高含沙洪水输水输沙特性及对河道的破坏作用与机理研究.doc

1 高含沙洪水输水输沙特性及对河道的破坏作用与机理研究摘要: 本文通过原型、模型实测资料分析, 论述了黄河下游高含沙洪水河床演变规律及高含沙洪水在窄深河槽形成前后输水输沙特性的变化、现行河床条件下高含沙洪水造成洪水传播特性异常的原因和高含沙洪水对河道的破坏作用, 意在指出小浪底水库正常运用期内要尽可能地避免出现高含沙洪水或少出现高含沙洪水。关键词:高含沙洪水造床规律窄深河槽输水输沙特性险情 1 前言近年来,尤其是 90 年代以来,黄河上、中游汛期、非汛期来水量均明显下降, 但沙量减少甚微, 据统计, 90 年代华县站减水 亿 m3 , 减沙 亿t, 减水、减沙分别占 2 前期( 1950 ~ 1969 年)的 44% 、 32 %,说明 90 年代水减得多, 沙减得少, 水少沙多的矛盾更加突出, 高含沙洪水出现的机遇增加, 势必给黄河下游河道冲淤演变及防洪带来一些新的问题。“ ”洪水出现的异常现象就充分说明了这一点。因此, 进一步分析、研究高含沙洪水的造床机理和输沙特性, 对黄河下游的防洪、河道整治等一系列工作有着积极的作用。 2 高含沙洪水窄深河槽形成前后输水输沙特性变化文献[1] 曾经对高含沙洪水造床规律进行了详细的分析和讨论, 在此不再过多赘述。我们知道高含沙洪水在黄河下游( 特别是游荡性河段) 通行时,不会一开始就形成高滩深槽, 往往在峰前首先发生大漫滩,洪水漫滩之后,流速滞缓,造成滩地的大量淤积, 形成新的滩唇, 而后水流才集中河槽下泄, 单宽流量增加, 流速增大, 挟沙能力随之提高, 当挟沙能力增大到一定程度之后, 才会引起主槽揭底冲刷, 河床下 3 切, 窄深河槽方得以形成。根据黄河花园口至东坝头河段动床模型观测发现[2]: 来童寨断面高含沙洪水塑造的窄深河槽形成前后,过水面积下降 % ,而流速增大 % ;九堡断面过水面积下降 % , 流速增大 % , 挟沙能力提高 2 倍以上。图1 花园口至来童寨河段排沙比与进口含沙量的关系 Relationship of sediment discharge from Huayuankou to Laitongzhai with inlet sediment concentration 高含沙水流的输沙能力可以用河段排沙比来直观地反映。通过黄河花园口至东坝头河段河道动床模型试验测得的花园口至来童寨河段排沙比与进口含沙量的关系(图 1), 可以看出, 随着进口含沙量的增大, 排沙比越来越小, 造成河道的严重淤积, 一旦进口含沙量大到一定程度以后, 排沙比又明显增大。说明, 黄河下游河道高含沙洪水对河道冲淤变化过程是极其复杂的, 不是简单相关, 挟沙能力关系并不是唯一的,而是一个多值关系。江恩惠也曾对此进行过分析[3] , 认为在同一水力条件( V3/gH ω0)下, 挟沙力 S* 随含沙量 S 增大而增大,揭示了黄河下游常见的“多来多排”的特性。同 4 时也反映出河道的输水输沙能力与河床的初始状态有密切关系。天然情况也如此[4] 。例如, 1977 年7 月的高含沙洪水由于前期河床宽浅, 涨水期流量大于 4800m3/s 时, 洪水大量漫滩,滩地淤积严重,淤积厚度 1m 左右,河道过水宽度缩窄,形成相对窄深的河槽。此后,洪峰期( 8010m3/s )洪水集中河槽下泄, 主槽发生强烈冲刷, 平均河床下切 2m 左右。落水后流量为 5000m3/s 时, 花园口水位与涨水前同流量水位相比降低 1m 多, 夹河滩水位降低 左右。经过 7 月份高含沙洪水的造床过程, 河道内形成了相对的高滩深槽( 即所谓的窄深河槽), 致使 8 月份洪水到来时, 80% 的主流集中在 7 月份洪水所形成的窄深河槽内运行, 洪水陡涨到 10800m3/ s 时, 漫滩水流比例反倒不像 7 月份洪水时那么大, 上滩的那部分水沿7 月份洪水在横断面上形成的倒比降迅速漫向两岸(或老滩沿) ,同时受上次滩唇的阻挡,漫滩水为主河道表层含沙量相对较小、水流挟带颗粒较细的那部分水, 因而本场高含沙洪水造成滩地淤积厚度仅为 , 远不及 7 月份洪水淤积严重。由于长期以来河床一直处于淤积状态,河道过洪能力大大降低, “ ”洪水前,平滩流量由 5000m3/s 降为 5 3500m3/s 。因此在 1992 年8月 14 日流量仅为 3220m3/s 时, 原阳双井一带二滩即开始大量漫水,泥流入滩,流速滞缓, 从而加重了滩地淤积, 致使 6240m3/s 洪峰过后, 花园口一带滩唇淤积厚度达 ~ 2m , 形成了相对高滩深槽[5] 。但是, 本次高含沙洪水由于持续时间较短, 窄深河槽没有再向下游发展。为了更清楚地说明本