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水利工程论文-黄河调水调沙.doc

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水利工程论文-黄河调水调沙.doc

水利工程论文黄河调水调沙摘要黄河以其多泥沙,河道善淤、善决、善徙,而著称于世,被认为是世界上最复杂、最难治理的河流。黄河泥沙主要来自黄土高原的土壤侵蚀,黄河下游河道淤积的主要原因在于水少沙多,水沙不平衡。按照黄河下游河道冲淤规律,只要把进入黄河下游河道的不平衡的水沙关系调节为相协调的水沙关系,完全可以使黄河下游河道实现不淤积。黄河首次调水调沙试验达到了预期的目的。通过这次试验,积累了对黄河测验的海量数据(520万组),加深了对黄河河床演变及水沙规律的认识,为今后建立更加符合原型黄河实际的数学模型和实体模型提供了极其重要的物理参数。关键词黄河调水调沙试验淤积在我国古代治河典籍中,黄河很早就被尊称为四渎之宗,百水之首。它以其多泥沙,河道善淤、善决、善徙而著称于世,被认为是世界上最复杂、最难治理的河流。从明代潘季训开始,数百年来,人们对黄河泥沙的治理不断地进行理论探讨和具体的实践。随着认识的不断深化,逐渐将黄河泥沙的治理措施概括为拦、排、放、调、挖。截至目前,拦、排、放、挖都已不同程度地付诸过实践,惟有调,虽然做过长期大量的理论分析,但尚没有在真正意义上试验过。一、黄河下游河道淤积情况黄河的泥沙,主要来自黄土高原的土壤侵蚀。黄土高原的地形地貌及其发育特征,是受区域内晚新生代以来新构造运动的控制形成的。新构造运动使黄土高原全区处于不断的区域性上升活动中,从而造成侵蚀基准的变化。因此使坡面侵蚀加剧,冲沟活跃。同时,由于土体的重力作用,加之潜水活动等因素的影响,在不稳定状态下土体坍塌、滑动的重力侵蚀也时常发生。进入人文历史时期以来,人类活动更进一步加剧了黄土高原土壤侵蚀的强度。在暴雨的强烈作用下,黄土高原区域内的许多支流及黄河干流都成为世界上少有的多泥沙河流。携带来自中游大量泥沙的黄河,不断充填着古华北陆缘盆地,并向渤海海域推进,形成新的陆地,缔造了华北大平原。在华北大平原上出现堤防之前,黄河流路处于无约束状态。起初,黄河总是寻找一条低洼的流路入海,随着这条低洼流路的不断淤积,它又会滚向另外一条相对低洼的流路。如此反复,泥沙就摊铺在黄河的冲积扇上。大约在春秋中期,铁器的出现和普遍使用,使得大规模修筑黄河堤防成为可能。再加之社会生产力的提高促进了经济的繁荣,人口也随之有较大的增长,生存和发展的环境要求保护,技术上有了可能,黄河下游的堤防便应运而生。到了战国时期,黄河下游堤防已具有相当规模。堤防的修筑,将放荡不羁的黄河约束了起来,黄河的泥沙便在两岸大堤之间进行摊铺,从而使河床不断地抬高。到了西汉后期(汉哀帝初年),黎阳(今河南浚县)附近河高出民屋,可见当时的黄河已经是地上悬河了。当地上悬河发展到一定程度,黄河就会发生决口,甚至改道。据记载,从公元前602年(周定王五年)到1938年,共2540年,发生决口的年份有543年,决口的次数达1590次,改道26次。黄河流路的扇面形分布,北达天津,南抵江淮,纵横25万km2。新中国成立以来,黄河下游堤防已先后4次全面加高培厚,取得了50多年伏秋大汛不决口的伟大成就。黄河下游两岸大堤之间已淤积近100亿t,河床普遍抬高了2~4m。现状黄河下游河床普遍高出背河地面4~6m,最大达10m以上,成为淮河和海河流域的分水岭。沿黄地区的城市地面均低于黄河河床,河南新乡市的地面比黄河河床低20m,开封市的地面低于黄河河床13m,山东济南市的地面低于黄河河床5m。20世纪90年代以来,黄河下游河道年均淤积2.2亿t,持续的枯水系列,长期的小流量过程,致使黄河下游河道主河槽淤积严重。据统计分析,黄河下游主河槽淤积占全断面淤积量的比例为90%,局部河段(如花园口~高村)则高达93%,河槽的严重淤积,造成过水断面严重萎缩,其结果是同流量水位升高,平滩流量大幅度减少。1996年8月的洪水(简称968洪水)集中地暴露了这些问题花园口断面洪峰流量仅有7600m3/s,水位却高达94.73m,比1958年该断面22300m3/s洪水的水位还高出0.91m,局部河段平滩流量从80年代的5000m3/s以上降低至3000m3/s左右。二、黄河下游河道淤积的主要原因黄河下游河道淤积的主要原因,在于水少沙多,水沙不平衡。1.水少沙多黄河花园口断面多年平均天然径流量为559亿m3,实测进入黄河下游的多年平均水量为470亿m3,进入黄河下游河道的泥沙,多年平均为16亿t,平均含沙量为35kg/m3。与国内外大江大河相比,水量仅为长江的1/17,而泥沙量却是长江的3倍。印度、孟加拉国的恒河,年输沙量为14.5亿t,与黄河相近,但其水量较黄河大得多,约为3710亿m3,含沙量只有3.9kg/m3,远小于黄河。美国的科罗拉多河的含沙量27.5kg/m3,略低于黄河,但年输沙量仅有1.35亿t。无论年输沙量,还是平均含沙量,黄河在世界江河中都名列第一。2.水沙不平衡(1)地区来源的不平衡黄河流经不同的自然地理单元,各自然地理单元的地形、地质、降雨、产沙等存在着较大的差异,因此,水和沙的地区来源不同,通常将其概括为水沙异源。比如,黄河上游地区的流域面积为36万km2,占全流域面积的45%,来水量占全河水量的比例为53%,是全河的主要产水区,而来沙量仅为黄河泥沙总量的9%,多年平均含沙量只有5.7kg/m3。黄河中游的河口镇至龙门区间,流域面积仅为13万km2,占全河流域面积的16%,来水量占全河水量的15%,而来沙量却占全河沙量的56%,多年平均含沙量高达128.0kg/m3,为全河最高的地区,是全河的主要产沙区。龙门至潼关区间,流域面积为19万km2,来水量占全河水量的22%,来沙量占全河沙量的34%,多年平均含沙量仅次于河口镇至龙门区间,为53.8kg/m3。三门峡以下的伊洛河和沁河,来水量占全河水量的11%,来沙量仅占全河沙量的2%,多年平均含沙量为6.4kg/m3,是仅次于上游的第二个相对清水来源区。从总体上看,进入黄河下游的水量主要来自上游地区,而泥沙量却基本上来自中游地区。(2)时间分配的不平衡黄河的水沙不仅存在着地区来源的不平衡,而且年内年际的时间分配也呈明显的不平衡性。就水和沙来讲,汛期(7~10月)水量占全年水量的60%,随着人类活动影响的加大,汛期水量所占比例呈下降趋势,如自龙羊峡水库1986年10月投入运用以来,汛期水量仅占全年水量的47%。来沙在时间分配上的不平衡性表现得更为突出。据统计,在一年之中,85%以上的泥沙来自汛期,并且常常集中于几场暴雨洪水。比如,在全河来沙量最多的地区河口镇至龙门区间,全年来沙量为9.1亿t,其中汛期来沙8.1亿t,约占全年沙量的90%,非汛期来沙为1.0亿t,仅占全年沙量的10%左右。该区域的皇甫川至秃尾河区间,是黄土高原地区侵蚀模数最高的地区,窟野河温家川站汛期最大五天沙量可占全年沙量的75%以上。从一年的水量和沙量上看,是水少沙多,从汛期的水量和沙量上看,水相对更少,沙相对更多,进一步加剧了水沙的不平衡性。从年际分配上看,黄河水量的变差系数为0.22~0.25,最大与最小之比为3.1~3.4,而沙量的变差系数为0.55,最大与最小沙量之比为4~10。实测1933年的沙量最大为39.1亿t,而1933年的水量是561亿m3,却不是长系列中水量最大的一年(1964年的水量达861亿m3),实测1987年的沙量最小为3.3亿t,而1987年的水量是204亿m3,却与长系列中水量最小的一年比较接近(1997年的水量为143亿m3)。这说明年际之间水沙分配是不同步的。这种不同步更多地表现在水少沙多,从而也进一步加剧了水沙的不平衡性。三、黄河下游河道冲淤规律据测验分析,黄河下游河道在长时间内总体上呈淤积状态,但并非单项淤积,而是有些年份冲刷,有些年份淤积。究其原因,黄河下游河道的冲淤变化与来水来沙条件密切相关。凡是水多沙少的年份,黄河下游河道淤积不大或发生冲刷,如1952年,进入

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