黃河非平衡輸沙典型事例及其研究概述

江恩惠，韓其為

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 泥沙研究所，北京 100048；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外的學(xué)術(shù)界和工程界都對(duì)沖積性河流的非平衡輸沙問題投入了極大的關(guān)注。近年來特別是由于一些大的水利工程的修建引起的泥沙問題（如三峽工程）強(qiáng)有力的推動(dòng)，使挾沙能力問題的研究從均勻沙向非均勻沙方面深化，并取得了一些重要成果［1-3］。以往對(duì)非平衡輸沙的研究，主要有兩類［4］。第一類［5-6］主要是從懸移質(zhì)紊動(dòng)擴(kuò)散方程出發(fā)，求解出含沙量恢復(fù)飽和過程的解析解或者數(shù)值解。第二類［2］是以韓其為為代表的引入含沙量恢復(fù)飽和系數(shù)直接推求平均含沙量沿程變化的研究。這類預(yù)報(bào)十分簡(jiǎn)便，在我國得到了廣泛應(yīng)用。但對(duì)于恢復(fù)飽和系數(shù)的取值目前仍停留在經(jīng)驗(yàn)階段。

眾所周知，水庫或河道的沖淤變形多集中在每年汛期，特別是汛期的頭一場(chǎng)或幾場(chǎng)較大洪水過程。如黃河干支流多年平均汛期來水來沙分別占全年總量的80%和90%，沖淤量也在70%以上。天然河流中（如黃河、長(zhǎng)江）汛期的水流泥沙相互作用表現(xiàn)為強(qiáng)烈的非恒定、非均勻泥沙輸移現(xiàn)象。尤其黃河泥沙含量比較大，非平衡輸沙問題更加突出，也產(chǎn)生了“洪峰增值”、“駝峰河段”等一些典型現(xiàn)象，并引起了廣泛的關(guān)注，不少專家學(xué)者也對(duì)這些問題做了大量的研究，作者在此通過近幾年的研究對(duì)黃河非平衡輸沙產(chǎn)生的典型事例相關(guān)研究成果，做以簡(jiǎn)單總結(jié)，有些觀點(diǎn)帶有探索性質(zhì)，供同行專家批評(píng)指正。

1 黃河下游調(diào)水調(diào)沙期間的“洪峰增值”現(xiàn)象及其研究成果綜述

1.1 洪峰增值現(xiàn)象 小浪底水庫自1999年汛后運(yùn)用以來，為黃河下游河道防洪、減淤、引水灌溉及防凌等發(fā)揮了重要作用。但在水庫蓄水?dāng)r沙與異重流排沙運(yùn)用時(shí)，下游河道水沙演進(jìn)出現(xiàn)了一些新的異常現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為水庫異重流排出高含沙洪水后，下游洪峰出現(xiàn)增值，且增幅很大。2004年8月22日14時(shí)至30日12時(shí)，小浪底水庫實(shí)施異重流排沙運(yùn)用，出庫最大洪峰流量為2680m3/s，實(shí)測(cè)最大含沙量352kg/m3，平均含沙量112 kg/m3，泥沙顆粒級(jí)配較細(xì)，中值粒徑平均約0.008mm。期間沁河、伊洛河流量之和不足200 m3/s，水流幾乎為清水，而演進(jìn)到下游128km的花園口站，實(shí)測(cè)最大洪峰流量卻高達(dá)3990 m3/s，洪峰增值達(dá)38.9%，孫口兩站最大洪峰實(shí)測(cè)值與夾河灘站接近，從而出現(xiàn)了小浪底到花園口河段洪峰流量急劇增大、夾河灘至孫口河段幾乎不削峰的異?，F(xiàn)象［7］。

洪峰增值現(xiàn)象也是黃河非平衡輸沙的一個(gè)典型現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在20世紀(jì)70年代就發(fā)現(xiàn)了，但一直未得到圓滿解釋，而“04.8”洪水洪峰異常增值現(xiàn)象出現(xiàn)后，受到了很多治黃科技工作者的高度重視，并相繼提出了很多關(guān)于洪峰異常增值成因的觀點(diǎn)，如“局部沙壩”、“漿河陣流”、“擠壓或聚集”、“孤立波”、“水躍”等［8］。但這些觀點(diǎn)均無法成功解釋“04.8”和“05.7”洪水洪峰增值的原因。在“04.8”洪水期間，并無資料反映黃河下游出現(xiàn)“局部沙壩”，即使出現(xiàn)少量的“局部沙壩”，也不能保證洪峰流量一直到孫口也不削峰；此外，“04.8”水沙過程與河道邊界特性不具備出現(xiàn)“漿河陣流”、“孤立波”及“水躍”的條件；對(duì)于“擠壓或聚集“，在任何一場(chǎng)洪水漲峰過程中，均存在這一問題，因此這與洪峰異?！霸鲋怠北憩F(xiàn)無關(guān)。

李國英［9］、江恩惠［10］等通過對(duì)“洪峰增值”現(xiàn)象的系統(tǒng)研究，認(rèn)為糙率的減小是洪峰增值的主要原因。

1.2 洪峰增值理論研究

1.2.1 基于力學(xué)分析的洪峰增值機(jī)理研究 江恩惠等通過選取單位河寬的河流微段（見圖1），對(duì)運(yùn)動(dòng)水流中一微小流段進(jìn)行受力分析，推導(dǎo)出［10］。

式中：u為水流瞬時(shí)流速；t為時(shí)間；g為重力加速度；Jf為附加比降； β0為河床底坡角度；h為平均水深；n河道綜合糙率。

認(rèn)為對(duì)于某一特定的河流、特定的漲峰過程而言，式（1）中第一項(xiàng)的兩個(gè)因素，河流底坡在一場(chǎng)洪水期間不會(huì)出現(xiàn)較大的調(diào)整；同時(shí)，附加比降的變化也不會(huì)太大。然而，受河道邊壁及挾沙水流內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整變化的影響，式（1）中第二項(xiàng)對(duì)水流加速度的影響有時(shí)可能表現(xiàn)的較為突出。分析第二項(xiàng)的因素組成可以看出，水流的平衡比降與糙率有直接關(guān)系，說明糙率的變化將直接影響洪水演進(jìn)加速度的變化。糙率增大，水流減速，槽蓄增加，洪峰坦化；糙率減小，水流加速，洪峰增值。

1.2.2 基于水動(dòng)力學(xué)的洪峰增值機(jī)理研究 天然河道中的洪峰演進(jìn)過程，主要受上游來流條件、河道前期水流條件、河道形態(tài)及水流與河道之間的相互作用關(guān)系等方面的影響。李國英［7］基于一維水流運(yùn)動(dòng)方程整理簡(jiǎn)化，得方程（2）：

式中：Q0為t0時(shí)刻、x0位置的斷面平均流量Q0(t0,x0)；Qi為水流從x0位置歷時(shí)(ti-t0)后在xi位置的斷面平均流量Qi( )ti,xi，ti＞t0，xi＞x0，if為河道水力坡度（包括床面阻力、自由表面風(fēng)應(yīng)力等；通常由曼寧公式確定，即為水面坡度，其他符號(hào)意義詳見文獻(xiàn)［7］。

由式（2）可知，洪水是否出現(xiàn)流量增值，取決于iw是否大于if。文獻(xiàn)［7］對(duì)此進(jìn)行了深入分析，認(rèn)為洪水能否發(fā)生洪峰增值，主要取決于河床阻力減小的幅度大小，即取決于河道糙率減小的幅度大小。

綜合以上兩種分析表明，對(duì)于不漫灘洪水而言，洪水在河槽中演進(jìn)，前期的清水過程，對(duì)河床沖刷，河床發(fā)生粗化，隨著高含沙水流的到來，特別是含有極細(xì)沙的水庫異重流在河槽中的演進(jìn)，前期被粗化的河槽會(huì)附著泥漿，以至減小壁面及河床底部的糙度，使阻力系數(shù)明顯減小。因此，后續(xù)水流流速加大，并逐漸趕上前方水流，發(fā)生洪峰疊加。

1.3 減阻水槽試驗(yàn) 江恩惠［11-13］等開展了相關(guān)減阻水槽試驗(yàn)，試驗(yàn)在長(zhǎng)22m、寬0.3m、高0.5m的玻璃水槽中進(jìn)行，試驗(yàn)主要在3種床面條件下開展，底部分別為光滑水泥面、加糙床面及粗糙水泥面。水流循環(huán)時(shí)，攪拌池中的渾水經(jīng)過電磁流量計(jì)以及輸水管道流向水槽，再經(jīng)過回水池返回?cái)嚢璩?，以此保持長(zhǎng)時(shí)間水的循環(huán)以及含沙量的穩(wěn)定。試驗(yàn)中所采用的3種原型沙，其中值粒徑d50分別為0.0077m、0.011mm和0.019mm。

水槽試驗(yàn)表明：含有極細(xì)沙的水流對(duì)河道有一定的減阻作用，這再次說明了小浪底異重流排沙期間河道糙率有減小的可能性；在光滑水泥面以及在光滑水泥面上加糙的床面形態(tài)，有減阻現(xiàn)象但不很明顯；在粗糙床面上，糙率系數(shù)隨著含沙量的增大而減小，但當(dāng)含沙量為60～100kg/m3時(shí)，糙率變化比較平緩，超過100kg/m3時(shí)，糙率又隨含沙量的增加而減??；對(duì)于不同級(jí)配的懸沙，當(dāng)含沙量超過某一臨界含沙量以后，糙率隨含沙量的增大而減小，且細(xì)顆粒含量越大，減阻現(xiàn)象越明顯。

1.4 數(shù)學(xué)模型在實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的應(yīng)用 江恩惠、趙連軍［7，10］通過對(duì)黃河下游高含沙洪水期河道糙率變化規(guī)律研究，建立了黃河下游糙率公式，完善了黃河下游準(zhǔn)二維非恒定流水沙數(shù)學(xué)模型，并模擬了2004、2005年黃河調(diào)水調(diào)沙期間異重流高含沙洪水在下游河道演進(jìn)過程中發(fā)生洪峰增值的變異現(xiàn)象，模型計(jì)算成功復(fù)演了這兩年的洪峰增值情況。在2008年調(diào)水調(diào)沙期，當(dāng)小浪底水庫異重流排沙實(shí)施之后，利用該模型進(jìn)行了跟蹤預(yù)報(bào)計(jì)算，模型計(jì)算的花園口量大洪峰流量為4620m3/s，與實(shí)測(cè)資料非常接近，增值過程與實(shí)測(cè)資料也基本一致。

2 “駝峰”河段的形成原因

2.1 “駝峰”現(xiàn)象 “駝峰”河段現(xiàn)象是對(duì)近期黃河下游各河段排洪能力不一致，表現(xiàn)為“上下大、中間小”，類似駱駝峰的形象稱呼，來源于反映排洪能力的指標(biāo)——平灘流量在下游河道的沿程變化過程（圖2）。隨著2002年以來調(diào)水調(diào)沙試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐的進(jìn)行，下游全程發(fā)生了明顯沖刷，河槽面積有效擴(kuò)大，過洪能力顯著增加。但是相對(duì)于上下游河段，高村—艾山河段過洪能力增大幅度仍較小，到2008年汛前高村以上平灘流量超過5000m3/s、濼口以下平灘流量超過4000m3/s，但高村—艾山仍未達(dá)到4000m3/s，排洪能力“上下大、中間小”的“駝峰”現(xiàn)象仍然存在，成為調(diào)水調(diào)沙的瓶頸河段，限制了大流量的泄放，影響到調(diào)水調(diào)沙沖刷河道的效果。

“駝峰”河段的存在是河流在自我塑造過程中的一個(gè)自然現(xiàn)象，也是黃河下游非平衡輸沙的一個(gè)典型現(xiàn)象。實(shí)際上，“駝峰”河段在過去一直有，但是由于社會(huì)因素和經(jīng)濟(jì)條件決定了在不同時(shí)期人們關(guān)注問題的不同，另外不同時(shí)期治河的聚焦點(diǎn)也是不同的，在以前“駝峰”河段的概念提得相對(duì)較少。但是20世紀(jì)90年代以來，隨著河槽快速、急劇的萎縮，特別是隨著科學(xué)治河理念的進(jìn)步，目標(biāo)要求的進(jìn)一步提高，技術(shù)手段完善，調(diào)度要求的精細(xì)等，“駝峰”河段的問題也就日益突出［14］。

2.2 “駝峰”河段形成原因研究

2.2.1 資料分析 張曉華［15］、夏軍強(qiáng)［16］等對(duì)“駝峰”河段的形成原因做了初步的分析，結(jié)合其相關(guān)成果及相關(guān)試驗(yàn)研究成果，認(rèn)為“駝峰”河段的形成原因主要有以下因素組成。

（1）水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是“駝峰”河段形成的前提條件?！榜劮濉焙佣蔚男纬膳c不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系有著緊密的聯(lián)系。資料分析表明，1950年代黃河下游基本上是槽淤積20%左右，灘淤積80%左右。但是，1986年以后，主槽淤積70%，灘地淤積30%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1986—1999年黃河下游主槽淤積量占全斷面淤積量的比例達(dá)到72%，是各時(shí)期中比例最高的。高村—艾山河段的灘地淤積比也接近70%。

河道萎縮、洪水明顯減少，導(dǎo)致在非漫灘洪水的淤積比重占到全淤積量的比重明顯增加，為“駝峰”河段的形成奠定了基礎(chǔ)。

（2）河床縱剖面的影響。高村至艾山河段，位于黃河桃花峪沖積扇與東壩頭沖積扇兩個(gè)的疊加區(qū)，該河段的地形條件也決定了該河段一直處于淤積抬升之中。一般河流縱剖面的形態(tài)和河床比降的變化，與地形的初始條件相適應(yīng)。也就是說，縱剖面的形態(tài)和比降大小受地形輪廓所制約。從黃河下游河道的形成來看，蘇泗莊—孫口河段的地形條件決定其比降較緩，影響到高村—艾山河段的河道沖淤，更易于淤積。

（3）其它因素對(duì)“駝峰”河段的影響。高村—艾山為黃河下游過渡型河段，艾山以下為彎曲型河段，河道逐漸變窄，形成的卡口對(duì)“駝峰”河段有一定的影響。該河段的浮橋建設(shè)密度較高以及引水等，對(duì)“駝峰”河段的形成也有一定的影響。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型模擬研究 趙連軍［17］等在開展黃河下游河道不同治理模式未來沖淤預(yù)測(cè)研究中，利用準(zhǔn)二維非恒定流水沙數(shù)學(xué)模型對(duì)165年水沙系列進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，165年內(nèi)在黃河現(xiàn)狀方案下小浪底—利津河段河道平均抬升了4.84m，平均淤積速率為0.029m/年。其中，抬升最高的是孫口—艾山河段，共抬升了8.73m；抬升最低的是小浪底—花園口河段，共抬升了3.49m，見表1所示。在4000m3/s的流量下，計(jì)算的165年初始與最終的水位抬升值，如表2所示。也表明在孫口—艾山段抬升的最高。說明該河段從輸沙上來講，是易形成“駝峰”河段的。

表1 165年后黃河下游各河段累計(jì)淤積厚度計(jì)算值 （單位：m）

表2 流量為4000m3/s時(shí)各站165年后水位抬升值 （單位：m）

2.2.3 治理措施 水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)是“駝峰”河段形成的主要原因，對(duì)于“駝峰”河段的治理首先就是要改善這種不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，目前黃河水利委員會(huì)開展的水沙調(diào)控體系的建設(shè)以及調(diào)水調(diào)沙的運(yùn)行，對(duì)“駝峰”河段的改善起到了積極的作用；其次，可以通過改變河道不利的邊界條件來改善“駝峰”河段的不利態(tài)勢(shì)，如通過挖河疏浚等措施；通過改變“駝峰”河段下游東平湖水庫的運(yùn)用方式，適機(jī)選擇洪水沖刷艾山以下河道，不但艾山以下河道的過洪能力會(huì)得到恢復(fù)，而且還能起到降低“駝峰”河段侵蝕基準(zhǔn)面的作用，對(duì)“駝峰”河段的治理有一定作用；同樣，黃河河口的綜合治理，也會(huì)有利于“駝峰”河段不利形態(tài)的改善。

3 結(jié)語

通過對(duì)黃河非平衡輸沙幾個(gè)典型事例分析，認(rèn)為挾帶極細(xì)沙的水流會(huì)引起河道糙率的減小，在一定的條件，調(diào)水調(diào)沙期間就會(huì)出現(xiàn)“洪峰增值”現(xiàn)象，對(duì)黃河防洪極為不利，因此通過數(shù)學(xué)模型開展洪峰值的預(yù)報(bào)十分必要；“駝峰”河段主要是由于不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系及地質(zhì)條件影響逐步形成的，可以通過構(gòu)建水沙調(diào)控體系，開展調(diào)水調(diào)沙結(jié)合挖河疏浚，改善“駝峰”河段不利形態(tài)。

本文列舉的黃河中的一些特殊現(xiàn)象都屬于非平衡輸沙的范疇，這些特殊現(xiàn)象也為黃河治理開發(fā)帶來許多問題，也是黃河研究中最復(fù)雜、最困難的問題。受制于人們對(duì)河流泥沙動(dòng)力學(xué)的認(rèn)識(shí)、實(shí)測(cè)資料的匱乏以及測(cè)量?jī)x器的限制，對(duì)上述問題的研究有待于開展更深入的研究，為黃河的長(zhǎng)治久安提供科學(xué)的理論支撐。

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