（农业水土工程专业论文）调水调沙对河南段黄河河道的影响.pdf

调水调沙对河南段黄i - j i g 道的影响 摘要 本文主要针对河南段黄河在小浪底水库运行后，特别是自2 0 0 2 年开始， 每年一次的调水调沙带来的水沙含量变化，从而引起的河床新的变形趋势 问题。 在河床变形问题上，本文重点介绍分析黄河下游河道在小浪底水库不 同来水来沙条件下的变形情况。本文在学习和吸收以往对于黄河下游河道 的泥沙冲淤理论的基础上，运用黄河下游河道准二维泥沙数学模型，采用 首次调水调沙试验的水沙资料为计算依据，并利用有限差分法对模型进行 计算，推算出近几年来由于调水调沙造成的河床变形新趋势。 通过对河床变形趋势的研究，结合典型灌区赵口引黄灌区调水调 沙后引黄供水事业面临的各种新问题，对河南省沿黄灌区引黄供水事业提 出解决对策，以减少调水调沙给引水造成的困难，最终达到维护黄河健康 生态与引黄供水事业和谐统一的局面。 关键词：调水调沙，小浪底，数学模型，黄河下游河道，引黄供水 e f e c to f 、) l 给t e r s e d i m e n tr e g u l a t i o n o ft h ey e l l o wl u v e ro n h e n a nl o w r e rr e a c h a b s t r a c t t h et h e s i sm a i n l ya i m sa tt h er i v e r b e dd e f o r m a t i o nf o ry e l l o wr i v e ro fh e n a na f t e rt h e x i a o l a n g d ir e s e r v o i ra p p l i c a t i o n ，e s p e c i a l l yt h ew a t e r - s e d i m e n tr e g u l a t i o ns i n c et h ey e a ro f 2 0 0 2 t h i st h e s i sp r i m a r ys t u d yt h ep r o b l e mo ft h ey e l l o wr i v e ro nt h el o w e rr e a c hr i v e r - b e d d e f o r m a t i o nw h e nd i f f e r e n tw a t e r - s a n da f t e rt h ex i a o l a n g d ir e s e r v o i ra p p l i c a t i o n a tt h eb a s e o fs t u d y i n ga n da b s o r b i n gv a l u a b l ek n o w l e d g ea n de x p e r i e n c eo ft h es e d i m e n tc u t a n d f l uo f t h ey e l l o wr i v e ro nt h el o w e rr e a c h , a c c o r d i n gt ot h et w o d i m e n s i o n a ls i l tm a t h e m a t i c a l m o d e la n dm a k eu s eo ft h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt oc a l c u l a t et h em a t h e m a t i c a lm o d e l a d o p tt ot h ef i r s tw a t e r - s e d i m e n tr e g u l a t i o ne x p e r i m e n td a t at oe x t r a p o l a t et h er i v e r - b e d d e f o r m a t i o nb e c a u s eo ft h ew a t e r - s e d i m e n tr e g u l a t i o ny e a r l y t h r o u g ht h es e a r c ho ft h e r i v e r - b e dd e f o r m a t i o nt e n d e n c y , a n di n t e g r a t i n gt h et y p i c a li r r i g a t e da r e a - z h a o k o ui r r i g a t i o n d i s t r i c tt or e s o l v et h ep r o b l e m so ft h ew a t e rd i v e r s i o nw o r k sf r o mt h ey e l l o wr i v e ra f t e rt h e w a t e r - s e d i m e n tr e g u l a t i o n , a n dt or e d u c et h ep i l o td i f f i c u l t i e sa f t e rt h ew a t e r - s e d i m e n t r e g u l a t i o n , f i n a l l ya c h i e v et h eh a r m o n i o u s a n du n i f ys i t u a t i o no fp r o t e c t i n gt h ey e l l o wr i v e r h c a l t hi i f ca n dt h ew a t e rd i v e r s i o nw o r k sf r o mt h ey e l l o wr i v e r k e y w o r d s ：w a t e r - s e d i m e n tr e g u l a t i o n ；x i a o l a n g d ir e s e r v o i r ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；t h e l o w e r r e a c h o f y e l l o w r i v e r ；, w a t e r d i v e r s i o n w o r k s f z o m t h e y e l l o w r i v e r 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵 权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所 使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明 并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文储躲狮呵 签字嗍。口尸 保证人( 导师) 签名： 槔宛抟 签字日期：勿u 力。，、 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水 利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用 影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规 定) 学位论文作者签名孤呵 导：彳每霆够 签字日期：a 唧石，。 签字日期：列u 7 6 。 z 华北水利水电学院硕士论文 1 1 论文选题背景及目的意义 1 1 1 选题背景 1 绪论 “黄河难治，根在泥沙。”黄河流经黄土高原，是世界上含沙量最大的河流，素有 “斗水七沙”之称。黄土高原严重的水土流失造成大量泥沙在黄河下游强烈堆积，下游 河段平均每年以1 0 厘米的速度淤积抬高，形成“地上悬河”【。2 0 世纪9 0 年代以来，由 于黄河水资源供需矛盾日益突出，“母亲河”维持自身生命的“冲沙水”被大量挤占， 平滩流量从6 0 0 0 恤3 s 降到2 0 0 0 m 3 s ，加剧了下游河道淤积，过流能力大幅降低。 黄河从潼关进入河南省境内，沿途流经三门峡、洛阳、济源、焦作、郑州、新乡、 开封、濮阳八个市区后进入山东境内。河南段黄河位于黄河下游流域的下部，属游荡型 河段，河床宽浅散乱，河势游荡多变，主流摆动频繁，形成著名的“二级悬河”。黄河河 床是由不同时期沉淀淤积的沙质土形成的，河槽的输沙能力受来水来沙影响很大。来水 流量大、含沙量小时，冲刷河床、沿程补给泥沙；来水流量小、含沙量大时则淤积河槽。 复杂多变的黄河来水来沙情况，导致了下游河道演变及输沙规律的复杂性1 2 1 。下游防洪、 减淤乃是治理黄河的首要任务。 治黄工作者通过对黄河下游河道输沙规律的研究中发现，在一定的河床边界条件 下，河道输沙能力与来水的含沙量存在明显的正比关系。在一定的河床边界条件下，下 游河道有“多来、多排、多淤”的输沙特点f ，】。如果能找到一种合理的水沙搭配，黄河 水流完全有可能将泥沙顺利输送入海，同时又不在下游造成明显淤积，还可以节省输沙 用水量。基于此，调水调沙应运而生。 1 f 2 选题目的及意义 黄河流域是中华民族的摇篮，自然资源丰富，黄河的治理与开发对于促进流域经济 和社会发展，具有十分重要的意义。豫鲁两省黄河大堤内的滩区居住着1 8 0 万群众，如 不尽快提高下游河道过流能力，滩区将呈现“小水小淹、大水大淹”的局面。 “水少沙多、水沙不平衡”是黄河淤积的根本原因【4 l 。调水调沙，就是在充分考虑 华北水利水电学院硕上论文 下游河道输沙能力的前提下，利用水库的调节库容，人为制造“洪水”，适时蓄存或泄放， 把淤积在黄河河道和水库中的泥沙尽量多地送入大海，改变黄河不平衡的水沙关系，从 根本上遏止河床抬高。 小浪底水库的建成，使调水调沙具备了实施的条件，与其他治黄方略相比，调水调 沙更充分地利用了自然的力量，以达到减淤目的，更加符合黄河泥沙的自然规律，符合 人与自然和谐共处的思想。要实现“维持黄河健康生命”的目标，关键就是要解决好黄 河“水少、沙多、水沙不平衡”的问题。在实施手段进一步完善后，调水调沙就可以作 为常规的治黄措施，用来有计划地对下游河道冲刷减淤。通过对黄河进行调水调沙试验 研究，找到最佳的黄河来水来沙搭配比例，从而黄河水流完全有可能将泥沙顺利输送入 海，同时又不在下游造成明显淤积，还可以节省输沙用水量，成为调水调沙的根本目的 8 2 0 0 2 年开始的每年一次的调水调沙试验，充分发挥了大水输沙能力强的特性，减 少河道淤积，而且有效增大了主槽的平滩流量，改善了下游河道的排沙条件。同时塑造 了稳定的河槽，利于河床的稳定。但是由于1 9 8 6 年以来，黄河下游出现了枯水少沙系列， 使主槽发生严重淤积，河槽萎缩，断面缩小，黄河下游已成为人为的萎缩性河道【5 1 。调 水调沙期间，突增的水量沙量变化，使河南段黄河河床下切、河道引水口淤积，且调水 调沙结束后，流量突减，水面水位下降，引水发生困难。给沿黄地区引黄供水事业带来 了新的问题。 为了深入了解黄河下游河道输沙规律，确定河道泥沙冲淤与来水来沙和区间引水之 间的关系，从而掌握调水调沙引起的水沙变化对河南段黄河河道的影响，本文采用黄河 下游河道准二维泥沙数学模型，模拟水沙变化带来的河床演变新趋势。并利用河床演变 趋势分析调水调沙对河南段引黄供水产生的新变化，以此为基础探讨其相应对策与措 施。 1 2 相关领域研究发展现状 1 2 1 黄河下游河道演变规律研究现状 从大禹治水起，先人已对黄河进行了不少研究，出现了如贾让、王景、潘季驯、靳 辅等一大批治河家1 6 l 。但囿于历史、社会、科学的限制，他们对黄河的认识不免具有局 限性。系统地对黄河下游河道演变规律的研究始于新中国成立之后： 5 0 年代，结合- - i 峡水利枢纽建设和三门峡水库建成以后黄河下游河床演变与河道 2 华北水利水电学院硕士论文 整治问题，研究了天然状况下，黄河下游河道水沙运行和河床演变基本规律，取得重大 进展： 6 0 年代，把= f - j 峡水库运用于下游河道演变联系起来，指导了三门峡工程的两次改 建，取得了成功； 7 0 年代，把流域与下游河道联系起来，重点研究了不同地区来水来沙对下游河道冲 淤的影响，取得突破性进展，明确了粗泥沙来源区的泥沙对黄河下游河道的危害最为严 重，对黄河治理起到了重大的指导作用。此外，还开展了高含沙水流特性及河床演变， “多来多排”的输沙机理及三门峡水库“蓄清排浑”运用后黄河下游河道演变规律等研究； 踟年代开始，把流域作为整体，开展了水沙变化对下游河道影响，黄河流域环境演 变与水沙运行规律等研究，都取得了明显的进展； 9 0 年代末，随着小浪底水库建成并投入运用，调水调沙具备了实践的工程条件m 。 治黄专家通过对黄河数百场典型洪水的分析和数十次河道模拟试验后，得出结论：黄河 下游维持2 5 0 0 m 3 s 流量再配以适当的含沙量 s l ，最有利于冲刷河槽，挟沙人海。这项研 究成果表明，可以通过人工手段，利用自然的力量改变黄河不平衡的水沙关系，使之符 合下游河道的输沙规律，可达到河床不淤积的目的。调水调沙是实现治黄手段转折的标 志性工程，其基本原则是根据黄河下游河道的输沙能力，利用水库的调节库容，有计划 地控制水库的蓄、泄水时间和数量，调整天然水沙过程，使不平衡的水沙过程尽可能协 调。其目的是在水库实时调度中形成合理的水沙过程，有利于下游河道减淤甚至全线冲 刷。同时，利用小浪底水库调水调沙，减缓黄河下游河道淤积，逐步探讨四库联合调度 的运用方式，能够在较长的时期内稳定黄河的现行河道，实现河床不抬高的目标 1 2 2 水沙数学模型研究现状 黄河下游水沙运动和河床演变规律是黄河治理和水资源开发利用的基础之一唧。几 十年来，黄河下游水沙运动及河道演变极为复杂，随着人类活动对流域环境影响日趋增 强，黄河的水沙条件已经发生了重大改变，黄河下游河道正进行着剧烈调整，河床演变 出现了新情况、新特点；黄河干流的大型水利水电工程也对改变黄河水沙条件、河床演 变产生新的影响i 删。近年来，治黄工作者结合黄河水沙实际情况，研究出诸多水沙数学 模型方法，为黄河下游游荡型河道演变规律提供了科学依据。 最早提出水库调沙设想【1 1 】，是美国学者葛罗同萨凡奇在1 9 4 6 年治理黄河初步报告 3 华北水利水电学院硕士论文 中提出，利用八里胡同水库控制洪水并发电， 下游河道设计应能承受水库下泄洪水和泥沙， 沙量高达2 0 ( 5 0 0 k 咖3 ) 的河水。 坝底设有排沙设备，每年放空排沙一次 设计成宽5 0 0 m ，深5 m 的河道，可输送含 黄河数学模型的研究，是与流域规划、工程建设和管理运用等生产紧密结合的。 麦乔威、赵业安、潘贤娣等学割1 2 1 ( 1 9 6 5 ) - - f 峡水库投入运用后，库区严重淤积， 并迅速向上游延伸，与原来的计算结果截然不同。为研究改建方案，通过实测资料建立 了许多泥沙冲淤量与水文要素之间的经验关系式。并在分析下游河道冲淤变化及挟沙能 力变化规律的基础上，提出了三门峡水库下游河床冲淤计算的方法。 麦乔威、李保如1 1 3 1 ( 1 9 8 0 ) 在1 9 7 5 年1 9 7 7 年进行治黄规划过程中，为研究各种规 划方案对黄河下游的减淤作用，使用两种河道冲淤计算的经验模型开展了大量的计算工 作。其中，在规划方案的初步比较阶段，使用的是李保如提出的框算模型，只考虑影响 输沙能力的最主要因素( 来水、来沙) 。 刘月兰、韩少发、吴知1 1 4 】等学者( 1 9 8 7 ) 在上述经验模型的基础上，根据不同河段 汛期、非汛期输沙经验公式，引人水流连续方程、动量方程及泥沙平衡方程式，建立了 一套颇具特色的黄河下游河道冲淤计算模型。该模型在黄河规划中得到应用，只是在第 三次加固大堤设计中，预计的下游淤积量与实际相差甚大。 谢鉴衡、韦直林、魏良瑛l 切等( 1 9 9 0 ) 开展了黄河下游洪水演进预报水动力学数 学模型研究。特别是1 9 9 2 年之后，对国家“八五”重点科技攻关项目研究的全面启动，使 黄河数学模型研究有了迸一步发展的机遇l 嘲。 钱意颖、张启卫1 1 7 】( 1 9 9 6 ) 主持开展了“黄河泥沙冲淤数学模型的应用”的专题研 究。 张红武【1 8 l 等( 2 0 0 2 ) 构建起具有通用性的黄河下游一维非恒定输沙数学模型。该模 型建立了新的泥沙连续性方程与河床变形方程，克服了以往数学模型计算中取饱和恢复 系数小于1 等缺陷，引入了符合黄河下游河道水沙特点的水流挟沙力和河床糙率计算等 公式，给出了悬移质含沙量以及悬移质泥沙平均粒径沿横向分布的计算方法，以及阐明 了河槽在冲淤过程中河宽变化规律的模拟技术。运用p m i s s m a n 四点差分格式离散水流方 程，并与泥沙连续性方程进行非耦合求解。 黄河下游泥沙数学模型是基于非均匀沙不平衡输沙理论建立起来的一维泥沙数学 模型。对模拟黄河中下游大型水库对下游河道的减淤作用【1 9 】具有较好的理论基础，并经 过黄河下游将近3 0 年的实测资料率定和验证，能够较好地反映黄河下游水库淤积极河道 4 华北水利水电学院硕士论文 泥沙冲淤演变规律例。在输沙计算方面，采用非均匀不平衡输沙理论【2 l 】，对含沙量、悬 移质和床沙级配变化等都能实时模拟。针对黄河下游高浓度输沙的特点，采用高含低含 沙量统一的挟沙能力公式1 2 2 l 。模型中也有待定的参数，但大量的应用实例表明，模型中 仅有的两个参数，如挟沙能力系数和恢复饱和系数具有稳定的取值范围【捌，并可通过一 些具有理论基础的表达式进行估算，较好地避免了参数选取的不确定性。在河道变形修 正方面，当淤积时，淤积物等厚沿湿周分布；当冲刷时，分两种情况修正：当水面河宽 小于稳定河宽时，断面按沿湿周等深冲刷进行修正；当水面宽度大于稳定河宽时，只对 稳定河宽以下的河床进行等深冲刷修正，稳定河宽以上河床按不冲处理i z 4 l 。 在黄河平面二维泥沙数学模型的研究方面， 韦直林1 2 5 l ( 1 9 9 0 ) 采用有限元法对黄河下游夹河滩至高村河段的1 9 8 2 年的洪水演进 过程进行了模拟； 程晓陶、刘树坤1 2 6 1 ( 1 9 9 9 ) 以二维恒定流与不平衡输沙理论为基础，将显式有限差 分法与有限体积法相结合，并引入张红武水流挟沙力公式计算泥沙冲淤变化，研制出夹 河滩至高村河段滩区水沙运行数学模型。结合工程实际，张世奇、杨国录等也对黄河京 广铁桥以上河段的冲淤规律进行了数值计算。 张红武、李东风、许雨新f 2 7 l 等( 1 9 9 9 ) 应用黄河泥沙运动基本理论研究的最新成果， 采用有限元法建立了济南河段平面二维水流泥沙数学模型。从河床冲淤形态、流量水位 过程、全域流速场等方面验证结果可以看出，该数学模型计算结果与实测资料符合较好。 黄金池【2 8 l ( 1 9 9 7 ) 中国水利水电科学研究院博士论文黄河下游河床演变平面二维 数学模型。平面二维非恒定输沙数学模型与相应的数值计算方法能够模拟黄河下游河道 水沙演进过程及河床冲淤变形规律。 张红武例等( 2 0 0 3 ) 黄河下游河道准二维泥沙数学模型研究。以水流运动方程及泥 沙运动方程为基础，同时引入与实测资料相符合的水流挟沙力、动床阻力、泥沙级配等 计算公式作为补充方程。构造出黄河下游河道准二维泥沙数学模型，该模型不仅能计算 黄河下游河道一般洪水引起的河床冲淤变形，还能成功地模拟出大沙年下游处于强烈淤 积时的规律。 黄远东等( 2 0 0 3 ) 黄河下游平面二维非恒定输沙数学模型；一i i 模型验证。采用 黄河下游1 9 8 2 年洪水资料，选取花园口至夹河滩河段为计算区域，对所建模型进行了验 证计算，结果表明本模型计算的洪峰传播过程，水位变化过程及含沙量变化过程等均与 实测结果接近，流速场、主流线等也较符合实际。从而证明了所建立起的平面二维非恒 5 华北水利水电学院硕 论文 定输沙数学模型与相应的数值计算方法能够模拟黄河下游河道水沙演进过程及河床冲 淤变形规律。 泥沙模型h e c - 6 模型1 3 1 】( 1 9 8 9 ) 是美国最通用的泥沙模型。但使用黄河资料进行检 验时发现，这类模型直接用于黄河必须做很多的工作【3 2 】。 美国学者杨志达博士1 3 3 l 等( 1 9 8 6 ) 在1 9 8 6 年开发t g s t a r s 模型。参照我国经验进 行修正后，对黄河杨集至孙口河段进行了验证计算，计算结果证实：海外数学模型同黄 河实际尚存在着很大的距离。 胡春宏1 3 4 1 ( 2 0 0 4 ) 建立了黄河下游泥沙冲淤数学模型，并利用实测资料对模型进行 了率定和验证。然后利用泥沙数学模型就小浪底水库调水调沙运用对下游河道的减淤作 用、区问引水与河道冲淤关系、以及下游河道临界平衡等问题进行了研究。给出了下游 河道冲淤临界平衡值，指出了通过小浪底水库调水调沙运用和控制下游区问引水可以有 效地减轻黄河下游河道淤积。 s t v e n a n t | 3 5 1 ( 1 9 世纪7 眸代) 提出了著名的非恒定水流方程，为数学模拟技术的发 展提供了理论基础l 蚓。自二十世纪五十年代以来，随着科学技术的进步和计算机的问世。 苏联己广泛使用一维数学模型【3 7 】对大型水库淤积及坝下游冲刷进行长时闻和长距离的 河床变形计算【勰】，二维数学模型也偶尔用于坝区局部河段的冲淤计算1 3 9 l ；美国对水库库 首淤积计算等方面也做了类似的研鳅柚1 ；西德汉森1 4 1 1 在5 0 年代中期已开始研究河口、海 岸水流泥沙运动的二维数学模型。 近年来，三维水沙数学模型的发展趋势越演越烈1 4 2 1 ，基于虚拟地理环境三维河道模 型1 4 3 j 近年已成为g i s 和水文研究的一个热点【删，相关理论和实践研究进展使数字黄河的 构建成为可能嘲。 1 3 论文研究的主要内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 论文从研究河流水沙变化对河道演化的影响入手，从而掌握来水来沙量的变化对河 南段黄河河道造成的不同演变趋势。采用黄河下游河道准二维泥沙数学模型对调水调沙 后河南段黄河河道的冲淤变形情况进行计算分析，得出河道在调水调沙后的演变趋势以 及这种演变给引黄事业带来的新问题，并提出了相应的解决对策。 主要研究内容如下： 6 华北水利水电学院硕士论文 ( 1 ) 水沙变化对游荡型河道演变的影响作用； ( 2 ) 河南段黄河河道的演变规律； ( 3 ) 建立平面二维水沙数学模型，以此计算推测河南段黄河在调水调沙期间由于水沙 变化导致的河道演变情况： ( 4 ) 河道演变给下游沿黄区引黄供水带来的新问题。 1 3 2 拟采用的技术路线 建立河南段黄河下游河道准二维泥沙数学模型。采用2 0 0 2 年调水调沙的系列水沙变 化为基础资料，通过模型计算推断未来几年调水调沙期间的水沙变化以及河道演变的新 趋势；并利用河床演变趋势分析调水调沙对河南段引黄供水产生的新变化，以此为基础 探讨其相应的对策与措施。 采用的计算方法：有限差分法。 7 华北水利水电学院硕士论文 2 小浪底水库运行后河南段黄河河道水沙变化情况 2 1 河南段黄河河道概况 2 1 1 自然概况 河南段黄河主要指河南孟津自鹤镇至高村之间的河段( 以下简称黄河下游河道) ， 河道全长2 9 9 k m ，流经洛阳、焦作、郑州、新乡、开封、濮阳等地区。沿岸以农业生产 为主，近2 0 多年来工业生产有了长足的发展，由于位于中原腹地，因此地理位置十分 重要。 2 1 2 下游河道平面特征 白鹤镇至高村河段是典型的游荡性河道。河道比降大，约在1 7 2 2 6 5 _ 酝之间。河 床断面宽浅，河槽一般宽达2 0 3 5 k m ，有时超过4 0 k r a ，水深很浅，滩槽高差小，多在 2 m 以下，河身顺直。河道内沙洲密布，水流分散，歧流丛生，游荡性河道的这些平面形 态特征简称为“宽、浅、散、乱”。2 0 世纪7 0 年代以后，尤其是9 0 年代，黄河下游在向 重点整治过渡性河段的同时，在游荡性河段按照微弯型整治方案也修建了一些河道整治 工程，这些河道整治工程发挥控导河势的作用，“宽、浅、散、乱”的河槽形态有所改 善，但从整体看，河道的游荡性河势尚未改变，如遇不利的水沙条件，仍会复现“宽、 浅、散、乱”的原有面貌。 游荡性河道具有如下的变化规律： ( 1 ) 大水走直、小水走弯 由于游荡性河道河槽极为宽浅，河槽对水流的约束作用弱，因此在洪水期( 大水时) 形成的河槽总是顺直的，洪水沿着最大比降方向流动，这就是洪水期河势趋直的原因所 在；至于河流的弯曲，则是由于小水期受河床上犬牙交错边滩条件的制约丽被迫沿着弯 曲的流路流动。大水动量大，克服了边滩的约束，走直；小水动量小，克服不了边滩的 约束，走弯。 ( 2 ) 涨水冲刷、落水淤积 在涨水期，主槽的冲刷是必然的，这是由于在洪水演进的过程中随着洪水的上涨。 8 华北水利水屯学院硕士论文 水深增加，作用在河床底部的水流功率增大，底沙的输送强度增强，河床不断冲深。在 洪峰时，水深达到最大，作用在河底床面上的水流功率最大，底沙输送强度也最大。但 底沙的运动速度远远小于洪水的传播速度，在涨水过程中，水流要从河底不断地补给泥 沙。在洪峰稍后，河床高程达到最低，此后。由于底沙的运动强度不断减小，其运动也 越来越滞后于洪水传播速度，河床在落水期必然不断地淤积抬高。 2 1 3 河床地质条件 黄河下游冲积平原，是历史上黄河南北迁徒泛滥的广大地区。平原地表略有起伏， 辽阔坦荡，水网密集，大部分地区在海拔7 0 m 左右( 郑州9 0 m ，高村在6 0 m 以上) ，自西向 东自然坡度由山前的1 2 0 0 0 逐级过渡到1 1 0 0 0 0 。平原的地质基础为中生代以来断陷盆 地，地质情况复杂。中生代以来呈块状急剧断裂下沉，展布范围为：北起燕山，南抵大别 山，西以太行山、伏牛山为界，东临瀚海与泰山。黄河下游广泛分布着第四系松散沉积 层。黄河下游河道所流经的地区由深层到浅层的岩层分布，基本上可分为太古界( 前震 旦系) 、古生界( 震旦系、寒武系、奥陶系、二迭系) 、新生界( 第四系) 。其中位于最上层 的第四系地层最为发育，该层厚度大，层次和岩性变化复杂，直接与堤防以及各类防洪 工程有着密切的关系。 2 1 4 下游河道泥沙特点 黄河以泥沙量大，含沙量高闻名于世黄河泥沙的主要特点有以下几个特剧4 6 1 ： ( 1 ) 水少沙多。黄河的水量不及长江的1 1 7 ，而沙量为长江的3 倍，平均含沙量 3 3 6 k g m 3 ，与世界多泥沙河流相比，沙量之多，含沙量之高是世界上绝无仅有的。 ( 2 ) 水沙异源。由于自然地理条件差别很大，水沙来源的不平衡非常突出，上游 是黄河水量的主要来源区，中游则是黄河泥沙的主要来源区。黄河中游地区每遇暴雨， 土壤侵蚀十分严重，给黄河带来大量泥沙。 ( 3 ) 时间分布不均衡。黄河水沙存在着长时段的洪枯相间的周期性变化年际变 化很大，年沙量的变幅大于年水量的变幅。年内分配不均匀，水沙量主要集中在汛期， 沙量的集中更甚于水量，汛期水、沙量分别占年水、沙量的6 0 和8 5 左右，汛期又集中 于几次暴雨洪水。 ( 4 ) 汛期与非汛期泥沙粗细差异较大。进入下游的泥沙以悬移质为主，推移质所 9 华北水利水电学院顾l ：论文 占的百分比极小。汛期泥沙主要由暴雨从流域表面挟带下来，泥沙粒径较细，并经过沿 程的调整，总的趋势是沿程变细。悬移质中值粒径多年平均下游花园口站0 0 2 m m 。而 非汛期泥沙则多来自河床冲刷，粒径较粗，花园口站0 0 3 5 m m 。 2 1 5 河道输沙特性 黄河下游河道输沙存在着窄深河道多来多排、宽浅河段多来多排多淤、主槽多来多 排而滩地多淤的特性。不仅细颗粒泥沙如此。造床质泥沙( d 0 0 2 5 m m 粗泥沙) 1 4 7 l 也存在 着同样的输沙规律。窄深河槽有利于高含沙水流输送，适宜输送的含沙量不是低含沙量， 而是含沙量大于2 0 0 k g ，m 的高含沙水流。造成高含沙洪水在黄河下游宽河道严重淤积和 在输送中产生异常现象的主要原因是河槽极为宽浅。 黄河下游河道比降虽然沿程变缓，但水面宽沿程缩窄，水深、流速沿程增大，形成 洪水期输沙能力沿程不仅不减少反而增加的局面。 2 2 小浪底运行后来水来沙情况 黄河下游河道河势变化受来水来沙及河床边界条件等因素的影响很大。小浪底水库 的修建运行后，对河势演变有很大的影响。 2 2 1 水库自然状况及初始地形 小浪底l 4 5 j 水利枢纽上距三门峡大坝d o k m ，下距花园口1 2 8 k i n 。- - f 3 峡至小浪底 区间集水面积为5 7 3 4 k m 2 。库区流域属土石山区，沿黄河干流两岸山势陡峭，沟壑较多。 库区支流库容大于1 亿1 1 1 3 的有1 1 条，其中较大的支流有大峪河、煤窑沟、石井河 等。库区内黄河干流河段上窄下宽，自坝址至水库中部的板涧河河口长6 1 5 9 k i n ，除八 里胡同河段外，河谷底宽一般在5 0 0 1 0 0 0 m 之间。坝址以上2 6 3 0 k m 之间为2 0 0 3 0 0 m 宽的八里胡同峡谷库段，该段山势陡峻、河槽窄深，是全库区最狭窄的河段。板涧河河 口至三门峡水文站河道长度为6 2 k i n ，河谷底宽为2 0 0 3 0 0 m ，亦属窄深河段。小浪底 水库建库前三门峡小浪底河段河床稳定。 小浪底水库总库容为1 2 6 9 亿m 3 ( 1 9 9 7 年实测) 自2 0 0 0 年正式投入运用，至2 0 0 1 年9 月库区约共淤积泥沙6 1 7 亿m 3 。 1 0 华北水利水电学院硕士论文 2 2 2 水沙条件 小浪底入库干流水沙控制站为- - f l 峡水文站。小浪底水库入库水沙过程除取决于黄 河上中游来水来沙条件外，还受- - f l 峡水库调度的制约。小浪底水库自1 9 9 9 年1 0 月运 用以来到调水调沙试验开始前，来水来沙量变化见表2 - 1 。 表2 - 1 小浪底水库运用后水沙变化情况 t a b l e2 - 1t h ec h a n g eo f f l o wa n ds e d i m e n ta f t e rt h ex i a o l a n g d ir e s e r v o i ra p p l i c a t i o n 时段( 年月) 小黑武水量( 亿m 3 ) 小黑武沙量( 亿t ) 1 9 9 9 - 1 1 2 0 0 0 - 0 5 1 0 5 9 3o 2 0 0 嘶2 0 0 0 - 1 0 4 9 9 1o 0 4 7 3 2 0 0 0 - 1 1 4 2 0 0 1 - 0 5 1 1 9 4 60 2 1 - 0 6 2 1 1 04 5 9 0o 2 3 1 5 2 1 1 1 2 0 0 加51 1 2 8 50 0 1 5 0 1 9 9 9 1 1 2 0 0 2 0 54 3 4 0 5o 2 9 3 8 从表中统计的数据来看，小浪底水库运用后到调水调沙试验开始前，小浪底水库共 下泄清水4 3 4 0 5 亿m 3 ，沙量0 2 9 3 8 亿t 2 3 小浪底水库运行后河南段河道冲淤演变情况 2 3 1 冲淤变化 表2 - 2 小浪底水库运用以来下游河道冲淤量 t a b l e 2 - 2t h ec h a n g eo f t h ed e p o s i t i o n e r o s i o na f t e rt h ex i a o l a n g d ir e s e r v o i ra p p l i c a t i o n 时段 河段1 9 9 9 - 1 0 郐o o - 晒2 0 0 0 - 1 口一2 0 0 1 - 0 5 2 0 0 1 1 0 1 9 9 9 - 1 0 2 0 0 0 - 0 52 0 0 0 - 1 02 1 彤2 0 0 1 1 02 0 0 2 硝2 0 0 撕 白花 - o 卯| 30 伽瞎 旬4 3 9 0 2 0 4- 0 2 0 11 8 2 6 花夹 - 0 4 0 6- o 2 7 3m 3 9 60 0 4 9- 0 3 8 11 j 0 5 夹高 o 0 8 1 加伽旧m 1 6 4- 0 0 0 7 - o 0 3 晒田1 3 4 白高 1 2 9 8旬2 8 9- 0 9 9 9n 2 6- 0 6 1 83 4 6 5 注：。，代表冲刷，。+ 叶表淤积，下同；白指白鹤，花指花园口，夹指夹河滩，高指高村下同 1 9 9 9 年1 0 月以来，由于小浪底水库蓄水拦沙，水库下泄清水并且流量较小，下游 1 1 华北水利水电学院顾j ：论文 河道自上而下发生了一定的冲刷【4 9 l 。 1 9 9 9 年1 0 月2 0 0 2 年5 月间，黄河全下游河段共冲刷泥沙2 9 6 0 亿t ，其中河南段 黄河冲刷泥沙3 4 6 5 亿t ，占全下游的1 1 7 。各河段河道的冲淤情况见表2 - 2 。 2 3 1 1 沿程冲淤变化 从1 9 9 9 年1 0 月2 0 0 2 年5 月冲淤沿程分布来看，冲刷主要发生在夹河滩以上河段， 其中花园口以上冲刷1 8 2 6 亿t ，花园口夹河滩冲刷1 5 0 5 亿t ，分别占总冲刷量的6 1 7 和5 0 8 ；夹河滩高村冲刷0 1 3 4 亿t 。黄河下游河南段整体表现为冲刷。 2 3 1 2 年内冲淤变化 从年内的冲淤量来看，非汛期冲刷量大于汛期冲刷量，且冲刷部位逐渐下移。1 9 9 9 年1 0 月2 0 0 0 年1 0 月，冲刷发展到夹河滩，重心在花园口以上，夹河滩以上冲刷l ，5 6 0 亿t ：2 0 0 0 年1 0 月2 0 0 1 年1 0 月，冲刷发展到高树，重心仍在花园口以上，花园口 夹河滩河段也发生了明显的冲刷，重心有下移之势，夹河滩以上冲刷1 0 8 8 亿t ，占当年 总冲刷量的9 6 7 ，高村以上冲刷1 2 5 9 亿t ，占当年全下游冲刷总量的1 1 2 ，说明随 着小浪底水库初期运用时间的加长。下游河道的冲刷部位逐渐下移。 2 3 2 断面形态变化 1 9 9 9 年1 0 月2 0 0 2 年5 月间，小浪底水库下泄流量小于平潍流量，下游河道断面 形态发生了变化，其中高村以上河段( 河南段黄河) 主槽发生冲刷，各河段主槽的展宽、 冲深情况见表2 3 。 表2 - 31 9 9 9 年l o 月2 0 0 2 年5 月下游河道断面形态变化 t a b l e 2 - 3 1 9 9 9 1 0 2 0 0 2 5 t h e c h a n g e o f t h e f o r m o f s e c t i o n f o r t h e l o w e r y e l l o w r i v e r 河段 主槽展宽( m ) 主槽冲淤厚度( m ) 白花 6 5 0 ，6 6 花夹 9 4 - 0 4 4 夹高 1 9 - 0 0 3 由上表可以看出，主槽平均冲深白鹤花园口河段为0 6 6 m ，花园口夹河滩河段 为0 4 4 m ，夹河滩高村河段为o 0 3 m 。可见，上部河段主槽冲刷强烈。高村以上河段 主槽有不同程度的展宽，其中花园口夹河滩河段主槽平均展宽幅度最大，约9 4 m ，原 因是该河段为典型的游荡性河道，边界控制条件弱，河道宽浅，主流摆动，且有不同程 度的塌滩。夹河滩高村河段河道为冲刷，但东坝头断面以下河段，河道逐渐出现淤积。 华北水利水电学院硕士论文 夹河滩以上主槽冲刷0 4 4 0 6 6 m ，主槽冲刷主要集中在宽度不大的深槽中。这种 主槽内深槽的冲刷并不能显著增加主槽的过流能力。 2 3 3 主槽床沙粒径变化 小浪底水库蓄水运用以来，下游各河段主槽床沙中值粒径d 。变化情况见表2 - 4 。 表2 - 4 下游各河段主稽床沙中值粒径变化情况( 单位：m m ) t a b l e 2 4 t h ec h a n g e a b o u t m e d i a ns i z e e f t h e l o w e r y e l l o w r i v e r m a j o r t r o u g h ( m m ) 河段2 0 0 0 年汛后2 0 0 1 年汛前2 0 0 1 年汛后 2 0 0 2 年汛前 花以上 o 1 0 4o 1 8 1o 2 3 6o 2 2 l 花夹 0 0 7 80 1 1 7o 1 2 80 1 3 9 夹高 o 0 5 50 0 9 3o 1 2 3 0 1 2 0 从上表可以看出，花园口以上河段由于河道冲刷，床沙粗化明显，主槽床沙中值粒 k 径d 从2 0 0 0 年汛后的0 1 0 4 m m 增至2 0 0 1 年汛后的0 2 3 6 m m 。2 0 0 1 年汛后到2 0 0 2 年 汛前花园口以上河段床沙粗化不明显。 花园口夹河滩、夹河滩高村两河段每年均因河道发生冲刷，床沙发生不同程度 的租化，床沙中值粒径分别由2 0 0 0 年汛后的0 0 7 8 m m 、0 0 5 5 r a m 增至2 0 0 2 年汛前的 0 1 3 9 r a m 和0 1 2 0 r a m 。 整体看来，自小浪底水库运用后清水下泄，使河南段黄河主槽下切，床沙粗化，整 个河段河道发生冲刷，过流能力增大。 华北水利水 u 学院硕：i 二论文 3 调水调沙期河南段黄河河道水沙变化情况 小浪底水库的建成，使调水调沙具备了实施的条件。黄河自2 0 0 2 年开始已经连续 进行了5 次调水调沙，并于2 0 0 5 年正式转入生产运行。由于各年调水调沙数据庞大、 最新数据缺乏、且规律性较强，所以本文不再按年份一一累述，仅选取首次调水调沙试 验为主对调水调沙期间水沙变化的基本特点进行介绍。 3 1 不同洪水对下游河道冲淤影响 黄河下游为典型的冲积性河道，处于不断的淤积抬高过程中，按照成因和过程的不 同，分为两大类：沿程堆积和溯源堆积。造成沿程堆积的主要原因是来沙量超过水流挟 沙能力，溯源堆积的主要原因是河流出口侵蚀基准面的相对抬升。本文研究的河南段黄 河属于沿程堆积。 黄河下游并不是逐年抬高，而是有冲有淤，其冲淤变化主要取决于来沙量和水流挟 沙能力的对比关系，也即是水沙搭配关系例。凡是水多沙少的年份，黄河下游淤积量就 较少，甚至还发生冲刷；凡是水少沙多的年份，黄河下游的淤积量就比较多。综合以往 对黄河的研究可以看出，黄河下游的淤积主要发生在汛期的洪水时期，因此调整洪水期 的水沙搭配，也即调水调沙，是控制下游淤积及淤积分布的主要措蒯5 “。 3 1 1 典型漫滩洪水对河道的冲淤分析 3 1 1 1 漫滩洪水与未漫滩洪水的比较分析 根据相关资料统计的1 9 5 0 2 0 0 0 年各场次洪水过程，以及对比分析的漫滩洪水与 未漫滩洪水对下游河道及主槽的冲淤影响，得到未漫滩洪水的平均含沙量与单位水量冲 淤量的关系，如图3 - 1 ，从图上看出，未漫滩洪水的平均含沙量与单位水量冲淤量有较 好的线性关系。漫滩洪水全断面的平均含沙量与单位水量冲淤量和未漫滩洪水比较接 近，但由于滩地发生淤积，主槽发生强烈冲刷，漫滩范围越大，滩地淤积越多，主槽冲 刷越多。当洪水的平均含沙量较高时，未漫滩洪水发生强烈淤积，而漫滩洪水主槽也只 产生微淤。 1 4 华北水利水电学院硕士论文 售 里 、， 籀 量 蛔 * 强 ：岳 平均吉沙量( k g 而 图3 1 漫滩和未漫滩洪水的平均含沙量与单位水量冲淤量关系图 f i g 3 - 1t h er e l a t i o n a lg r a p ho fm e a ns e d i m e n tc o n c e n t r a t i o na n dd e p o s i t i o n e r o s i o n 3 1 1 2 漫滩洪水的淤滩刷槽关系 图3 - 2 为潍地冲淤量与主槽冲淤量关系。图中直线为滩地冲淤量与主槽冲淤量关系 的回归趋势线，可以看出滩地冲淤量与主槽冲淤量之间存在较好的相关关系，其趋势线 方程为： k 一0 6 1 2 - 0 8 1 3 i , v ， ( 卜1 ) 式中：h 名为滩地冲淤量；矸2 为主槽冲淤量。式( 3 1 ) 相关系数为o 9 1 3 4 ，由此 可知滩地冲淤量与主槽之问相关关系较好 0 8 v 籀 爱 颦 斗h 滩地冲淤量眙) 图3 - 2 黄河下游漫滩洪水滩地冲淤量与主槽冲淤量的关系 f i g 3 - 2t h er e l a t i o a a lg r a p ho f b o t t e m l a n da n dm a j o r t r o u g hd e p o s i t i o n e r o s i o n 华北水利水l 乜学院硕 ：论文 3 ，i 2 峰型对下游河道冲淤变化的影响 黄河下游每年的来水来沙条件各不相同，包括来水来沙的多少、水沙搭配、洪峰和 沙峰的形态等。峰型是按照洪峰的形状和个数来分类的。按形状分类，包括尖瘦型和胖 型；按个数分类，包括单峰、双峰、三峰和多峰( 4 个及4 个以上) 。 3i2 i 不同峰型对河道冲淤影响 由图3 - 3 可以看出，黄河下游单位水量的冲淤量与三黑小的平均含沙量的关系非常 紧密。洪水的平均含沙量小于2 0 k g m 3 时，黄河下游一般均发生冲刷：当含沙量在2 0 6 0 k g m 3 时，黄河下游河段可冲可淤，一般小于4 0 k g m 3 时冲刷居多，大于4 0 k g m 3 时淤 积居多；当含沙量大于6 0 k g r a 3 时一般会发生淤积。这一关系对于各种峰型均成立，即 不同峰型在图3 3 中的点是融合在一起