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黄河下游漫滩洪水的淤滩刷槽作用

张原锋 胡一三 申冠卿
责任编辑:范江涛 来源:

  多沙河流发生漫滩洪水时出现的滩地淤积、主槽冲刷或少淤现象,称为淤滩刷槽。黄河是著名的多沙河流,下游河道断面形态为复式断面,尤其是受1855年铜瓦厢决口改道影响的东坝头以上河段断面形式更为复杂,可分为枯水槽、嫩滩、二滩、高滩四部分,枯水槽与嫩滩合称为主槽,淤滩刷槽的槽指的是主槽,滩指的是主槽以外的部分。

漫滩洪水的滩槽冲淤特性

  1957年汛后,花园口断面主槽是黄河下游输水输沙的主要通道,漫滩洪水期间,其过流能力一般可达全断面过流能力的70%,输沙能力可达全断面的90%。若以花园口水文站洪峰流量大于平滩流量的洪水作为黄河下游漫滩洪水,则1950至1999年黄河下游共发生漫滩洪水51次,其中洪水漫滩系数(洪峰流量与平滩流量之比)大于1.5的大漫滩洪水17次,平均3年一次。

  黄河下游大漫滩洪水的水沙特点:①洪峰流量大。17次大漫滩洪水中,花园口水文站洪峰流量最大为22300立方米每秒(1958年7月),平均为10310立方米每秒。②含沙量高。黄河水沙年内分布不均,泥沙主要集中于汛期,汛期泥沙又集中于洪水期,因此黄河下游洪水期泥沙含量很高,许多大洪水就是高含沙洪水。17次大漫滩洪水中,6次为每立方米含沙量大于200千克的高含沙漫滩洪水。其中1977年8月大漫滩洪水,花园口水文站最大洪峰流量10800立方米每秒,最大含沙量达546千克每立方米。③滩槽水沙交换剧烈。涨水时,主流两侧滩地阻力大,主流区水面高于两侧水面,形成由主流区流向两侧滩地的环流,并把一部分泥沙由主槽搬运到滩地。同时,因滩地上有串沟、汊河,水流漫滩后,主槽的泥沙通过串沟、汊河送至滩地。另外,黄河下游河道平面形态为宽窄相间,当水流由窄河段进入宽河段时,一部分水流由主槽进入滩地,滩地水深小、流速缓,进入滩地的泥沙大量淤积;当水流从宽河段进入下一个窄河段时,来自滩地的较清水流与主槽的水流掺混,降低了进入下一河段的含沙量。滩槽水流的交换造成槽滩泥沙交换,将主槽泥沙搬至滩地。因此,黄河下游漫滩洪水的演进表现为流量、含沙量沿程递减。

  一般情况下,大洪水漫滩后,滩地严重淤积,主槽发生冲刷,淤滩刷槽作用显著。黄河下游典型大漫滩洪水的滩槽冲淤量,滩地淤积量采用实测断面资料,全断面总冲淤量由洪水期沙量平衡法可知,主槽冲淤量为总冲淤量减去滩地淤积量。研究得出:①典型大漫滩洪水过后,均为滩淤槽冲。如1958年洪水,花园口水文站最大洪峰流量为22300立方米每秒,相应含沙量为146千克每立方米,黄河下游花园口—艾山河段滩地淤积9.2亿吨,主槽冲刷6.1亿吨;艾山—利津河段滩地淤积约1.5亿吨,主槽冲刷约2.0亿吨。②随着滩地淤积量增大,主槽冲刷量也增大。③除艾山—利津窄河段外,一般滩地淤积量大于主槽冲刷量。典型大洪水黄河下游河道都是淤积的,因淤滩刷槽,故总淤积量并不大。如1957年洪水,滩地淤积5.27亿吨,主槽冲刷4.44亿吨,总淤积量仅为0.83亿吨。④艾山—利津窄河段,由于上游宽河段的泥沙淤积改善了水沙条件,因此大部分洪水不仅主槽发生冲刷,全断面总体上也是冲刷的。

  黄河下游滩地淤积量与洪水漫滩程度密切相关。洪水漫滩系数是反映洪水漫滩程度的重要指标,漫滩系数越大,洪水漫滩程度越大,进入滩地的水沙量越大,滩地淤积就越多。滩地淤积量随着漫滩系数的增大而增加的趋势明显,当漫滩系数大于1.5时,滩地淤积量明显增加。可见,漫滩系数大于1.5时,黄河下游漫滩洪水具有显著的淤滩刷槽作用。

淤滩刷槽的机理分析

  黄河下游漫滩洪水滩地均发生淤积,主槽的冲淤取决于主槽输沙能力与来沙量的对比关系,输沙能力大于来沙量则主槽冲刷,反之则淤积。影响主槽输沙能力的主要因素为水沙条件和河床边界条件。

  漫滩洪水的滩槽水沙交换主要为主槽含沙量较高的浑水进入滩地,在滩地沉沙后,含沙量较低的水流回归主槽。本研究依据黄河下游1960至2004年平均流量大于1000立方米每秒的130场非漫滩洪水资料,研究河道冲淤比(冲淤量与来沙量之比)与洪水期水沙搭配系数K之间的关系。可以得出:当K值较小时,河道发生冲刷;当K值约为0.08时,河道基本处于不冲不淤状态;K值进一步增大时,河道转为淤积,且随着K值的继续增大,冲淤比也相应增大。可见,河道的冲淤与K值关系密切,随着K值的增大,冲淤比逐渐增大。

  根据黄河下游典型漫滩洪水冲淤比与水沙搭配系数的关系可知,尽管漫滩洪水的点据较少,但是其表现出的河道冲淤比与K值之间的关系与非漫滩洪水基本一致,黄河下游漫滩洪水与非漫滩洪水的河道总冲淤量遵循同样的变化规律。这与陈宝国等人提出的“漫滩洪水全断面冲淤量随含沙量的变化趋势与不漫滩洪水主槽冲淤量的基本一致”的观点基本相同。也就是说,在同样水沙条件下,无论洪水漫滩与否,河道全断面的冲淤量变化不大。因此,漫滩洪水造成的滩地大量淤积,在全断面淤积量不变的情况下,必然增加主槽的冲刷或减少主槽的淤积。

  当洪水漫滩时,滩槽交界面附近水深发生急剧变化,水面形成许多大大小小的旋涡,产生次生流及螺旋流,水流紊动强度大于主槽和滩地的,使滩槽水体发生大量的质量交换。多沙河流滩槽质量交换包括水体及悬移质泥沙的交换,主要有三种方式:水位升高时滩槽间的水沙交换,滩槽交界面附近的紊动扩散引起的水沙交换,惯性力引起的水沙交换。由于滩地阻力较大,滩地流速低、挟沙能力小,进入滩地的泥沙大部分淤积下来。黄河下游河道平面形态为宽窄相间的藕节状,进入滩地的含沙水流,往往在其下一窄河段回归主槽。回归主槽的水流基本为清水,降低了主槽含沙量,使得洪水水沙搭配系数减小,使主槽发生冲刷或少淤。

主槽减淤分析

  从泥沙动力学的角度来看,河床冲淤取决于水流挟沙能力与来流含沙量的对比关系,当来流含沙量大于水流挟沙能力时,水流处于超饱和输沙状态,河床淤积;反之,当来流含沙量小于水流挟沙能力时,水流处于次饱和输沙状态,河床冲刷。同样,黄河下游漫滩洪水期间,主槽的冲淤取决于主槽来流含沙量与主槽水流挟沙能力的对比关系。漫滩洪水情况下,主槽水流挟沙能力的增大取决于滩槽水沙交换作用及主槽横断面形态的改善;主槽含沙量取决于河段进口水流含沙量及滩槽水沙交换对来流含沙量的改变程度。当主槽含沙水流处于次饱和状态时,主槽发生冲刷;当主槽含沙水流处于超饱和状态时,主槽发生淤积。

  当来沙系数大于临界值时,主槽水流处于严重的超饱和状态,主槽发生淤积。在此情况下,漫滩洪水的滩槽水沙交换减小了主槽水流含沙量,主槽断面形态的改善增加了水流挟沙能力,调整后的主槽挟沙能力与含沙量的对比关系有利于降低主槽水流的超饱和输沙程度,因此能减小主槽的淤积量。

  综上,淤滩刷槽是指多沙河流发生漫滩洪水时出现的滩地淤积、主槽冲刷(或少淤)的现象。漫滩洪水的滩槽水沙交换及主槽断面形态的改善是造成淤滩刷槽的主要原因。漫滩洪水的淤滩刷槽可减少河道的总淤积量,同时改善主槽的横断面形态。在漫滩洪水调度时,为减少主槽及河道的淤积,可将漫滩洪水来沙系数和洪水漫滩系数作为洪水调度的调控指标。


发布时间:2017年07月25日
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