黄河第三次调水调沙试验下游扰沙过程及效果分析.doc

黄河第三次调水调沙试验下游扰沙过程及效果分析苏运启 林秀芝 郑艳爽 尚红霞（ 黄委会黄河水利科学研究院，河南郑州，450003）（ 水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州，450003）内容提要：黄河第三次调水调沙试验期间，利用水流富余能量，采用人工扰沙措施，将下游瓶颈河段（平滩流量小，河道过流能力低）的河床泥沙扰动起来，使主槽加深，改善局部河段河道形态，提高水流输沙能力和河道行洪条件，并兼有补沙作用，使水流尽可能多的挟沙向下游输移。文章概述了黄河第三次调水调沙试验下游泥沙扰动调度实施过程及扰沙效果。通过适时的辅以人工扰动，使扰沙河段断面向窄深方向发展，平滩流量增大，使过流面积、平滩流量最小的“瓶颈”河段河道边界条件得到了进一步改善，达到了扰沙效果，共扰动泥沙164.13万m3，调水调沙和扰沙使扰沙河段平滩流量约增加了440550 m3/s。关键词：调水调沙试验；扰沙过程；效果分析 ；黄河；1 前言黄河第三次调水调沙试验总的指导思想1是根据水库蓄水情况，充分利用自然的力量，通过精确调度万家寨、三门峡、小浪底等水利枢纽工程，在小浪底库区塑造人工异重流，辅以人工扰动措施，调整其淤积形态，加大小浪底水库排沙量；由于小浪底水库处于拦沙初期，出库泥沙为异重流排沙或浑水水库排沙，一般出库含沙量较低、泥沙颗粒较细，水流具有较强的富余能量，利用进入下游河道水流富余的挟沙能力，在黄河下游“二级悬河”及主槽淤积最为严重的河段实施河床泥沙扰动，扩大主槽过洪能力。在确保黄河防洪安全的前提下，实现小浪底库区和下游河道减淤等多重目标。通过多方调研和多次专家论证，并进行了必要的现场试验，下游扰沙方案设计主要采用射流扰沙和扰动抽沙相结合的综合措施。根据投入设备的数量和性能，进行了详细的设备布置。同时，依据黄河第三次调水调沙的水沙过程，扰动共分两个阶段：第一阶段为6月22日12时至6月30日8时；第二阶段为7月7日7时至7月13日6时，两个阶段总计331小时。2黄河下游泥沙扰动过程2.1扰动设备及其布置2(1) 河南河段扰沙设备河南河段扰沙作业平台共计11个，包括80吨自动驳2艘，布设水文局射流设备，每个设备配20个高压喷头；200吨双体自动驳1艘，浮桥双体压力舟5条，每艘布置LGS250-35-1两相流潜水渣浆泵4台；120型挖泥船2艘；民船1艘，配射流枪12个。(2) 山东河段扰沙设备山东河段扰沙作业平台共计15个，包括2艘自航驳船舟，其中1艘为双体船，安装三门峡射流设备,水泵出水量1200 m3/h，12个喷头，1艘为单体自行驳船，安装6台小机泵组，每台小机泵组出水量100 m3/h，8个喷头；2艘移动承压舟，其中1艘安装三门峡枢纽局射流设备，1艘安装185马力柴油机带动10EPN-30大机泵，配18个喷管18个喷头，出水量1200 m3/h；11艘浮桥浮体组合式工作平台，安装高压射流设备，每艘安装2台90KW发电机做供电电源，6台小机泵组，每台小机泵组出水能力100m3/h，一个喷管8个喷头。(3) 扰沙船只布置布置原则为：为了分析各类设备的扰沙效果以及扰动泥沙的输移特点，同时避免局部河段的淤积，扰沙设备布置原则一是扰动设备相对集中于平滩流量较小的重点河段；二是同类设备相对集中布置；三是以浅滩段的中段和下段两种布置方式；四是以利于泥沙的输移，同时防止泥沙在下一河段的淤积。为了达到加深主槽、改善局部河段河道形态，提高水流输沙能力和河道行洪条件并兼有补沙作用增加水流挟沙的目的，确定扰沙河段为史楼至于庄20km和梁集至雷口长10km的两个河段（见图1）。图1 2004年黄河调水调沙试验下游扰沙布置示意图根据孙口站流速分布情况，较小的船只或相对固定的设备基本在流速小于1.5m/s的区域，即在水边50m左右的边流区，其它较大设备基本布置在水深2m左右区域（2m以下水深占到主槽宽度的25左右，约100120m），尽量靠近主流区，离开固定扰沙设备100m左右。2.2扰沙时间根据高村前置站和艾山反馈站水沙过程，通过实时加沙系统计算，本次扰动共分两个阶段：第一阶段为6月22日12时至6月30日8时，计188小时；第二阶段为7月7日7时至7月13日6时，计143小时。两个阶段总计331小时。2.3实际扰沙调度6月19日9时，小浪底水库开始放水，黄河第三次调水调沙正式开始，扰沙指标监控分析组及时对黄河下游水沙资料进行分析，通过扰动加沙实施调度计算系统调算和扰沙指标监控分析组会商，向黄河第三次调水调沙试验指挥调度组发布扰沙开始或停止的建议指令，指挥调度组将扰沙指令以明传电报的形式发送到河南和山东两个扰沙前线。两个扰沙组根据明文电传决定扰沙开始或停止。3 黄河下游泥沙扰动效果分析3.1扰沙量估算结合潼关射流清淤现场试验效果和黄科院射流冲刷室内试验成果确定射流扰沙量3，扰动抽沙能力利用现场实际观测结果计算。根据两个河段投入的设备数量和性能，不考虑由于扰动额外增加的冲刷量，计算实际扰起的泥沙量约为164.13万m3。其中徐码头河段扰沙93.79万m3，雷口河段扰沙70.34万m3。3.2平滩流量变化利用汛前大断面，并结合第三次调水调沙前各河段的冲淤情况，计算分析扰沙前徐码头上、下20km河段平滩流量平均为2350 m3/s，其中徐码头断面最小为2260 m3/s，雷口上、下10km河段平滩流量平均为2460 m3/s，其中雷口断面最小为2390 m3/s。根据分析调水调沙结束后扰沙河段的平滩流量约为2900m3/s。说明调水调沙水流和扰沙的共同作用使扰沙河段平滩流量约增加了440550 m3/s，使两卡口段过洪能力得到增大，不利的边界条件得到改善。扰沙河段平滩流量增加值大于黄河下游各河段平滩流量平均增加值200300 m3/s。3.3河道冲淤变化根据黄河第三次调水调沙前后加测的徐码头河段断面资料计算各断面冲淤情况如表1。从表看出，扰沙河段发生明显冲刷，处于扰沙范围内的4个断面平均冲刷135 m2,位于山东扰沙河段的雷口断面冲刷104 m2，均大于扰沙上下河段过渡段的平均值。利用数学模型进行了扰沙前、后对比计算，若不进行扰沙，高村孙口河段平均冲刷面积为75 m2，可见，由于扰沙使徐码头河段断面面积净扩大约60 m2。表1 徐码头河段冲淤情况断面间距（m）冲淤面积（m2）冲淤量（万m3）徐码头2-300HN11000-140-22.00HN2900-120-11.70HN3700-150-9.45苏阁1200-660-48.60HN41200-130-47.40徐码头2HN45000-139.15从整个调水调沙过程看，实施人工扰动的高村孙口、孙口艾山两河段冲刷量分别为0.123亿t和0.075亿t，本次调水调沙下游小浪底利津平均每公里冲刷8.7万t，花园口以上、高村孙口及孙口艾山河段冲刷强度相对较大，分别为13.1万t/km、10.4万t/km和11.8万t/km。高村以上河段冲刷强度沿程减小，可以看出实施人工扰动的高村孙口及孙口艾山两河段，冲刷强度增大。4.4扰沙河段含沙量及颗粒级配变化 (1) 含沙量变化黄河第三次调水调沙期下游各站含沙量沿程得到恢复（见表2）。第一阶段，花园口平均含沙量3.88 kg/m3，高村平均含沙量8.14 kg/m3，利津平均含沙量16.4 kg/m3，利津以上河段平均含沙量恢复16.4 kg/m3。第二阶段，花园口平均含沙量5.27 kg/m3，高村平均含沙量7.54 kg/m3，利津平均含沙量14.2 kg/m3，利津以上河段平均含沙量恢复12.23 kg/m3。第一阶段，花园口以上及艾山利津河段含沙量恢复相对较多；第二阶段，花园口以上、高村孙口及艾山利津河段含沙量恢复相对较多。整个调水调沙期间，下游利津以上河段含沙量恢复13.77 kg/m3。从表中看出两个阶段高村孙口、孙口艾山含沙量恢复值平均为2.42 kg/m3和1.6 kg/m3，均大于上下的夹河滩高村和艾山洛口河段的1.09 kg/m3和0.32 kg/m3。因此扰沙使两河段的含沙量恢复值有所增大。 表2 黄河第三次调水调沙含沙量沿程变化 单位：kg/m3项目花园口夹河滩高村孙口艾山洛口利津第一阶段3.886.228.1410.1612.1512.5416.4第二阶段5.277.287.5410.3611.5711.8314.2含沙量增加值第一阶段2.341.922.021.990.393.86第二阶段2.010.262.821.210.262.37平均2.181.092.421.600.323.12(2) 颗粒级配变化从各站悬移质中值粒径沿程变化看(见表3），第一阶段、第二阶段及全过程平均中值粒径沿程变化趋势基本相同。花园口高村、艾山利津河段，悬移质平均中值粒径沿程均有所减小。高村艾山河段悬移质平均中值粒径是沿程增加的，第一阶段平均中值粒径从高村的0.034 mm增加到艾山的0.039 mm；第二阶段平均中值粒径从高村的0.023 mm增加到0.037 mm，增加幅度较大；全过程平均中值粒径从高村的0.028 mm增加到0.036 mm。从此也可以得出，由于河床泥沙较粗，扰动后使悬移质中值粒径增大，也说明了扰沙的效果。 表3 黄河第三次调水调沙各站悬移质中值粒径级配量变化 单位：mm项目花园口夹河滩高村孙口艾山洛口利津第一阶段0.0440.0370.0340.0360.0390.0370.030第二阶段0.0370.0300.0230.0300.0370.0320.029全过程0.0420.0320.0280.0300.0360.0350.031同时，从下游各站悬移质粗泥沙（d0.05 mm）所占百分数沿程变化可以看出，与平均中值粒径沿程变化情况基本一致。整个调水调沙过程期间，悬移质粗泥沙所占百分数由高村站的28.5%增加到孙口站的30.9%、艾山站的37.8%，悬移质泥沙组成明显粗化，高村艾山粗泥沙（d0.05 mm）增加350万t。4.5河槽形态变化套绘两个扰沙河段典型大断面变化可以看出调水调沙期间各断面均发生冲刷，主槽宽度除个别断面有所展宽外，其余没有大的变化。计算两个扰沙河段各断面河宽、水深、河相关系如表4，可以看出，除大田楼变化不大外，其余断面扰沙后平滩水深增大，河相系数减小，断面趋于窄深。表4 扰沙河段各断面河宽、水深、河相关系变化表断面扰沙前扰沙后河相系数减小幅度（）宽度（m）水深（m）B0.5/H宽度（m）水深（m）B0.5/H徐码头（二）2303.784.012305.092.9825.74HN14102.837.154203.16.617.60HN24902.698.234703.067.0813.90HN34302.67.984203.026.7914.91苏阁4503.585.934205.43.8035.95HN310002.8211.2110002.9510.724.41大田楼3843.126.28 3843.086.36 -1.30雷口3093.235.44 3103.554.96 8.874 主要认识（1）黄河下游两个卡口河段通过人工扰动，改善了河槽的断面形态，断面向窄深方向发展；平滩流量增大440550 m3/s，扩大了现有河道过流能力，使过流面积、平滩流量最小的“瓶颈”河段河道边界条件得到了进一步改善。（2）扰沙给水流补充了一部分泥沙，利用了调水调沙水流的输沙潜力，尽可能多的输沙入海，特别是扰动河床上的粗沙带入大海，可进一步提高河道的输沙能力。（3）通过分析可以得出，在水流具有一定富余能量的条件下，在过流能力较弱的局部河段辅以人工扰动是可行的4。（4）各种扰沙设备扰沙效果和适应能力得到进一步验证，取得了大量的测验数据，为进一步开展扰沙提供了经验。主要参考文献1张