來沙系數(shù)對河道沖淤的影響研究

馮宗　孫贊盈　彭紅　尚紅霞　白樂

摘要：來沙系數(shù)以S/Q表示，因為相同的流量流速可能不同，而流速是影響輸沙能力的重要因素，所以來沙系數(shù)缺乏最基本的物理意義，是一個純粹的經(jīng)驗指標(biāo)：不少人認(rèn)為黃河下游的臨界來沙系數(shù)在0.012左右，沒有考慮灘槽沖淤性質(zhì)的差別和上下河段河型的不同：就黃河泥沙而言，含沙量越大，泥沙濃度在垂線上越均勻，越容易輸送;黃河下游窄深河槽洪水期具有多來多排的輸沙特性，在實測資料范圍內(nèi)不存在臨界來沙系數(shù);不受來沙系數(shù)的限制，利用洪水集中排沙是解決黃河下游泥沙淤積最現(xiàn)實的途徑。

關(guān)鍵詞：高含沙洪水;河道沖淤;來沙系數(shù);黃河

中圖分類號：TV143;TV882.1

文獻標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn. 1000- 1379.2019.03.009

1 臨界來沙系數(shù)的提出和應(yīng)用

1.1 來沙系數(shù)的提出

造成黃河下游河道嚴(yán)重淤積的原因，絕大多數(shù)研究者認(rèn)為是來沙量大或“水少沙多、水沙不均衡”，希望找到黃河下游沖淤平衡的臨界水沙條件，并希望朝這個方向努力，以實現(xiàn)黃河下游河道不淤積。很多研究者認(rèn)為，含沙量（S）大是一種“負(fù)擔(dān)”，含沙量越大，河道越容易淤積[1-3].而流量（Q）越大越有利于沖刷，于是用兩數(shù)相除（ S/Q）的數(shù)值作為衡量來水來沙條件的指標(biāo)，并稱之為來沙系數(shù)（也稱為水沙搭配系數(shù)）。顯然，最初提出來沙系數(shù)概念的研究者，試圖以兩個對河道沖刷的有利的（流量）和不利的（含沙量）兩個因素的商來簡化河道沖淤的影響因素。

來沙系數(shù)這一簡單、看起來十分合理的概念一經(jīng)提出，很快就在實測資料分析及研究中得到了大量應(yīng)用。多數(shù)研究者認(rèn)為黃河下游河道存在一個臨界來沙系數(shù)，小于臨界來沙系數(shù)的水沙過程會使河道發(fā)生沖刷，大于臨界來沙系數(shù)的水沙過程會造成河道淤積。在能夠查閱到的研究文獻中，較早提出并使用這一概念的是麥喬威或錢寧。麥喬威分析了不同來源區(qū)水沙條件在黃河下游河道的沖淤情況，得出黃河下游臨界來沙系數(shù)為0. 010、0.015、0.030等[4]，文獻[5]和[6]得出的黃河下游的臨界來沙系數(shù)為0.010，文獻[7]分析認(rèn)為黃河下游的臨界來沙系數(shù)為0.015。

1.2 黃河下游來沙系數(shù)的應(yīng)用

絕大多數(shù)研究者通過點繪洪水期或汛前河道排沙比（或淤積比）與來沙系數(shù)的關(guān)系，得到排沙比接近1或淤積比接近0時的來沙系數(shù)，并將其作為臨界來沙系數(shù)。在查閱到的關(guān)于黃河下游泥沙沖淤的大量研究成果中，絕大部分認(rèn)為黃河下游的臨界來沙系數(shù)在0.012左右。臨界來沙系數(shù)被應(yīng)用到小浪底等水庫運用方式的制定和輸沙用水量的計算等方面。

（1）小浪底水庫運用方式的制定。在制定小浪底水庫運用方式時，曾提出盡量把出庫水沙過程調(diào)節(jié)成臨界來沙系數(shù)的水沙過程，把大部分來沙攔蓄到水庫里，以避免造成黃河下游河道淤積[8-9]。

（2）輸沙用水量的計算。河道輸沙用水量被定義為“將給定的沙量輸送至流域出口或海洋所需要的水量”。例如，通過建立實際單位輸沙水量和來沙系數(shù)的關(guān)系，計算臨界來沙系數(shù)時的單位輸沙水量，從而得到輸沙用水量[11-12]。

（3）建立計算河道沖淤定量結(jié)果的關(guān)系式。眾多的研究者將來沙系數(shù)作為影響河道沖淤的一個重要指標(biāo)進行因果分析，建立計算河道沖淤定量結(jié)果的關(guān)系式[9.13-24]。

2 窄深河槽輸沙不存在臨界來沙系數(shù)

來沙系數(shù)實際上是一個純粹的經(jīng)驗指標(biāo)，來沙系數(shù)以含沙量除以流量表示，而相同流量下，不同斷面形態(tài)的流速不同。如相同流量下，灘地水淺流緩，挾沙水流必然發(fā)生淤積，而主槽流速大，可能不會淤積，甚至?xí)l(fā)生沖刷。由此可見，從理論上看，來沙系數(shù)是一個經(jīng)驗指標(biāo)，并不具備明確的物理意義。

大量的關(guān)于臨界來沙系數(shù)的分析中沒有區(qū)分灘槽，對于黃河下游，發(fā)生大流量漫灘洪水時，河道主槽的流速通常為2.5-3.5 m/s，而灘地流速一般只有0.5m/s甚至更小[25]。主槽因流速大而發(fā)生沖刷，灘地則因水淺流緩而發(fā)生淤積。當(dāng)河段的排沙比為100%左右時，只說明灘地的淤積量和主槽的沖刷量相等，甚至當(dāng)整個斷面表現(xiàn)為淤積時，河槽還是沖刷的。由于灘地呈淤積狀態(tài)，因此將整個斷面作為一個整體，忽視了主槽發(fā)生沖刷的實際，抹殺了主槽的輸沙能力。以1977年洪水為例，該年是枯水豐沙年，三門峽站水量僅為307億m³，較常年偏小30%.但沙量高達20.8億t，較常年偏大29%。沙量主要集中在7月和8月的兩場高含沙洪水期間，三門峽站洪峰流量分別為7 900、8 900 m³/s，最大含沙量分別為589、911 kg/m³。7月和8月兩場高含沙洪水進入下游的沙量分別為7.77億、8.77億t，洪水在經(jīng)過高村以上河道時，由于河槽寬淺，因此泥沙大量落淤，花園口以上河段分別淤積1.55億、1.58億t。但是，主槽并未發(fā)生淤積，甚至還發(fā)生沖刷，花園口站的平均河底高程分別降低了1.17、1.06 m（見表1），大量的淤積發(fā)生在灘地（見圖1）。

1977年高含沙洪水如此，其他場次高含沙洪水期間，黃河下游水文站斷面的平均河底高程大多也是沖刷降低的。齊璞等[26]在分析黃河山東河道的輸沙特性時，得出“山東河道在流量為4 000 -5 000 m3/s時能夠輸送含沙量400 - 900 kg/m3的高含沙洪水人?！钡慕Y(jié)論：趙文林等[27]在分析渭河下游不同含沙量洪水沖淤特性時發(fā)現(xiàn)，在含沙量為100 - 200 kg/m³、河道排沙比為100%時的來沙系數(shù)為0.07。文獻[28]分析了北洛河高含沙洪水在狀頭一朝邑河段的輸移情況，其最大流量范圍為209 -1 590 m³/s（多數(shù)在1 000 m³/s以下）、最大含沙量范圍為238 - 782 kg/m³，洪峰時段平均流量范圍為80 - 230 m³/s.平均含沙量范圍為238 - 781kg/m³，河段排沙比超過100%.來沙系數(shù)為1.03 -9.70，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.012。

已有的很多關(guān)于黃河下游臨界來沙系數(shù)的分析，也沒有區(qū)分河段。而黃河下游高村以上河段和艾山以下河段，由于河型不同，因此其輸沙特性也不同。黃河下游山東河道具有“多來多排”的輸沙特性。1959年以來，艾山一利津河段發(fā)生8場高含沙洪水，其來沙系數(shù)為0.020 - 0.045，大于臨界來沙系數(shù)0.012，然而河段的排沙比為0.85 - 1.14（見表2），總的來說沒有淤積。這說明，對于艾山一利津河段窄深河道，洪水期河道的輸沙能力取決于來沙量，河道呈“多來多排”的輸沙特點，在實測資料范圍內(nèi)不存在所謂的“臨界來沙系數(shù)”。

已有的關(guān)于黃河下游臨界來沙系數(shù)的分析，沒有區(qū)分灘槽，沒有區(qū)分不同河段河型對輸沙的影響，實際上是沒有區(qū)分不同河寬對流速和輸沙的影響。很多人認(rèn)為，含沙量大是一種“負(fù)擔(dān)”，含沙量越大，河道越容易發(fā)生淤積，然而事實并非如此。渭河、北洛河、三門峽水庫以及黃河下游等的實測資料分析顯示，當(dāng)含沙量為200 kg/m³以上時，含沙量在垂線上分布得十分均勻。原因是黃河泥沙屬于粉細(xì)沙，顆粒微細(xì)，組成不均勻，一般含有200% - 30%的極細(xì)顆粒泥沙（見圖2），天然河道為強紊流，極細(xì)顆粒泥沙不發(fā)生沉降，其在含沙水流中相當(dāng)于大大增大了流體密度。由黃河下游花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山、濼口，渭河下游華縣、華陰與北洛河下游朝邑9個水文站共96組次實測流量、輸沙率實測資料可知，在泥沙組成d50= 0.03 - 0.10mm時，相對水深0.2與0.8處的含沙量的比值（50.2/S0.8。又稱垂線含沙量分布均勻系數(shù)）與斷面平均含沙量間的關(guān)系表明，斷面平均含沙量為200 - 900 kg/m3時，含沙量在垂線上分布得很均勻，So.8/S0.8為0.9 -1.0（見圖3）。上述懸沙分布特性主要是水流中含沙量的增大引起流體的黏性大幅增大和容重增加，加上水流紊動共同作用的結(jié)果[27]。因此，細(xì)顆粒成為了較粗顆粒的“骨架”，使得粗顆粒幾乎不下沉。研究還發(fā)現(xiàn)，高含沙洪水期間河槽床面呈平整狀態(tài)，其對水流的阻力較小，使得高含沙洪水很容易在窄深河槽長距離輸送而不發(fā)生淤積[28-29]。

綜上所述，對于黃河高含沙洪水，只要具備相對窄深河槽的條件，含沙量越高就越容易被輸送，因此，不存在所謂的“臨界來沙系數(shù)”。

3 利用洪水集中排沙是解決黃河下游泥沙淤積問題的重要途徑

通過控制臨界來沙系數(shù)使黃河下游河道不淤積，實際上并不現(xiàn)實。以1999-2017年的實測資料為例，該時段潼關(guān)年均來沙2.52億t.若以臨界來沙系數(shù)0.012來控制進入下游的含沙量，則輸沙流量4 000 m³/s時的含沙量只有44 kg/m3，需要的輸沙用水量為52.4億m³，而同期潼關(guān)站流量為4 000 m³/s及其以上的水量僅為2.9億m³，3 500 m³/s及其以上的水量也不過8.3億m³。即使經(jīng)過小浪底水庫調(diào)節(jié)，花園口流量為4 000 m³/s及其以上和3 500 m³/s及其以上的水量也分別只有5.2億、18.4億m³，遠(yuǎn)不能滿足52.4億m³的輸沙用水要求。若靠5.2億m3的水量輸沙，則按臨界來沙系數(shù)0. 012計算，只能將區(qū)區(qū)0.23億t的泥沙輸送人海（見表3），水庫的排沙比僅為9%.每年將有4.97億t的泥沙淤積在小浪底水庫，水庫淤積比高達91%，這必將導(dǎo)致水庫快速淤積。

因此，通過控制臨界來沙系數(shù)使黃河下游河道不淤積，脫離了黃河的實際情況。黃河流域?qū)俑珊怠敫珊档貐^(qū)，隨著中上游大量興建水庫、農(nóng)業(yè)灌溉以及水土保持的發(fā)展，下墊面條件發(fā)生巨大變化，使得黃河實測洪水大幅減小。隨著流域人口增加、社會經(jīng)濟發(fā)展，需水量越來越大，干支流水庫和引水工程不斷增多，能夠用來輸沙的水量很少，故只能通過提高洪水含沙量來提高輸沙效率。

小浪底水庫修建在峽谷河段，庫區(qū)縱比降大（約為三門峽水庫的3倍），庫水位變幅較大。若遇到長歷時大流量過程，則通過降低壩前水位，可以產(chǎn)生長歷時高含沙出庫過程。以2018年汛期為例，趁汛期入庫流量較大，水庫壩前水位從7月1日的229.81 m（相應(yīng)蓄水量10.10億m³）一度降到7月13日的212.69 m（蓄水量2.17億m³），降幅達17.12 m。即使之后至7月29日期間，庫水位又抬升到223.27 m（蓄水量5.93億m3），庫區(qū)也仍然發(fā)生了強烈的溯源沖刷，出庫沙量4.15億t，凈沖刷量為2.44億t，含沙量100 kg/m³以上歷時長達5.2 d.200 kg/m³以上歷時達17 h[30]。若低水位持續(xù)時間更長或水位更低，則出庫的高含沙量洪水歷時更長、排沙量更多。這說明，小浪底水庫在入庫流量較大時，通過降低庫水位可以產(chǎn)生長歷時高含沙洪水，從而實現(xiàn)利用洪水集中排沙。此次排沙，有56%0的泥沙淤積在夾河灘以上（尤其是花園口以上）寬淺散亂的河段。據(jù)斷面套繪分析，淤積主要發(fā)生在灘地或邊灘上，洪水過后絕大多數(shù)河段同流量水位明顯下降，平均降低了0.30 m。

4 討論

1955年，黃委主任王化云在總結(jié)治黃經(jīng)驗時，提出“蓄水?dāng)r沙”的治黃方略，即在黃河干支流修建水庫，在黃土高原實施大規(guī)模的水土保持措施，包括造林種草和修建淤地壩，把泥沙攔蓄在黃土高原上、溝壑中、水庫里，減少進入下游的泥沙，以期實現(xiàn)“正本清源”，達到根治下游的目的。1960年，三門峽水庫剛建成就遭遇了連續(xù)多年的大沙年份，1961-1964年，潼關(guān)來沙64.5億t，三門峽水庫發(fā)生了巨量的淤積[31]，帶來了一系列問題。三門峽水庫的運用方式也由擬定的蓄水?dāng)r沙改為蓄洪排沙，再改為蓄清排渾。三門峽水庫的經(jīng)驗教訓(xùn)表明，要解決黃河下游的問題不能僅靠單純的攔沙。1964年，王化云在總結(jié)修建三門峽水庫的經(jīng)驗教訓(xùn)時指出，“蓄水?dāng)r沙這個方針是不全面的”“進入下游河道的泥沙有75%左右泄人海內(nèi)，說明下游河道排沙能力是很大的”“以前過分強調(diào)了‘?dāng)r，忽略了適當(dāng)?shù)摹拧薄啊芭湃匀皇潜匾摹薄氨仨毴咏y(tǒng)籌，有攔有排，全面有效地解決泥沙問題”“黃河治本不只是中上游的事……，下游也有治本任務(wù)”[32]。

隨著流域人口增加、社會經(jīng)濟發(fā)展，需水量越來越大，干支流水庫和引水工程不斷增多。1999年以來，潼關(guān)年均水沙量分別為226.2億m³和2.52億t，雖然和之前相比大大減小，但是考慮到黃河來水減少的情況，這些來沙仍然是巨量的。隨著用水量的不斷增加，能夠用來輸沙的水量十分有限，因此黃河下游“排”的問題依然存在。

王化云也認(rèn)為“黃河調(diào)水調(diào)沙：一是符合黃河泥沙的自然規(guī)律，具有高度的科學(xué)性。二是由于通過水庫進行水沙調(diào)節(jié)，措施更加主動、可靠。三是把下游河道減淤作為水庫運用的內(nèi)容之一，使水庫運用更符合黃河的特點”[33]。

5 結(jié)語

（1）相同的流量，不同的斷面形態(tài)，流速不同。例如，相同的流量，灘地水淺流緩，挾沙水流必然發(fā)生淤積，而深槽流速大，可能不會淤積，甚至?xí)l(fā)生沖刷。由此可見，從理論上看，來沙系數(shù)是一個經(jīng)驗指標(biāo)，并不具備明確的物理意義。大量的關(guān)于臨界來沙系數(shù)的分析沒有區(qū)分灘槽，當(dāng)河段的排沙比為1 00%左右時，只說明灘地的淤積量和主槽的沖淤量相等。高含沙洪水期間，即使來沙系數(shù)高達0.05.黃河下游高村以上河道主槽也仍是沖刷的。黃河山東河道為窄深河道，高含沙洪水期漫灘輕微，來沙系數(shù)為0.020 - 0.045，然而河段的排沙比為0.85 - 1.14。實際上含沙量越高，泥沙越容易被輸送，在實測資料范圍內(nèi)，窄深河槽輸沙不存在所謂的“臨界來沙系數(shù)”。

（2）黃河下游高村以上河道大部分河段因?qū)挏\散亂而在高含沙洪水期發(fā)生淤積，然而下游河道主槽在洪水期則是多來多排的：小浪底水庫在入庫流量較大時通過降低庫水位，能夠產(chǎn)生較長歷時的高含沙洪水。通過小浪底水庫調(diào)節(jié)，將泥沙調(diào)節(jié)到洪水期集中排沙，通過黃河下游河道主槽輸送泥沙人海，是節(jié)省輸沙用水，解決黃河下游泥沙淤積的最現(xiàn)實的途徑，符合國家節(jié)水優(yōu)先的水利工作方針。