水利工程論文-從黃河下游“92.8”洪水看游蕩性河段高含沙水流的河床演變特性.doc

水利工程論文-從黃河下游“92.8”洪水看游蕩性河段高含沙水流的河床演變特性摘要：黃河下游花園口92.8洪水屬于含沙量中等偏高的高含沙水流，洪峰也只是常遇流量級(jí)(6260m3/s)的洪峰，但洪水位異常高(94.33m)，僅比1958年22300m3/s洪峰流量時(shí)的水位低0.09m。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查勘和對(duì)這場(chǎng)洪水水沙特性的分析，指出花園口站產(chǎn)生特高水位的直接原因是河床前期淤積，尤其是主槽淤積，以及該場(chǎng)洪水支、干流來(lái)水來(lái)沙的不利組合，而其根本原因卻是來(lái)自于黃河上中游來(lái)水來(lái)沙的變化。自80年代后期，黃河下游的徑流量和輸沙量急劇減少，并且隨著流域經(jīng)濟(jì)建設(shè)的日益發(fā)展，下游徑流來(lái)量日益減少是必然趨勢(shì)，這將給黃河下游河道帶來(lái)一系列新的變化，對(duì)防洪安全提出一些新的問(wèn)題，需要加強(qiáng)原型觀測(cè)和深入分析研究。關(guān)鍵詞：黃河高含沙洪水流量水位水沙變化1洪水組成1992年8月7日-13日，黃河中游陜西省境內(nèi)水土嚴(yán)重流失地區(qū)連續(xù)發(fā)生三場(chǎng)大至暴雨，雨區(qū)時(shí)程分布為從陜北逐漸向陜南延伸。第一場(chǎng)大雨，暴雨中心在內(nèi)蒙古自治區(qū)伊克昭盟，東勝9小時(shí)降雨108mm,黃河一級(jí)支流皇甫川、孤山川和窟野河流域普降大雨，皇甫川8日7時(shí)實(shí)測(cè)最大流量5500m3/s，最大含沙量1080kg/m3，清水川8日8時(shí)54分洪峰流量1250m3/s，孤山川高石崖站8日9時(shí)06分實(shí)測(cè)洪峰流量3000m3/s，窟野河溫家川站8日12時(shí)06分實(shí)測(cè)最大流量為10500m3/s，最大含沙量為1150kg/m3，由于黃河干流流量較小，洪峰傳播至龍門(mén)水文站9日9時(shí)36分最大流量降至7450m3/s，最大含沙量為215kg/m3(9日20時(shí))，洪峰傳播到潼關(guān)水文站10日7時(shí)42分，最大流量削減到3620m3/s；花園口流量站相應(yīng)出現(xiàn)第一個(gè)洪峰(11日22時(shí)30分)，洪峰流量2870m3/s，沙峰含沙量為91kg/m3(11日17時(shí)30分)，參見(jiàn)表1。表192.8第一場(chǎng)大雨洪峰、沙峰的相應(yīng)出現(xiàn)時(shí)間TBZThefirstfloodpeakdischargeandcorrespondingsedimentconcentrationinAugust1992河名站名洪峰發(fā)生時(shí)間洪峰流量(m3/s)沙峰發(fā)生時(shí)間沙峰含沙量(kg/m3)皇甫川皇甫1992.8.87：0055001080清水川清水1992.8.88：541250孤山川高石崖1992.8.89：063000430窟野河溫家川1992.8.812：06105001150黃河干流龍門(mén)1992.8.99：3674501992.8.920：00215黃河干流潼關(guān)1992.8.107：4236201992.8.118：00171黃河干流花園口1992.8.1122：3028701992.8.1117：3091第二場(chǎng)洪水發(fā)生在清澗河、無(wú)定河、延河和北洛河流域。北洛河劉家河水文站10日12時(shí)48分出現(xiàn)洪峰流量6100m3/s，頭站11日11時(shí)36分洪峰流量3080m3/s，最大含沙量706kg/m3；加上黃河干流來(lái)水傳播到下游，于13日6時(shí)在花園口出現(xiàn)第二個(gè)小洪峰，洪峰流量為3400m3/s，含沙量峰值為133kg/m3(13日14時(shí))。第三場(chǎng)洪水發(fā)生在涇河和渭河。涇河景村站于13日0時(shí)30分發(fā)生最大洪峰流量2430m3/s，13日12時(shí)傳至桃源站，洪峰流量為2500m3/s，幾乎在同時(shí)，13日10日渭河咸陽(yáng)站出現(xiàn)2350m3/s的洪峰，涇渭河洪峰匯合后，在圖11992.8.1018潼關(guān)、三門(mén)峽、小浪底、花園口四站流量過(guò)程圖HydrographsofdischargeatTongguan,Sanmenxia,XiaolangdiandHuayuankoustations14日2時(shí)華縣水文站出現(xiàn)3950m3/s洪峰，在向下傳播過(guò)程中，與北干流龍門(mén)14日5時(shí)出現(xiàn)的洪峰2010m3/s組合后，在15日0時(shí)潼關(guān)站出現(xiàn)流量4020m3/s的洪峰，該洪峰經(jīng)三門(mén)峽水庫(kù)滯洪調(diào)節(jié)后，傳至下游小浪底、花園口水文站先后出現(xiàn)第3、第4次洪峰(參見(jiàn)圖1)，其中16日18時(shí)出現(xiàn)的第4次洪峰，最大流量達(dá)6260m3/s。圖21992.8.1018潼關(guān)、三門(mén)峽、小浪底、花園口四站含沙量過(guò)程圖HydrographsofsedimentconcentrationatTongguan,Sanmenxia,XiaolangdiandHuayuankoustations2洪水特性2.1洪峰流量小，水位高花園口站16日18時(shí)洪峰流量6260m3/s為該站的常遇洪峰，但其相應(yīng)的洪水位高達(dá)94.33m，比1982年流量為15300m3/s的洪水位還超高0.34m，僅比1958年實(shí)測(cè)最高洪水位94.42m(洪峰流量為22300m3/s)低0.09m(見(jiàn)圖3)。2.2花園口洪峰流量比上游站顯著偏大小浪底水文站位于花園口水文站上游約150km，兩站間有伊河、洛河和沁河等較大支流匯入。15日20時(shí)小浪底實(shí)測(cè)洪峰流量為4560m3/s，其間伊洛、沁河可控制水文站黑石關(guān)站及武陟站實(shí)測(cè)加水共為150m3/s，即使三者洪峰流量全部遭遇其總流量為4710m3/s，比花園口實(shí)測(cè)洪峰偏小24.8%。小花區(qū)間在加水不多的情況下，下游站洪峰流量6260m3/s超出上站洪峰流量37.3%。圖3花園口水文站歷來(lái)洪水水位流量關(guān)系圖RelationshipbetweenwaterstagesanddischargesatHuayuankou2.3峰前水位上漲率高，峰后水位驟降“92.8”洪水，根據(jù)小浪底流量站的實(shí)測(cè)洪水過(guò)程線來(lái)看，除第4次洪峰漲率較大外，在這之前的三次洪峰，無(wú)論其峰前陡度還是峰值均不為高，但該洪峰傳播到逯村、大玉蘭等處，出現(xiàn)水位猛漲猛落現(xiàn)象，花園口流量站也出現(xiàn)類似情況。2.4沙峰與洪峰不相應(yīng)一般說(shuō)來(lái)，水流挾帶的含沙量應(yīng)與流量成正變關(guān)系，即沙峰與洪峰應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)。但從“92.8”流量含沙量過(guò)程線看，沙峰和洪峰有明顯的錯(cuò)峰現(xiàn)象，且沙峰超前，洪峰滯后(參見(jiàn)圖1、圖2)。3“92.8”洪水特性分析3.1關(guān)于洪峰小、水位高的原因分析3.1.1河床前期淤積的影響黃河下游是多沙河流沖積河床典型河道，善淤善徒?；▓@口水文站所在河段(沁河口至東壩頭)，在1855年由于銅瓦廂決口發(fā)生溯源沖刷，形成高灘深槽。截至1985年，該河段河槽已逐漸回淤，回淤厚度達(dá)35m。但花園口附近新淤灘面仍較老灘低1m左右，孟津至沁河口河段從1935年至1985年，河床有沖有淤，基本上處于沖淤平衡狀態(tài)。其中1980年至1985年鐵榭花園口，花園口夾河灘河段不僅不淤，還略有微沖。自1985年以來(lái)，由于黃河上中游出現(xiàn)一段相對(duì)枯水年系列，加上大型水庫(kù)的徑流調(diào)節(jié)，灌溉引水和水利、水土保持減水減沙的作用，汛期來(lái)水來(lái)沙減少，洪峰次數(shù)少，洪量小，含沙量高，尤其是中常洪水很少，平水期歷時(shí)明顯加長(zhǎng)。根據(jù)1986年1989年的統(tǒng)計(jì)資料共有35個(gè)來(lái)水過(guò)程，其中大于6000m3/s的洪峰僅有4次，最大一次洪峰流量為7600m3/s(1988年)；20006000m3/s的中常洪水也僅16次，另外有15次洪水均小于2000m3/s，由于洪峰流量小，除1988年洪水漫灘外，其它洪水基本上不漫灘，或只淹部分低灘，故灘地淤積不大，但由于小水帶大沙，而且都在主槽中流動(dòng)，故主槽有累積性淤積。主槽為洪水下泄的主要通道，主槽過(guò)水?dāng)嗝娴目s小必將嚴(yán)重影響泄洪能力，一旦出現(xiàn)較大流量，被迫抬高相應(yīng)的洪水位。3.1.2“92.8”洪水期間主槽大量淤積由“92.8”洪水流量、含沙量過(guò)程線(圖1、圖2)可看出，花園口河段“92.8”洪水過(guò)程由前后4個(gè)洪峰組成，其中前三個(gè)洪峰流量在28003800m3/s，流量不大，但相應(yīng)的含沙量小浪底站實(shí)測(cè)值要比花園口實(shí)測(cè)值高約200kg/m3，13日15日小浪底實(shí)測(cè)含沙量在400kg/m3左右，小水帶大沙，必然在主槽中形成大量淤積。據(jù)輸沙率法粗估，小浪底花園口河段自1992年8月11日1992年8月15日時(shí)進(jìn)出沙量為凈增2.5億t，這使前期主槽淤積有進(jìn)一步發(fā)展，當(dāng)?shù)?個(gè)洪峰到來(lái)時(shí)，造成花園口出現(xiàn)小流量高水位現(xiàn)象。造成花園口第4個(gè)洪峰到來(lái)之前小洪峰大沙峰的現(xiàn)象，除了與來(lái)水來(lái)沙不利組合有關(guān)外，還與三門(mén)峽水庫(kù)庫(kù)區(qū)前期淤積有直接關(guān)系。自1986年以來(lái)，特別是進(jìn)入90年代后，黃河中游汛期來(lái)水偏枯，洪峰流量小，即使三門(mén)峽采用蓄清排渾的控制運(yùn)用，降低汛期水位排沙，但年內(nèi)未能達(dá)到?jīng)_淤平衡，1986年1989年潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)累計(jì)淤積0.35億m3，特別在1990及1991兩年內(nèi)，又增加淤積量1.6億m3。為了減輕三門(mén)峽庫(kù)區(qū)的淤積，1992年汛期，三門(mén)峽大壩所有泄洪設(shè)施全部敞開(kāi)泄洪排沙。在“92.8”洪水過(guò)程中，壩前水位降到298.1m。庫(kù)區(qū)發(fā)生沖刷，特別是潼關(guān)以下庫(kù)區(qū)沖刷量很大。據(jù)粗略估計(jì)，潼三區(qū)間自8月12日18時(shí)起至8月17日18時(shí)沖刷總量為1.8億t。由于三門(mén)峽庫(kù)區(qū)沖下來(lái)的泥沙粒徑偏粗，又因?yàn)楹榉宓秃榱啃?，?kù)區(qū)沖刷的泥沙大量淤積在黃河下游高村以上河段，這又進(jìn)一步促進(jìn)水位的抬高。3.1.3不利的來(lái)水來(lái)沙組成“92.8”洪水過(guò)程由三場(chǎng)大到暴雨所組成，其中第一場(chǎng)、第二場(chǎng)暴雨洪水傳播到下游雖然流量不大，但因雨區(qū)都分布在水土流失特別嚴(yán)重的地區(qū)，含沙量很高，加上三門(mén)峽庫(kù)區(qū)大量沖刷，使出庫(kù)洪水的含沙量進(jìn)一步升高，在小浪底站出現(xiàn)了自13日9時(shí)至15日18時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的含沙量高達(dá)400kg/m3的連續(xù)沙峰，黃河中下游洪水中的泥沙，含沙量越高，所含極細(xì)的泥沙顆粒越多，粘性越大，所需的能坡也將比低含沙量或清水所需的能坡為大，也就是說(shuō)，同流量的洪水位要比一般洪水的水位高。高含沙洪水在兩岸有約束的狹窄河道中會(huì)引起沖刷，而在小浪底之下的寬淺河道中高含沙洪水大量上灘，由于過(guò)水?dāng)嗝娲鬄樵黾?，流速大為減小。上灘的高含沙洪水，由于流速減小，紊動(dòng)減弱，將大致在10小時(shí)至20小時(shí)內(nèi)以群體沉降方式迅速落淤，同時(shí)撇出上部相對(duì)清水層。造成下游河道灘、槽的大量淤積，在沒(méi)有經(jīng)過(guò)較小清水洪峰調(diào)整河道主槽淤積的情況下，緊接著來(lái)一個(gè)第4次洪峰，造成花園口水位猛漲的現(xiàn)象。3.2關(guān)于洪峰流量增大的原因分析對(duì)“92.8”洪水期間潼關(guān)、三門(mén)峽、小浪底及花園口四站的輸沙率變化過(guò)程進(jìn)行粗略的計(jì)算(表2)可以看到，這四站連續(xù)6小時(shí)輸沙率的峰值與各站所測(cè)的含沙量的峰值是同時(shí)發(fā)生的。它們由上游往下依次出現(xiàn)在各站出現(xiàn)洪峰的時(shí)間之前(小浪底兩者幾乎是同時(shí)出現(xiàn)的