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水利工程论文-黄河下游悬河现状与治理刍议.doc水利工程论文-黄河下游悬河现状与治理刍议.doc -- 2 元

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水利工程论文黄河下游悬河现状与治理刍议摘要由于进入黄河下游的沙量远大于能输往深海的沙量,黄河下游河道及河口的整体淤积是不可避免的。增加河道水流挟沙能力只能推迟河道淤积的到来,从长远看,并不能使河道由淤转冲,因此,控制河床抬升的治河原则,主要并不是提高河道水流挟沙能力,而是减少来沙量,增大落淤面积,并使淤积物各得其所,以尽量减少其对壅高上游水位的影响。关键词悬河来沙量侵蚀基点疏浚放淤1黄河下游悬河现状黄河以多沙著称于世,其所挟带的巨量泥沙,在进入下游冲积平原之后,沿程发生严重淤积,形成河床高踞于两岸背河地面之上的悬河。其悬河程度,就滨河区而言,一般为3~5m,多者高达10m,就距河较远的平原区而言,相差可达10~20m以上。这种悬河状态在汛期往往带来严重的洪水灾害,一旦堤防决口,洪水居高临下,一泻千里,淹没范围广,发展速度快,造成的灾情往往十分严重。特别是当悬河程度较高时,全河向决口奔流,形成新河,决口以下故道全部淤废,灾情尤烈。这一现象在黄河上称为改道,历史上大的改道有5次之多,改道范围,北犯天津,南袭江淮,整个黄淮海大平原几乎全受其害。这种改道的发展过程,正是黄河本身为了从不稳定的悬河状态中解脱出来,周期性地恢复到暂时较稳定状态的一种手段,运用这种手段,黄河将其所挟带的巨量泥沙较均匀地分布在黄淮海平原之上,完成它移山填海造神州的历史任务。它所塑造的大平原,实际上为一鸟趾状大三角洲,这是由于每一次改道都留下一条悬河河床的缘故。历史上的治河,虽然众说纷纭,莫衷一是,但由于受经济基础及技术条件的限制,并无大的作为,一般限于在改道形成的新河上,根据其发展情况,相机修建防洪堤坝,对洪水加以约束而已。今天谈论治河,经济基础与技术条件已远非当年可比,可以从更广阔的范围,对更全面的因素进行考虑,作出决策。但由于泥沙问题实在过于复杂,对于许多原则性问题,言人人殊,难以形成共识。然而有一点可以肯定的是,历史上迫不得已采用,但却行之有效的办法,已难再用。这种办法是顺应河床演变趋势,当悬河达到某种程度而改道时,不力求恢复故道,而是俟雏形河道形成后,再逐步修建新的防洪堤坝,加以约束保护。不能继续运用这种办法的原因为,时至今日,黄淮海平原地区经济已十分发达,改道的破坏性太大,这就使问题转化为,如何减小河床抬升速度,使悬河状态基本或完全得到抑制。2黄河下游河床演变中的几个关键问题要深入认识黄河下游河床抬升的机制,有必要对黄河下游河床演变中的关键问题有较为正确的理解。黄河下游河道可大体上分为三段,第一段为AA至BB之间的河道段第二段为BB至CC之间的河口段,后者又分为河口E以上的河口河道段和河口E以下的浅海段第三段则为CC线以外的深海段图1。2.1黄河下游河床演变关键问题之一是河口E以上悬河纵剖面塑造的机制问题[1]黄河一个最突出的特点是,通过AA断面进入黄河下游的年输沙量远大于通过CC断面输往深海的年输沙量。后者在定量上难以确定,60年代我们曾根据少量河口地形变化实测资料,将大于15m水深,冲淤变化甚小的海域视为深海,曾粗略地估算为不足4亿t,这大体上相当于当年进入河口段利津以下沙量的三分之一[2]。近期的分析成果有的类似,有的更小[3,4]。这种状况是黄河口外海滨水浅潮弱的特点造成的,在这种状况下,AA及CC断面之间将发生严重淤积,其中包括AA至BB之间的河道淤积,BB至EE之间的河口河道淤积,再加上EE以下由河口沙咀及邻近海岸向前推进所造成的淤积。这里特别值得注意的是,由河道淤积造成的河床抬升Δy,为河口延伸Δx造成的河口抬升ΔyeΔx.Je,Je为河口比降所抵消,从而不可能通过淤积增大比降,来制约淤积的进一步发展图1,致使自我控制系统的反馈作用完全丧失。与此相反,如果黄河口外海滨为深水强潮,入海泥沙均能被带出CC断面之外,河口不向前推进,则河床比降将逐渐增大,至不再发生淤积为止。如图2所示。这是黄河下游持续淤积的根本原因所在[1]。图1黄河下游纵剖面变化示意图图2输沙平衡纵剖面示意图VariationschemeoflongitudinalprofileoftheLowerYellowRiverSchemeofariverlongitudinalprofileunderequilibriumsedimenttransport图1反映的是一个形态基本稳定,但淤积仍在继续进行的动态纵剖面,这是在黄河具体条件下比较特殊的一种近乎成熟的纵剖面,其标志是,整个下游河道多年累计淤积促成的洪水上升值,1994年与1958年对比,沿程差别不大,平均2m多,下游略大于上游。分析这一剖面,除深海淤积对河口和河道淤积均无影响外,河口区的河道淤积和浅海淤积对上游河水的顶托作用和由此引起的淤积影响是至为明显的。河道淤积本身下游对上游的影响也是至为明显的。2.2黄河下游河床演变关键问题之二是河口演变的特殊规律问题研究表明,在存在前述大鸟趾状三角洲的同时,还存在一个河口小鸟趾状三角洲。位于小鸟趾状三角洲的河道,同样存在着延伸、改道至再延伸的演变规律。当河道通过延伸、淤积而发展得较为成熟时,将出现决溢改道,另寻低洼捷径入海,在决口下游发生严重的沿程淤积,而在决口上游则发生严重的溯源冲刷。过此之后,河床再次延伸、淤积,直到发展成熟,等待下一次决溢改道的到来。每一次延伸改道至再延伸的演变过程称为一次小循环当改道遍及三角洲各地,整个三角洲海岸线均全面外移一段距离时,则称为一次大循环。每一次小循环,河长由增长、缩短,到再增长,其上游水位由抬高、降低,到再抬高,平均情况基本不变。每一次大循环之后,河身得到永久性的增长,上游水位也会得到永久性的抬高[2]。从上面有关河口演变所作的描述可以看到,就河口演变影响上游水位抬高而言,存在三种控制模式,整个三角洲向外全面推进为第一种模式,这是一种自然发展模式,这种模式由于海岸线最长,其平均推进速度必然最低,因而其壅高上游水位的作用也必然最小,见图3a完全扼制河口改道,迫使黄河长期独流入海为第二种模式,这是一种人为干扰极强的模式,由于这种模式向外推进的海岸线最短,因而河口延伸最长,其壅高上游水位的作用也必然最大,见图3b介于以上二者之间的是适当缩小三角洲推进范围的第三种中间模式,见图3c,单纯从减少壅高上游水位着眼,理应争取第一种模式,而目前实际采用的是第三种模式,这是为了在某种程度上增加河口河道的稳定性,有利于油田开发的缘故。图3黄河河口摆动范围示意图SchematicdrawingofshiftingscopeoftheYellowRiverMouth2.3黄河下游河床演变关键问题之三是近年来黄河下游所出现的水沙变化据统计,长系列1919~1985年黄河下游平均年水量464亿m3,年沙量15.6亿t,而短系列1986~1993年平均年水量仅307亿m3,年沙量仅7.5亿t。这既受气象因素影响,更与人为干扰有关,但值得注意的是,在1988~1994的连续7年中有3年1988,1992,1994年沙量分别为15.5、10.9及12.3亿t,说明黄河泥沙并没有稳定减少,出现大沙年的机遇还很多,加以汛期流量减少,下游泥沙淤积问题仍十分严重。由以上三个问题,可获得以下认识1进入下游冲积平原的年沙量远大于可输往深海的年沙量,整个黄河下游是一个持续淤积的大环境。2图1纵剖面变化情况显示,如果河道段少淤、不淤,甚至发生冲刷,则整个纵剖面调平,水流挟沙力降低,河口对上游水位的顶托作用加重,河道的少淤、不淤及冲刷局面将随之逐渐消失,也就是说,原河道所获的正面效益只是暂时的,将为接踵而来的强烈淤积所取代。3河口淤积对上游水位的顶托作用,不仅决定于淤积量,还决定于淤积部位,河身愈长,侵蚀基点愈居下游,河口淤积对上游水位的顶托作用愈大,河道的后期淤积愈严重。也就是说,河道的回淤是加速进行的。4近期黄河水沙情况虽有大的变化,但由于汛期洪水泥沙尚未得到有效控制,黄河下游河床淤积抬高问题仍未缓解,必须继续得到重视。以上这些认识将为治理方案的选择提供启示。3黄河下游治理原则的商榷有关黄河下游治理措施的争议颇多,这里不可能一一涉及,只打算对其中某些有代表性的治理原则加以讨论。3.1治理措施中一个似乎得到公认的原则是,黄河之所以善淤,其主要原因是来沙太多,而河道的水流挟沙能力甚小,要改变这一状况,关键在于提高河道水流挟沙能力,这样不但可做到不淤,甚至还可能出现冲刷。问题似乎就迎刃而解了。坚持这一原则最著名的是明河督潘季驯,他的束水攻沙说,直到现在还为许多近代工程师所喜闻乐道。单纯使用这一治理原则不可能解决问题是至为明显的。这是因为在黄河具体条件下束水根本达不到全面攻沙的目的,攻于上必淤于下,河道和河口河道部分,有可能通过攻沙暂时不淤,但河口以下的浅海部分不但会继续淤积,而且淤积速度还要进一步加剧,而这一部分加速淤积所带来的壅水作用,会迅速抵消其上游部分的攻沙效益。因此束水攻沙作为局部范围的临时性措施是有一定效果的作为全面的根治措施就完全不能解决问题了。为了验证这一设想,作者早年曾作过不同堤距的束水攻沙试验,在束水不能使河道全面改淤为冲的条件下,束水愈甚,河床淤积愈快,这一方面是由于束水减少了落淤面积另一方面还由于束水加重了下游淤积,从而增强了对上游的顶托影响。上述束水攻沙措施,除了原则上存在问题之外,在具体实施上,要使千里长堤对抗急流而不溃决,也存在较大困难。3.2通过提高水流挟沙能力以控制黄河不淤的另一种论点是通过控制滩槽淤积过程来限制淤积的发展。持这种观点的人,认为黄河水流挟沙能力的潜力很大,只不过两极分化,滩地河漫滩及边滩水流挟沙能力小,深槽水流挟沙能力大,一场大洪水之后,滩地全面淤高,而深槽则拓宽加深,形成所谓大水出好河的局面。因此希望采取某些工程措施,如通过水库调度控制下游水流不漫滩或少漫滩,这样等于增大了平均水流挟沙能力,黄河下游也就可以不淤了。遗憾的是,好河局面难以维持长久,在黄河形成高滩深槽的局面之后经过一段时间,总会由于这样或那样的来水来沙条件,下游河道或河口出现这样或那样的新情况,深槽淤成浅槽,黄河下游又面临滩地大面积落淤的前景。问题何在最根本的原因是黄河下游在整体上是处于淤积状态,在这种状态下,黄河下游河道段不可能长期维持一个很深的深槽。3.3有人考虑,深槽发生淤积,往往处在枯水期,因而建议将容易产生深槽淤积的枯水水流引走,其实枯水携带的泥沙很有限,即使能将枯水引走,也改变不了河道的整体淤积状态,从而也解决不了黄河的淤积问题。3.4提高黄河水流挟沙能力,还可不通过增加流速,而通过从外部补充能量,增加水流紊动强度来达到。所谓在河道内敷设炸药,同时引爆或利用机船拖淤,就是这种性质的工程措施,这种措施不仅大面积持久实施存在一定困难根据前面的讨论,它同样无法解决河道及河口整体处于淤积状态的根本矛盾。3.5另一项受到各方面重视的治理原则是历史上争议甚多,而近来又重新提出的百舸疏浚说,意即在沿河两岸适当地点布置大量挖泥船,实施疏浚弃土用于填筑两岸大堤背河一侧的盐碱洼地和加高培厚两岸大堤横断面,采用这一治理措施等于将两岸大堤临水一侧的淤积物搬运到大堤背水一侧,这无异于增加了落淤面积,消除了这一部分淤积物的阻水作用,这是一方面。另一方面是,大堤及其背水一侧地面的抬高,在某种意义上可以看成减轻了悬河程度,或使悬河变成相对地下河,从而降低了心理压力和防洪难度,实行这一措施也许可以将通过改道分片提高平原地面高程的模式,改造成为通过疏浚弃土,结合引黄放淤在垂直堤线方向逐步提高平原地面高程的模式。值得进一步探讨的是,疏浚量要大到何种程度才能发挥较大作用。从前面的论述可知,即使年来沙量大大减少,如减到8亿t以下,扣除能被海流带往深海的4亿t左右的沙量,剩下的还很多。因此,百舸疏浚只能作为一种有效的辅助性措施来使用,要完全靠它解决问题,将如潘季驯早就指出的那样,是挖不胜挖的。4黄河下游治理措施刍议黄河下游治理问题十分复杂,这里不可能一一涉及到,讨论重点将局限于其中一个最关键的问题,即河床抬升问题,且仅限于作原则性的讨论及从长远观点考虑问题。显然,研究黄河下游河床抬升问题,必须全面考虑进口来水来沙条件,出口侵蚀基点条件及向深海输沙条件,另外还须考虑整个河道的周边条件。同时,根据前面的论述,治理原则不应该是片面强调增加河道水流挟沙能力,而应该是,尽可能减少来沙量和尽可能多地将已淤积或即将淤积下来的泥沙转移出去,并使那些最终不可避免地要淤积下来的泥沙各得其所,尽量减少其对上游水位的顶托作用。下面根据这些原则,对设想的治理措施略述梗概。4.1大力开展水土保持工作,减少进入下游的沙量,关键问题在于减少洪水期的产沙量。近二、三十年来,黄河来沙量显著减少,既有水土保持的作用,也有来水偏枯,特别是某些集中产沙区偏枯的影响。据估计,水利水保措施的减淤作用年均达3亿t左右,这一事实一方面增强了开展水土保持工作的信心另一方面也揭示了问题的艰巨性,因为年来沙量必须降至4亿t左右,黄河下游才可望不淤如仅能降至年12t、10亿t、8亿t左右,则仍有大量泥沙会淤积抬高河床。4.2在中游修建大型水库,如正在修建中的小浪底水库,考虑修建的碛口水库等。采取拦粗排细的运用原则,用水库库容来换萨入下游的粗颗粒来沙量的减少。当然,改变水库的调度运用方式,适当调水调沙,以增加水库及其下游河道的输沙能力,在延缓河道淤积方面也有一定好处。但如前所述,这样作只能使淤积延缓一定时间,作用是有限的。在中游支流上修建主要以拦泥为目的的中型水库也是值得考虑的。这种拦泥库除拦泥外,还有抬高支流侵蚀基点,从而减少沟蚀的作用。4.3谈论黄河下游的治理,总离不开河口的治理,这是因为后者直接决定河道侵蚀基点的变化,与河口以上河道乃至整个下游河道水位的抬高息息相关。治理的原则是,在保证胜利油田维持相对稳定的前提下,尽量扩大河口河道的摆动范围,使三角洲海岸线较长,从而推进速度较低,这样,对壅高上游水位的影响也就相对较小了。河口治理是否能显著影响泥沙输入深海的强度,从现在认识来看,输入深海的沙量大小与海流的强弱及方位密切相关。在保持目前人类干扰程度的条件下,海流似乎不会有大的变化,输入深海沙量可暂时近似地定为常数,当然,这是一个有待进一步研究的重大课题。4.4百舸疏浚是处理泥沙的一个有效措施,已如前述,存在的问题是,来沙量过大,而疏浚能处理的泥沙有限,因此,将它看成一个有效的辅助手段则可看成能解决全部问题的主导手段则尚存在差距。4.5引黄淤灌在黄河下游已修建有大量工程,平均每年能处理的泥沙,仅就花园口至利津河段而言,70年代即达年1.66亿t。如对其中某些有条件的淤灌工程加以改造,增大引沙量另外,并在小浪底坝区修建引黄输沙渠道,将泥沙输送到黄河北岸背水一侧盐碱洼地,预计也可处理巨量泥沙。这里存在一个清水回黄的问题,如能做到这一点将更为有效即使做不到这一点,也不过使河道段淤积加快一些,整个河道、河口段的淤积总量仍维持不变。以上五种措施立足于通过控制下游的边界条件来控制河床的抬升,并着重考虑泥沙的处理。由于这五种措施各自都有先例可循,水沙关系基本上仍处于自然状态的变幅之内,因此它们的定量效益是可以通过研究确定的,从而在理论上是成立的。虽然,表面上看来,各种可以使用的措施都用上了,不是四两拨千斤,因而不够灵巧,但像黄河下游河床抬升这样复杂的问题,盘根错节,不进行根本性的综合治理,难望有成,也是可以断言的。何况通过研究,还可对这些措施的有效性,区别主次,重点选用。附带指出,上面提出的治理原则,大体上接近黄河水利委员会提出的拦、调、排、放,综合治理的治黄方略[5],是在某些提法及侧重点上有所不同。今后的研究应集中在各种措施所能处理的泥沙数量,及实施这些措施的具体方法上。参考文献1谢鉴衡。论黄河下游纵剖面形态及其变化。人民黄河,19801.2谢鉴衡,庞家珍,丁六逸,张广泉,张兴荣,刘百松。黄河河口基本情况及基本规律。武汉水利电力学院、黄河水利委员会科研报告,1965年。3UNDPProjectNo.CRP91/144.Sept.1995SupportFortheSustainableDevelopmentoftheYellowRiverDelta.4黄世光,王光豪。近代黄河三角洲海域泥沙的冲淤特征。泥沙研究,19902.5水利部黄河水利委员会。黄河治理开发规划纲要,1996年修订。
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