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水利工程论文-流量变化对黄河下游河道演变影响.doc

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水利工程论文-流量变化对黄河下游河道演变影响.doc

水利工程论文流量变化对黄河下游河道演变影响摘要作者通过对1958、1964、1973、1985及1997各年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站逐日平均水文资料的流量级分析,得到花园口、高村、艾山、利津水文站日均造床流量1958年为3400~4400m3/s1964年5300~5600m3/s1973年为2700~3300m3/s1985年有两个峰值,分别为1900~2000m3/s和3800~4500m3/s1997年仍有两个峰值,花园口和高村水文站为680~740m3/s和1900~2800m3/s,艾山和利津水文站为200~250m3/s和510~820m3/s。将上述结论与对实测资料的分析相结合,得到造床流量明显下降及较大日均流量2000m3/s出现频率大大减少甚至不再出现是黄河下游小流量输沙、河道淤积、小水大灾的根本原因。关键词黄河下游有效输沙流量造床流量在人类大量引水、天然降水偏枯1,2等人为和自然因素作用下,自1972年开始断流,直至90年代的频繁断流,对黄河下游河床演变产生了深刻的影响1,3,河道尤其是主槽淤积加重,使黄河下游防洪面临前所未有的巨大压力,小水大灾已成为黄河下游流域水资源突出的问题之一4。小水大灾是黄河下游河床随来水来沙自动调整的结果。本文试图通过对1958、1964、1973、1985年1997年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站逐日平均水文资料的流量级分析及对比,来寻求其内在原因及解决黄河下游小水大灾、水资源短缺的办法。1黄河下游造床流量分析1.1分析方法的选取与多年流量过程的综合作用相当,而又对塑造河床起着控制作用的代表性流量为造床流量。目前,分析造床流量的方法很多,大致可以分为平滩流量法、输沙率法、输沙量法及输水量法、河床变形强度法等。针对黄河等多沙河流,张红武等人提出了输沙能力法,吉祖稳等人提出了水沙综合频率法5,6。本文采用输沙率法来对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文资料进行流量级分析,从而得到相应的造床流量。1.2数据的选取本文选取黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文资料进行流量级分析,含沙量取悬移质含沙量。黄河下游河道演变主要决定于来水来沙条件,据来水来沙特点和三门峡水库运用情况,其河道演变可以大致分为六个时期,各时段水沙特点如下1950~1960年为三门峡水库修建前的天然情况,基本无人类引水,为丰水多沙系列1960~1964年为三门峡水库蓄水拦沙期及滞洪拦沙期,河道冲刷1964~1973年为三门峡水库滞洪排水期,为平水多沙系列,河道淤积1973~1997年为三门峡水库蓄清排浑运用期,在此期间内根据来水来沙条件不同又分为1973~1980年河道少量淤积、1980~1985年河道冲刷、1985~1997河道萎缩三个时期7。1958、1964、1973、1985及1997各年分别代表黄河下游河床演变的各时段。1.3计算结果Wolman和Miller在1960年首次提出了地貌功的概念,并给出了河流有效流量流量级分析的计算方法8~11。假设河流流量频率服从对数正态分布,输沙率作为流量功函数,则输沙效率即流量出现频率与输沙率乘积最大处的流量值为输沙的有效流量,就长时期内河流输沙量而言在该流量处最大9~11。根据此方法本文对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文资料进行了流量级分析,结果如图1所示。图1花园口、高村、艾山、利津水文站在1958、1964、1973、1985及1997各年日均流量的输沙效率图1a为花园口、高村、艾山、利津水文站1958年日平均各级流量输沙效率即流量出现频率与输沙率乘积,分别以2500m3/s、2500m3/s、1500m3/s、800m3/s分级。图1b为花园口、高村、艾山、利津水文站1964年日平均各级流量输沙效率,均以1000m3/s分级。图1c为花园口、高村、艾山、利津水文站1973年日平均各级流量输沙效率,均以500m3/s分级。图1d为花园口、高村、艾山、利津水文站1985年日平均各级流量输沙效率,分别以800m3/s、800m3/s、800m3/s、600m3/s分级。图1e为花园口、高村水文站1997年日平均各级流量输沙效率,分别以500m3/s、200m3/s分级图1f为艾山、利津水文站1997年日平均各级流量输沙效率,分别以180m3/s、150m3/s分级。从图1a中可以看到,花园口、高村、艾山、利津水文站在1958年相应于输沙效率最大处的日均流量分别为3450.3m3/s、3362.8m3/s、3697.2m3/s、4335.6m3/s,其中艾山和利津水文站还有另一较大输沙日均流量6597.5m3/s和6808.6m3/s。总的来说,在1958年黄河下游河道基本处于无人类影响的状况下,其输沙效率最大日均流量为3400~4400m3/s。从图1b中可以看到,花园口、高村、艾山、利津水文站在1964年相应于输沙效率最大处的日均流量分别为5367.5m3/s、5457.9m3/s、5518.3m3/s、5494.4m3/s,也就是说在1964年黄河下游河道在三门峡水库蓄水拦沙及滞洪拦沙运用使河道冲刷时,其输沙效率最大日均流量为5300~5600m3/s。从图1c中可以看到,花园口、高村、艾山、利津水文站在1973年相应于输沙效率最大处的日均流量分别为3203.8m3/s、3209.2m3/s、2732.6m3/s、2710.4m3/s,也就是在1973年黄河下游河道在三门峡水库滞洪排沙期河道淤积时,其输沙效率最大日均流量为2700~3300m3/s。从图1d中可以看到,在1985年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站在水丰沙少的情况下,相应于输沙效率较大处的日均流量均为双峰值,分别为1900~2000m3/s和3800~4500m3/s,使河道基本处于冲刷状态。从图1e和1f中可以看到,在1997年黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站,相应于输沙效率较大处的日均流量仍均为双峰值,其中花园口、高村水文站的两个日均流量峰值分别为680~740m3/s和1900~2800m3/s,艾山、利津水文站的两个日均流量峰值分别为200~250m3/s和510~820m3/s,河道处于萎缩状态。根据文献8~11,图1中相应于输沙效率即流量出现频率与输沙率乘积最大处的日均流量是黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站悬移质输沙最大的流量,是其悬移质有效输沙流量。由于悬移质有效输沙流量与全沙有效输沙流量接近10,因而该流量也是黄河下游园口、高村、艾山、利津水文站的有效输沙流量。对于一个处于稳定或是演变中的河道,有效流量是造床流量的计算值8,12。而造床流量这一概念的引入是假定这一流量和多年流量过程是综合造床条件作用相等8,12,它是河床演变尤其是造床作用的反映。对于黄河这一举世闻名的水少沙多河流来说,泥沙的淤积与冲刷是其河床演变的关键,因而对其下游河道造床起决定作用的流量必然是输沙最大的流量,即有效输沙流量。也就是说,对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站来说,造床流量与其上述相应年份的输沙最大的流量是相当的。2黄河下游小水大灾分析小水大灾、同流量水位升高,是黄河下游河道淤积的结果。从表1中可以看到,1997年花园口水文站年均含沙量为10.49kg/m3,小于其1951~1990年间的多年平均值26.2kg/m3,汛期平均含沙量为14.31kg/m3也小于其1951~1990年间汛期的多年平均值37.8kg/m3,说明在1997年黄河下游来沙量的减少大于来水量的减少而且1997年花园口水文站年均含沙量及其汛期平均含沙量也低于河道基本处于冲刷状态的1964年和1985年的年均含沙量及其汛期平均含沙量,但河道却处于萎缩状态。究其原因,黄河下游造床流量的明显减少是河道淤积的直接原因。花园口水文站的造床流量从1958年的3450.34m3/s降到1997年的2748.18m3/s,利津水文站的造床流量则从1958年的3450.34m3/s降到1997年的2748.18m3/s,利津水文站的造床流量则从1958年的4335.63m3/s大幅下降到1997年的517.25m3/s。与此同时,花园口日均流量2000m3/s的天数从1958年的139天降到1997年的57天,而艾山和利津水文站日均流量2000m3/s的天数则从1958年的139天降到1997年的0天如表3所示。相应的利津水文站输沙量占花园口水文站输沙量的百分比从1958年的表1花园口水文站为来水来沙特点变化表2花园口日均流量2000m3/s的天数表4利津输沙量占花园口输沙量百分比年份花园口高村艾山利津19581964197319851997139206646857139205656111392116064013921555550年份利津输沙量亿t利津输沙量占花园口输沙量百分比1958196419731985199720.7720.2512.157.560.1676.02123.6377.0095.214.30黄河下游日均流量的大大下降,主要原因是中上游水库尤其是龙羊峡水库和刘家峡水库1986年以来联合调度,使黄河下游来流流量调平、洪峰流量消减、汛期来水水量减少13,致使其有效造床流量大大降低、较大日均流量2000m3/s出现的频率大大减少甚至不再出现。3结论本文通过对黄河下游花园口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文资料进行的流量级分析,得到有效输沙流量即造床流量的减小及较大日均流量大于2000m3/s出现频率的大大减少甚至不再出现是黄河下游小水大灾根本原因。增大造床流量并相应减少小流量输沙,是解决黄河下游小水大灾、水资源短缺的出发点。要解决黄河下游近年来尤其是1986年以来频繁断流、小水大灾、同流量水位升高等等生态环境问题,需要通过市场调节、行政干预、水库调节、南水北调等多种手段,对黄河进行综合流域治理,使用于黄河下游输沙的流量等于其较大的有效输沙流量,即日均流量为3000~4000m3/s,才能有效改变黄河下游河道萎缩的局面。参考文献1许炯心.人为季节性河流的初步研究J.地理研究,2000,193.2刘昌明,成立.黄河干流下游断流的径流序列分析J.地理学报,2000,553.3许炯心,陆中臣,刘继祥.黄河下游床床萎缩过程中畸形河湾的形成机理J.泥沙研究,2000,3.4姚文艺,侯志军.黄河下游萎缩性河道挖河减淤的临界比降研究J.水利学报,2001,4.5张红武,张清,江恩惠.黄河下游河道造床流量的计算方法J.泥沙研究,1994,4.6吉祖稳,胡春宏,阎颐,牛建新.多沙河流造床流量研究J.水科学进展,1994,53.7赵文林.黄河泥沙M.郑州黄河水利出版社,1996.8钱宁,张仁,周志德.河床演变学M.北京科学出版社,1987.

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