黃河下游河道平衡輸沙的能力學(xué)分析

黃河下游河道平衡輸沙的能力學(xué)分析

1黃河下游巨大的沙輸能力注釋了“少沙多水”1.1利津的主要含沙量（1）表1顯示了黃原規(guī)劃設(shè)計(jì)院于20世紀(jì)60年代9月15日至1966年10月31日（總時(shí)間35.957天）計(jì)算的397次洪水（總時(shí)間3095天）的沖泥和沉積物損失：三黑市（南門、雅洛河黑石關(guān)、沁河小東站）總水流788億3m（平均流量2563指標(biāo)s）和47億t（平均含沙量44.8kg/m2）。利津站徑流量6998億m3(平均流量2458m3/s),輸沙量271億t(平均含沙量38.8kg/m3)。盡管三門峽至利津淤積33.7億t,占來沙的10.3%,但是出利津的平均含沙量為38.8kg/m3,大于同期(36年)全部來水含沙量26.8kg/m3的44.4%。(2)值得注意的是,如果去掉20次高含沙洪水,共有普通洪水377次(總歷時(shí)3152d),則三黑小來水量6982億m3(日平均流量2527m3/s),來沙260億t(平均含沙量37.3kg/m3)。利津來水量6721億m3(日平均流量2460m3/s),來沙244億t(平均含沙量36.3kg/m3)。全下游河道不僅未淤,而且沖刷3.58億t。利津含沙量大于36年來水平均含沙量的35.4%。這是接近平衡輸沙的情況。(3)20次高含沙洪水(總歷時(shí)143d),來水316億m3(平均流量2554m3/s),來沙66.7億t(平均含沙量211kg/m3)。利津水量277億m3(平均流量2230m3/s),輸沙量27.1億t(平均含沙量97.8kg/m3)。全河道淤積37.2億t。但是出利津的含沙量卻高達(dá)97.8kg/m3。當(dāng)然這是超飽和輸沙的情況,利津含沙量為多年平均含沙量的3.65倍。綜上所述,可以看出如下兩點(diǎn):第一,普通洪水利津站的含沙量為36.3kg/m3,這是接近平衡輸沙的輸沙能力,遠(yuǎn)大于1960～1996年共36年的平均含沙量26.8kg/m3;第二,高含沙量洪水盡管淤積了37.2億t,但是利津含沙量仍達(dá)97.8kg/m3,當(dāng)然這是超飽和輸沙的情況。1.2沖刷臨界流量文獻(xiàn)給出了黃河下游游蕩河段與彎曲河段在平衡輸沙條件下的輸沙能力公式:S*1=0.000189Q0.8051ω0.921(1)S*2=0.000113Q0.8722ω0.922(2)式中:Q1、Q2分別為兩種河段的流量;ω1、ω2為泥沙沉速;公式中有關(guān)單位以m、s、kg計(jì)。取全河平均沉速ω=0.00183m/s,即ω0.92=0.00303(花園口為ω0.92=0.00316,利津ω0.92=0.00289)時(shí),當(dāng)流量為2000m3/s時(shí),花園口挾沙能力為28.33kg/m3,利津?yàn)?8.19kg/m3;當(dāng)流量為2500m3/s時(shí),花園口挾沙能力為33.91kg/m3,利津?yàn)?4.25kg/m3。這表明,山東河段沖刷的臨界流量應(yīng)在2000～2500m3/s。其次,按花園口流量為377次洪峰流量平均值2662m3/s計(jì)算的含沙量為35.67kg/m3;按利津流量為377次洪峰流量平均值2460m3/s計(jì)算的含沙量為33.86kg/m3?？梢娕c377次實(shí)測(cè)含沙量35.1kg/m3和36.3kg/m3已很接近,但仍略小。這是合理的,因?yàn)?77次洪水的流量是波動(dòng)的,它的第一造床流量必定大于它們的平均流量,因此平均流量對(duì)應(yīng)的挾沙能力,必小于實(shí)際挾沙能力。這也從理論上說明了黃河下游輸沙能力較之來水含沙量是很大的。1.3水沙搭配的思考黃河“水少沙多”成為黃河特性概括的名言,這是完全符合實(shí)際的。但這是有前提的,這個(gè)前提是針對(duì)天然水沙搭配而言的。事實(shí)上,377場(chǎng)普通洪水,利津水量6721億m3,占1960～1996年36年總水量14408億m3的46.6%,來沙量244億t,占36年總來沙量386億t的63.2%。這是水沙搭配較好的情況。顯然,采取類似的搭配,難道不能用53.4%的水,輸走36.8%的沙嗎?可見“水少沙多”是可以通過人為“搭配”水沙關(guān)系,即依靠調(diào)水調(diào)沙在一定條件下解決。事實(shí)上,如按377場(chǎng)普通洪水的利津含沙量36.3kg/m3、流量2468m3/s進(jìn)行分析,則排走36年總沙量386億t僅需水10632億m3,尚有清水3776億m3。由于1961～1964年三門峽水庫蓄水和滯洪運(yùn)用,水庫淤積了40余億t泥沙,致使下游河道來沙偏少,因此上述分析包括了這段時(shí)間,是有利的情況。如果去掉1960～1964年,即從1964年11月至1996年6月,共來水12146億m3,來沙362億t,則按前述利津排沙標(biāo)準(zhǔn),則排走全部來沙需水9971億m3,占全部來水的82.1%,尚有清水2175億m3。2黃河下游的積累和平衡趨勢(shì)2.1泥沙沉速不變黃河下游是一條堆積性河道,形成了很長的游蕩型河段。但是河道在長期水流塑造過程中,特別是反饋引起的自動(dòng)調(diào)整,它會(huì)不斷地趨向平衡。這可從輸沙能力沿程對(duì)比看出來。由文獻(xiàn)所述公式得到山東河段輸沙能力與河南河段輸沙能力之比為W*s.2W*s.1=J1.1522n2.3840.1J1.1921n2.3020.2Q0.0150Q1.872B1.2Q1.805B1.1(3)此處設(shè)泥沙沉速不變;其中J1、J2、n0.1、n0.2、Q0前面已述及;Q1.805B1.1、Q1.872B1.2取文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù),分別為6.137×105、10.35×105,故得到W*s.2W*s.1=1.01。這表明在不引水、不漫灘,不考慮高含沙水流條件下,上、下河段輸沙能力幾乎是相等的。這是輸沙平衡趨向性的強(qiáng)烈表現(xiàn)。黃河下游河道各時(shí)期沖淤量見表2。從實(shí)際資料看,也是如此。前述377次普通洪水,下游河道沖刷3.58億t,約占來沙量的1.13%,也幾乎是平衡的。需要強(qiáng)調(diào)的是,1960年9月15日至1996年6月的36年中,下游河道淤積36.32億t,如果去掉高含沙量洪水淤積的37.22億t,則沖刷0.9億t,占來沙348億t的0.26%,仍然是基本平衡的。這與文獻(xiàn)式(17)得出的理論結(jié)果W*s.2W*s.1=1.01,是十分一致的。2.2不同流量下主流p黃河下游河道河型復(fù)雜,有游蕩型、彎曲型,其中還有一段過渡型,各河段輸沙規(guī)律及河道特性存在差異,將它們連接在一起,輸沙是很不均衡的。但經(jīng)過長期調(diào)整,黃河下游河床形態(tài)基本是均衡的?？砂聪率竭M(jìn)行輸沙均衡分析:S*=Κ(gω)0.92(J1.3641Q0.273n2.727ξ0.545)0.92=Κ(gω)0.92J1.2551Q0.251n2.508ξ0.501(4)若ω、Q沿程不變,當(dāng)上、下河段輸沙能力均衡時(shí),游蕩河段坡降增大,要依靠糙率加大,特別是河相系數(shù)加大來抵消;而彎曲河段,坡降減小,要靠糙率減少,特別是河相系數(shù)減小來補(bǔ)償。根據(jù)文獻(xiàn)的資料,按式(5)計(jì)算的不同流量下游蕩河段與彎曲河段挾沙能力的比值見表3。S*1S*2=(J1J2)1.364(n2n1)2.727(ξ2ξ1)0.545(5)可見,當(dāng)Q≤2000m3/s時(shí),S1*S2*>1,即游蕩河段輸沙能力大于彎曲河段;反之,當(dāng)Q≥3000m3/s時(shí),S1*S2*<1,即游蕩河段輸沙能力小于彎曲河段。可見,若上、下河段輸沙均衡調(diào)整,則水力因素J、n、Q及河床形態(tài)組成一個(gè)相對(duì)平衡體系。此外,我們還可對(duì)山東河道的形成做一推論。設(shè)最初它不是窄深,由于坡降小,一般流量時(shí)必然淤積,只有大流量時(shí)才發(fā)生沖刷,這樣久而久之就會(huì)變?yōu)檎?因此山東河道主要靠沖刷塑造。2.3沖淤臨界流量的計(jì)算前面指出了黃河下游不同河型及其之間都具有平衡趨向性,這是從整體和大量的平衡結(jié)果得出的。表3已經(jīng)明顯表示了不同流量上、下河段輸沙能力與平衡的一些偏離,但是這種偏離圍繞平衡點(diǎn)發(fā)生。平衡點(diǎn)即山東河段開始沖刷的臨界流量究竟是多少?這可以進(jìn)一步從文獻(xiàn)表1的水力因素看出。文獻(xiàn)表1給出了上、下河段流量1000～4000m3/s時(shí)的h、B、ξ、J、V。而據(jù)一般的挾沙能力公式,對(duì)于沖淤臨界點(diǎn),下式成立:V13h1/V23h2=1(6)由此可得Qc=2200m3/s。根據(jù)文獻(xiàn),按河相系數(shù)實(shí)測(cè)值分析,Qc=2500m3/s;按公式計(jì)算,Qc=2727m3/s。而根據(jù)表3計(jì)算,Qc=2100m3/s。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)同一理論體系和同一資料,但是從不同角度得到的,差別是由于理論值與實(shí)際數(shù)據(jù)之間有一些小的差別,或某些資料不完全閉合所致,因此可以取2200～2500m3/s作為山東河段沖刷的臨界流量,這正是黃河上頗為公認(rèn)的數(shù)據(jù)。這里只是強(qiáng)調(diào)山東河段沖刷存在臨界流量在理論上是有根據(jù)的。3低含沙水流,沖河南,淤山東(1)以往的一些資料表明,在一定條件下,黃河下游會(huì)出現(xiàn)河南河段(游蕩段)發(fā)生沖刷,而山東河段(彎曲段)發(fā)生淤積,這就是所謂“沖河南,淤山東”。從表2可看出,1960年9月15日至1964年10月和1973年10月至1996年6月的枯水期均是“沖河南,淤山東”。前者花園口至高村沖刷3.23億t,艾山至利津淤積1.38億t。后者在花園口至高村枯水期沖刷9.22億t,而高村至利津淤積14.46億t。不僅如此,1960年9月15日～1996年6月30日非汛期合計(jì),花園口至高村沖刷10.13億t,而高村至利津淤積25.60億t。此外,即令非汛期,低含沙水流“沖河南,淤山東”也是很明顯的。1960～1996年非汛期含沙量<20kg/m3的低含沙水流共5388d,三黑小來水3996億m3(平均流量858m3/s),來沙8.73億t(平均含沙量2.06kg/m3),下游河道共沖刷16.14億t,其中花園口至高村沖刷6.91億t、高村至利津淤積13.91億t,并且對(duì)于流量≤400、400～600、600～800、800～1000、1000～1500m3/s各級(jí)流量無一例外均是“沖河南,淤山東”。由于山東河道河槽寬僅及河南段的1/3左右,河長也較短,淤積對(duì)河床抬高影響大,因此“沖河南,淤山東”特別引人注目。這在小浪底工程前期論證中,曾是一個(gè)頗為擔(dān)心的問題。(2)從表2還可看出:與上述完全相反的是“淤河南,沖山東”現(xiàn)象,而且也十分明顯。1964年11月至1973年10月汛期,花園口至高村淤積15.17億t,艾山至利津沖刷0.64億t。1973年11月至1996年6月汛期,花園口至高村淤積22.57億t,艾山至利津沖刷5.87億t。1960年9月15日至1996年6月汛期,花園口至高村淤積29.67億t,高村至利津沖刷7.59億t,而艾山至利津沖刷10.43億t。(3)綜上所述,“沖河南,淤山東”只是事物的一面,另一面是其相反的“淤河南,沖山東”。這一點(diǎn),從前面理