定的平水段，作用在床面上的剪力或功率虽然很强烈， 床面上存在的强烈运动底沙，但变化不明显，因此不会发生强烈地冲刷，仍会处 于准输沙平衡状态，故河底高程也不会产生急速的变化。 5 由表6给出黄河艾山、洛口、利津三站5场洪水涨水期冲深值、落水期回淤3值与净冲深值可知，前两者均远大于后者。在汛期200至300亿m洪水的作用下艾山以下300km长的河段，一般只冲深0.2至0.5米，远小于涨水期河床冲深 1至2.7m幅度。只有利律站1976年净冲深值等于落水期的回淤值，这是由于1976年河口改道清水沟流路大幅缩短流程(37km)有关。从利津站净冲深1m、洛口站 净冲深0.6m、艾山净冲深0.4m，也可看出与河口改道引起溯源冲刷有直接关系。 6 涨水冲值 最大流量 汛期水量 落水期回淤 净冲深值 年份 33（m） (m(m) (m) /s) (亿m) 1975 1.4 7020 319.7 1.2 0.2 1976 2.7 9180 331.5 2.3 0.4 艾1982 2.4 7300 225.3 1.6 0.8 山 1983 1.5 5920 342.8 0.9 0.6 1985 1.6 7000 250.0 1.1 0.5 1975 1.6 6160 1.2 0.4 1976 2.0 7800 1.4 0.6 洛1982 1.0 5960 0.8 0.2 口 1983 1.0 5680 0.5 0.5 1985 2.0 6400 1.7 0.3 1975 0.9 6470 304.3 0.7 0.2 1976 2.0 8020 322.3 1.0 1.0 利1982 0.9 5670 207.6 0.5 0.4 津 1983 0.8 5740 316.8 0.4 0.4 1985 0.8 6300 222.0 0.4 0.4 3.2” 1 床面在高输沙动平整状态时，河床的冲淤取决于底沙的输移强度的变化。已 有的研究成果表明，底沙的运动强度取决于作用在床面上的剪力τ=γhj或功率Φ=γhjv。当作用在床面上剪力或功率逐渐增加，底沙的输移强度逐渐增强时河 床产生冲刷，否则河床发生淤积。即：Φ1＜Φ2 时河床为 冲刷 、Φ1＝Φ2 时河床为输沙平衡、Φ1＞Φ2 时河床为淤积，见图4。 Φ1 Φ2 tt i i+1 4 2 ( J=J +JJ=0Z/t/V ) m[6]非恒定流洪水演进的理论计算结果表明，在定床情况下，在洪水上涨时， 附加比降为正值，洪水降落时，附加比降为负值，因此最大流速出现在最大洪峰 6 之前，最大水深出现在最大洪峰之后，水位流量关系呈逆时针绳套。在洪水过程 中河床可迅速冲刷时，水位流量关系可呈现顺时针绳套。洪水过程中的流量、流 速、水深和附加比降的变化过程概化如图5。 5 （3）洪水期作用在河床剪力或功率变化过程与河床冲淤变化关系 从图6给出的洪水过程中相应作用在床面上剪力或功率变化可知，由于洪 水流量随时间的剧烈变化，使得水深、流速、比降发生相应的调整，从而引起 作用在床面上剪力或功率相应变化：增强或减弱，造成底沙输移强度的增强或 减弱。因此造成涨水期增强，河床必然冲刷；在落水期减弱，河床必然淤积。 功率或剪力 , 增强减弱 , 1 Z功率或剪力Zi, 2河底高程 Z 冲淤积 刷Zi+1 ttttiii+1i+1河底高程 6 t 图7给出1983年利津水文站实测水沙与河床冲淤过程可知，最大流速出现 在最大洪降之前，最大水深出现在最大洪峰之后，随着作用在床面上剪力的增加， 平均河床不断冲刷，在最大洪峰之后，出现最低河底高程，说明以上理论分析是 合理的。 7 7 1983 4河槽窄深有利于洪水冲刷 4.1河槽窄深有利于洪水迅速传播 洪水波的传播速度,与水流的平均流速及河槽形态有关，常用,=A,v表示，在河道较宽时水力半径可用水深代表，洪水的传播速度,值与河槽形态有关 ,,RB52, ,V,,,,,,By33,,, 式中的B为水面 ，R为水力半径，y为水位，v为断面平均流速。 ,B5当时，A,(河槽形态为矩形) ,0,y3 5B,B当时，A,1~(三角形、抛物线形) 0,,3Ry, ,BB当时，(宽浅型) A,1,,0 y,R 对于窄深河槽洪水传播的速度均大于断面平均流速，具越窄深A值越大，洪水波的传播速度越快；只有宽浅型河槽A值小于1，洪水波的传播速度慢，洪 峰削减幅度大。 4.2河槽窄深有利于洪水冲刷 在给定的流量条件下，河槽越窄，水深越大，流速越大；河宽减少一半， 水深与流速乘积，单宽流量增大一倍。在窄深河槽中，涨水期的附加比降也较 宽河槽大，因此使得洪水波传播的速度远大于底沙的运动速度，因此形成涨水 8 期水流对河床的强烈冲刷，不断地从河床中冲起底沙，补给水流，河床高程不 断降低，在最大洪峰流量稍后，河床最低。在落水过程中，作用在床面上的剪 力或功率逐渐减小，造成落水期河床必然淤积，反映出非恒定流的输沙特性与 冲淤特性特别强烈。洪水输移的底沙都是河床前期淤积物，与洪水所挟带的悬 沙运动状况不同。这种强烈的冲淤输沙特性在洪水流过的河床均可产生，而与 00河道的比降陡缓关系不明显，如渭河下游在比降0.57-4.5范围内均可产000000生冲淤。 5．结论 (1)冲积河流的比降虽然沿程变缓，但水面宽沿程变窄，水深、流速沿程增 大，形成洪水期输沙能力沿程不仅不减小，反而增加的边界条件。 (2)动床阻力与输沙特性间的关系密切，当床面进入高输沙动平整状态，河 道输沙特性呈现“多来多排”状态。当黄河床沙为细沙组成时，其流速为1.8-2m/s， 3单宽流量为3-4m/m-s。 (3)洪水非恒定性造成作用在床面上的剪力或功率的变化，引起底沙输移的 不平衡，在涨水期形成河床强烈冲刷，落水期迅速淤积。 (4)底沙的运动速度比洪水波传播得慢是造成洪水长距离冲刷的根本原因。 使得比降变化对洪水的造床与输沙作用的影响不明显,河槽窄深有利于洪水冲刷。 参 考 文 献 [1] 麦乔威、赵业安、潘贤娣，多沙河流拦沙水库下游河床演变计算方法， 麦乔威论文集,p96-103,黄河水利出版社,1995年 [2] 赵文林、茹玉英，渭河下游河道输沙特性与形成窄深河槽的原因(J)，人 民黄河，1994(3) p1-4 [3]齐 璞、孙赞盈，北洛河下游河槽的形成与输沙特性，地理学报(J)， 1995(2),p168-177 [4] Qi Pu and Sun Zanying, Analysis of Channel Scouring and Deposition of the Lower Yellow River, International Journal of Sediment Research. Vol.10,No.2,Aug.1995,p21-34 [5]齐 璞、孙赞盈等，小浪底水库泥沙多年调节运用与下游河道进一步治理 研究(R)、2001年12月(水信息网http//www.hwcc.com.cn）,p88-89 [6] 格拉夫、阿迋廷拉卡著， 河川水力学，p172-217, 成都科技大学出版社，1997年，成都，趙文谦 万兆惠译 9 The Influence of Non-invariance of Flood on Silt Discharge or Rushing and Silting of Riverbed in the Yellow River 2121 QI Pu ，SUN Zan-ying，HOU Qi-xiu，PENG Hong（1. Yellow River Institute of Hydraulic Research, YRCC，2. Office of the Chief Engineer, YRCC，Zhengzhou Henan，450003） AbstractThe paper analyzes and researches into the characteristics of transporting sediment for rushing and silting channel and the characteristics of rushing and silting for riverbed from the slope of riverthe width of rivervelocity of flow regulating along coursenon-invariance of flood and etc in the lower Yellow Riverbased on measuring transport sediment information of high sandiness floods for the primary rushing and silting reaches in the Yellow River. Analyzes the relation of moving bed resistance and transporting sediment characteristicswhen velocity of flow is bigger than 1.8~2.0m/s and bed surface turns into high transporting sediment homeostasis regulationthe characteristic of transporting sediment for stream channel will be taken on the state of more coming sand more discharging sandand this is the condition of current power to from riverbed rushing along course. From the variety of shearing force or power being acted on bed surface in the flood periodand the variety of transporting intension for bottom sediment is brought demonstrates the inevitability of intensity rushing in the swelling period and rapid silting in the falling flood stage. Indicates it is the fundamental reason of formed far cry rushing that the velocity of bottom sediment movement is slower than flood wave velocityand educes it is not in evidence that the influence of flood making bed and transporting sediment in the varying range of measuring slope. Key wordsriver channel narrow-deep; river width regulating; flood transporting sediment non-invariance; bottom sediment movement; rushing in the swelling period and silting in the falling flood stage; Yellow River 10