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新形势下黄河下游游荡性河道整治工程设计有关问题探讨

　　摘要　　随着黄河清水来源区基流的减少、中下游地区耗水量的增加，使近十几年黄河下游中小洪水、高含沙洪水出现机率增加，从而导致一些迎送溜关系较好的控导工程对河势的控导作用明显削弱。小浪底水库建成后，将改变进入下游的水沙及洪水过程，中小洪水持续时间将更长，今后游荡性河道如何整治是一个非常重要的课题。本文通过模型和原型资料的对比，对已建整治工程布局中存在的问题及工程对中小水的适应性等进行了分析，同时对新形势下游荡性河段河道整治设计流量、设计河宽及新型河道整治工程状况下排洪河宽的计算等问题进行了分析和初步评议。

关键词河道整治 工程设计 整治流量 整治河宽 排洪宽度
1 概述　　黄河下游河道整治工程已有300多年历史。1974年开始有计划有步骤地进行游荡性河道整治以来，修建了大量的控导工程，在确保下游防洪安全中起到了重要作用。“八五”期间，“黄河下游游荡性河道整治”专题[1]对游荡性河道整治进行了系统的总结和研究。　　目前黄河下游河道整治所采用的“排洪宽度、整治流量、整治河宽”等都是根据1985年以前的水沙资料统计分析得出来的。1985年以后随着黄河上游清水来源区水资源的日益开发，进入下游的基流大幅度减小，水少沙多的矛盾更加突出，黄河下游河道状况进一步恶化。随着国民经济的发展，今后黄河两岸引水量将有增无减，沿程基流会更加减小。近几年，中小流量的持续作用，不少工程出现多次靠河现象，使本来迎送溜关系较好的控导工程对河势的控导作用大大削弱。黄科院的模型试验结果，也使我们不得不对游荡性河道整治有关问题重新认识。　　小浪底水库建成后，将改变进入下游的水沙及洪水过程，中小洪水和高含沙洪水出现机率将大大提高。本文作者曾经对天然实测资料进行回归分析，得出过水断面面积关系式由上式看出，在来流流量一定的前提下，含沙量较小时，过洪断面面积因河槽冲刷、过洪宽度大幅度减小而为一较小值；一般挟沙水流时，过洪断面面积则随含沙量增加而增加(主要是河槽宽度增加很大所致);但含沙量大于200kg/m3后，洪水逐渐呈高含沙水流特性，河槽因大量泥沙淤积而使过洪面积大大减少。同时，由上式也可看出，如果来水偏枯，造床流量减少，河槽过洪断面将大大减小，这也正是近些年黄河下游河床萎缩的原因所在。目前的河道整治工程能否适应今后的水沙过程，已经成为黄河下游急待解决的一个重大问题。我们延长了最近十年的实测水沙系列进行统计分析，对黄河下游游荡性河段的河道整治问题取得了一些粗浅认识，提出来，意欲起到抛砖引玉的作用，希望对这一问题能够引起重视并进一步深入探讨。2 新形势下黄河下游游荡性河段河道整治设计流量浅析　　黄河下游河道以中水整治为原则，其工程设计流量的选择取决于造床流量。本文根据1973～1996年24年水沙系列，采用多种方法综合分析了游荡性河段的造床流量，并对小浪底水库修建后河道整治设计流量问题进行了分析和预估。 平滩流量法　　目前黄河下游常采用水位与河漫滩相齐平的流量作为造床流量。表1是花园口至夹河滩断面1987年以后平滩流量分析结果，由表看出，花园口、夹河滩两站平滩流量明显减小。 输沙能力法　　我们曾对黄河下游造床流量计算方法进行对比分析，并提出了输沙能力计算方法[3,4]。引入水流挟沙力S*，视QS*Pm最大时所对应的流量为造床流量。P为汛期各级流量出现的频率，其中水流挟沙力S*采用文献提出的通用公式计算。该方法引入S*后，使造床流量的计算，不仅考虑了流量过程，而且反映了含沙量大小、水流强度及泥沙粗度对造床作用的影响，显然从概念上更完善一些。取m=,根据1973年～1996年黄河下游花园口、夹河滩水文站实测资料，分别计算各流量级相应的QS*，点绘于图1。可以看出，花园口、夹河滩站的造床流量分别为4000m3/s和3000m3/s，该流量出现的频率约3%(汛期出现的频率约%)。　　用此方法计算1992年、1996年花园口和夹河滩的造床流量分别为3500m3/s及2500m3/s，比一般水沙条件下求得的造床流量小了很多。　　图2为1973年至1996年之间平滩流量与输沙能力计算的造床流量，对比后发现，输沙能力法计算的造床流量基本反映当年平滩流量的变化。 新形势下游荡性河道整治设计流量的选取　　河道整治工程一旦兴建就无法改动，它要求一个相对稳定的设计流量。设计流量的选择，必须考虑将来的水沙变化，使整治工程在相当时期内最大限度的适应不同水沙条件。因此，正确预估小浪底水库修建后，下游水沙条件及平滩流量的变化，显得非常重要。　　小浪底水库修建后，将控制黄河花园口以上流域面积内95%的来水，根据设计院提供的小浪底水库运用方案，水库下泄水流主要以中小水为主。黄科院开展的“小浪底枢纽拦沙期游荡性河段河道整治模型试验研究”[６]及“花园口至东坝头河段小浪底枢纽正常运用期河道演变模型试验研究”结果表明，经过小浪底水库下泄清水期对河道的冲刷之后，主河槽过洪能力将有所增大，目前1300m3/s流量水位可过流3000m3/s～5000m3/s洪水；25年正常运用期运用之后，平滩流量一般为4000～5000m3/s。　　因此，根据以上分析目前以至今后黄河下游游荡性河段河道整治工程的设计流量，考虑与以前河道整治设计流量相衔接，选取4000m3/s较合适。
　　3 河道整治设计河宽的确定　　胡一三等在“黄河下游游荡性河段河道整治”中明确提出了今后游荡性河道的整治原则为：防洪为主、统筹兼顾；中水整治、洪枯兼顾[1]。确定中水流路治导线是游荡性河道整治的核心，那么中水流路的整治设计河宽是确定河道整治治导线必不可少的要素之一。　　小浪底水库的修建将改变黄河下游的来水来沙条件。吴宾格在“河道整治小弯方案探讨”一文[８]中，为确定流量减小后的治导线宽度，利用黄河花园口、夹河滩、高村三站资料，点绘出B/Q与Sv关系，认为，在造床流量减小后，河道整治宽度应减小，小弯方案可用于新形势下的游荡性河道整治之中。目前黄河下游东坝头以上河道整治设计河宽一般采用1200m,东坝头至高村河段采用1000m。现行河道整治设计河宽是否能够适应新时期本河段河床演变状况，已成为黄河下游面临的现实问题。 稳定河槽宽度　稳定河槽宽度即河道处于动力平衡条件下的河宽。从长时期来看，河流总是不断地向形成稳定河槽宽度的方向调正。张海燕提出了在以流量Q和输沙率QS为自变量的冲积河道趋向于调整和建立其宽度、水深和比降以满足rQJ最小[９]。按照这一思路，本文采用张红武输沙能力公式、曼宁阻力公式等约束条件，计算了黄河下游游荡性河段在输沙平衡条件下，含沙量在30～120kg/m3、比降在‰～‰的范围内，不同流量相应的稳定河宽，计算结果如图3。可以看出，本河段相应于4000m3/s流量的稳定河宽为600m左右。 整治设计河宽 类比模范河段法确定设计河宽　　根据黄河下游实际情况，胡一三等[1]选择花园口、夹河滩两水文站，点绘了水面宽(B)与流量(Q)的关系图，由此求出4000m3/s流量相应的水面宽，花园口站为700m～1500m，均值为1050m，夹河滩站为650m～1270m，均值为900m。我们在该图补充最近几年的点子，其值均在平均线以下。 统计法确定设计河宽　　胡一三[1]等人采用统计法确定设计河宽，统计了三门峡水库建成后前天然情况下黄河游荡性河段大洪水时的平均主槽宽度，变化于1000m～600m之间。我们统计了1983年至1997年黄河下游游荡性河段下古街至杨小寨大断面的主槽宽度，而且统计了1992、1994年进行的“”、“”型及“58”型大洪水物理模型试验测得的主槽宽度。主槽平均宽度变化于639m～914m之间。 水力学计算法确定设计河宽　　设计河宽与设计流量是密切相关的，二者的关系可通过曼宁流速公式与水流连续方程联合求解。设计流量采用4000m3/s；主槽糙率取；分别计算花园口、夹河滩、高村断面的设计河宽为：976m、945m、775m。　　朱太顺采用花园口、夹河滩及高村断面实测资料，点绘了/H与S/S*之间的关系图，表明(BD50)/H随S/S*的增大而增大，由此给出了如下量纲和谐的经验关系式[10]　　上式与曼宁流速公式和水流连续方程联解，选取花园口至夹河滩河段的设计流量Q设=4000m3/s、比降J=、糙率n=、床沙中径D50=，求得S/S*=～条件下的设计河宽B=645m～1316m。取其平均值，B=，与上述统计结果也比较接近。 游荡性河段整治设计河宽的确定　　根据以上分析，考虑到小浪底水库修建后，下游河道将冲刷下切，花园口至高村河段设计河宽可适当降低，为了与现行河道整治设计河宽1200m相衔接，东坝头以上可选取1000m，东坝头至高村可适当降低为800m。
　　4 关于黄河下游河道排洪河宽问题4．1 小浪底水库修建后黄河下游排洪河宽的确定　　胡一三在“河道整治中的排洪河槽宽度”一文中[11]就黄河下游河道排洪河宽的定义及确定方法进行了详尽的介绍，认为：“按照规划进行河道整治后，一处河道整治工程的末端，至上弯整治工程末端与下弯整治工程首端连线的距离，称为该处河道整治工程的排洪河宽Bf，如图4所示。在排洪河宽范围内除在大洪水时有足够的宣泄洪水能力外，中小洪水及一般流量时还应有一定的滞沙宽度，以免增加下游窄河段的淤积负担，同时要防止大洪水时因Bf过小，弯道段出现水流反弯现象(指凸凹岸左右易位)，以免打乱以下河段的流路。基于此，我们统计了1957年以来所有大洪水黄河花园口、夹河滩、高村三站水力因子变化，从中可以发现，主槽平均过流量分别达到%、%、%，平均河槽宽度只有971m、1177m、808m，主槽平均单宽过流量为/s、/s、/s。据此推算小浪底水库运用后，黄河下游百年一遇洪水时花园口流量15000m3/s、夹河滩流量14500m3/s、高村流量12300m3/s，相应的排洪河宽分别为1500m、1300m、1200m。 为进一步说明主槽过洪的主要特征，点绘主槽过流量与主槽流速关系(图5)[12]，可看出主槽流速随 其过流量增加而增大，说明黄河下游河道主槽过流能力尚有潜力。 采用潜坝工程结构后河道排洪宽度可减少　　经过多年的实践与探索，潜坝在黄河下游河道整治工程中已引起重视，比较适合黄河的水沙变化与河床演变特点。黄科院几年来对黄河下游新型工程结构—潜坝的多种裹护方式进行的防护效果试验表明：坝体漫水后冲刷坑大幅度后移，而且漫坝水越过坝顶以后，快速分散，坝后水流流速急剧减小，极大地限制了坝后冲刷坑的继续刷深和扩大，防护效果非常明显。同时潜坝对主河槽中的水流仍然具有较大的约束和送溜能力，仍然可以起到控导工程送流段送溜的效果。潜坝过水后，坝上水深可达2m以上，和河道主槽一样过流，因此，计算排洪河宽时，应该计入或部分计入潜坝本身所占去的河道宽度，不可以坝体末端作为计算排洪宽度的依据(如图4中B1f)。5 现有工程对中小洪水的适应性　　根据河务部门每年汛后河势查勘报告，有相当一部分工程对近些年的中小洪水不太适应，或常年不靠河、失去对水流的控导作用，或一处工程出现二段、多段靠河现象，对水流的控导效果减弱。‘’洪水综合分析项目组对“”洪水进行了综合分析，指出了洪水期间所暴露出来的问题。其一，过渡性河段部分河湾在向不利方向发展。经过整治，过渡性河段主溜已基本得到控制，但在长期小水作用下，不少河段正以渐变形式向不利方向发展。在统计的28处工程中，严重上提的有8处，不利下挫的有3处，不利脱河或基本脱河的有4处，亦即50%以上的工程河势向不利方向发展。其二，畸型河湾增加。游荡型河段，在小水的长期作用下形成了许多畸型河湾。如1987年东坝头河湾、1993年汛末黑岗口、柳园口、古城、王夹堤等；1994年汛末又增加马庄、大宫畸型河湾；特别是古城断面，形成了极为罕见的“S”型河湾，受其影响，其下游府君寺、曹岗、贯台基本上都不靠河。杨集工程上首形成“V”型河湾，使其下河势上提，并造成韩胡同工程上首四道坝跑坝的严重险情。其三，工程靠溜部位上提现象增多，工程上首塌滩严重。1986年以来，下游许多河道整治工程靠溜部位不断上提，有些已达工程上界靠溜的极限，有些已对工程构成抄后路威胁。如双井、大宫、南上延、李桥、杨集、伟庄、韩胡同等工程靠溜部位均不断上提，许多工程还被迫修建了上延工程。其四，小水险情严重。在小水流量下，受横河，斜河顶冲，河道整治工程也容易出现较大险情，并威胁到堤防安全。1993年下游共有314道坝出险957坝次，1994年共有461道坝出险990坝次，给防洪带来很大被动。6 黄科院模型试验结果　　赵业安、姚文艺、刘海凌等对温孟滩河段河床演变规律及河道整治工程在小浪底水利枢纽下泄清水期和正常运用期变化了的水沙条件下的适应性问题进行了研究[13]，结果表明：有些工程上延下续长度不够或曲率半径不甚合理，个别河段河势随着水沙条件、初始河床边界条件等的变化，主流上提下挫频繁，尚有较大变化，对河道整治工程的有关参数仍需进一步调整和改善。张红武，江恩惠等在进行黄河下游花园口至东坝头河段河道整治模型试验过程中，也多次建议，游荡性河段河道整治工程的方位非常重要，其中，武庄工程的平面布置经过多次试验，最终采用南移下挫方案[14]，与原规划位置相比向河中推进近1km，该方案已被河南局采用，从近几年该工程靠河情况看，效果良好；顺河街工程的平面布局问题，经九次反复对比试验研究，提出采用小弯方案[15]今年已付诸实施。　　另外，我们根据历年模型试验资料结合黄河原型资料分析[16]，认为：黄河下游游荡性河段河道整治工程中，各河段控制性工程所起的作用重大。花园口至马渡河段，已成为黄河下游游荡性河段河道整治的模范河段。但是最近几年由于黄河下游来水量的大幅度减小，使该河段流路也时常出现明显的上提或下挫，而且花园口至来童寨工程靠河的好坏与马庄工程的靠河情况有直接关系，马庄工程可以认为就是该河段的控制性工程。马庄工程4＃坝以上着大溜，马庄～来童寨河段流路稳定；马庄工程靠溜在5＃坝以下，马庄～来童寨河段河势散乱。因此控制好马庄工程的入流条件、着溜范围，就成为“马庄～花园口～双井～来童寨”“模范”河段及其以下流路稳定的关键。　　最近，黄委治黄专家徐福龄提出：黄河下游河道整治要分河段布设节点工程，是非常有道理的。7 小结　　根据以上大量原型观测、模型试验资料的分析及计算，就目前黄河下游游荡性河段河道整治而言，我们认为　　1.河道整治工程布局仍要以微弯型整治方案为依据，工程设计参数应适当减小。其中，河道整治河宽可以减小为1000m；　　2.如果工程采用潜坝工程结构形式，排洪河宽可以减小至2000m以下；　　3.本河段河道整治设计流量就目前和将来可能发生的水沙条件，选取4000m3/s更合适；　　4.在新材料日益得到应用的今天，黄河下游河道整治工程新结构将不断出现，应加强黄河下游游荡性河段河床演变、河道整治问题的科学研究，加强黄河下游河道整治工程布局方案的试验研究，以便为正确摆放工程位置提供科学的参考依据。[1] 胡一三，王恺忱，张红武等。黄河下游游荡性河段河道整治。“八五”国家重点科技攻关项目, 专题编号：85-926-01-03. 江恩惠，张红武，赵连军，张林忠。高含沙洪水造床规律及河相关系研究。人民黄河， 1999. 1.　张清，江恩惠，张红武。 黄河下游河道造床流量的研究。黄科院，黄科技第92002号， 张清，江恩惠，张原锋。黄河下游河道整治设计流量浅析。’98全国水动力学研讨会论文集。1998. 张红武，张清。黄河水流挟沙力的计算公式。人民黄河，1992，(11). 张红武，江恩惠，陈书奎等。小浪底枢纽拦沙期游荡性河段河道整治模型试验研究。“八五”国家重点科技攻关二级子专题(85-926-01-03-05-4). 黄科院，1995. 江恩惠，张红武等。花园口至东坝头河段小浪底枢纽正常运用期河道演变模型试验研究。黄科院，黄科技第ZH-9815-079号，1998. 吴宾格。河道整治小弯方案探讨。泥沙信息， 张海燕。河流演变工程学。科学出版社，1990.[10] 朱太顺。黄河下游河道整治工程布置问题研究。武汉水利电力大学研究生论文，1998。[11] 胡一三。河道整治中的排洪河槽宽度。人民黄河，[12] 王普庆，黄鸿海，江恩惠。游荡性河道排洪宽度的选定。’98全国水动力学研讨会论文集，1998.[13] 姚文艺，张红武，赵业安。黄河小浪底水利枢纽温孟滩移民安置区河段河道整治模型初步试验研究。黄河水利科学研究院，黄科技第98012号。1997.[14] 张红武，江恩惠等。黄河武庄控导工程布局的模型试验报告。黄委会水科院，[15] 江恩惠，赵文林，张红武等。黄河下游大张庄至柳园口河段挖河固堤模型试验报告。黄委会水科院，[16] 黄鸿海，陈书奎等。黄河下游游荡性河段河道整治中龙头工程的重要性。’97全国水动力学研讨会论文集，1997.