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    黃河下游水庫(kù)河段整治對(duì)河道演變的影響研究

    2024-04-29 11:40:36華艷紅
    水利技術(shù)監(jiān)督 2024年4期
    關(guān)鍵詞:河段河流黃河

    華艷紅

    (太原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,山西 太原 030000)

    0 引言

    水庫(kù)建設(shè)引起的河道格局變化是河道整治領(lǐng)域的重要問(wèn)題,河道改道時(shí),可引起地下水和地表水的流動(dòng)發(fā)生變化,增加附近地區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致土壤侵蝕和坍塌,為探求河道演變的規(guī)律,學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究。李宗盟等[1]研究了洪汝河大洪河段人工裁彎對(duì)河道演變的影響,研究結(jié)果表明:裁彎取直導(dǎo)致大洪河段河道長(zhǎng)度銳減,河道比降增加;田福昌等[2]對(duì)基于分形理論的黃河內(nèi)蒙古段河勢(shì)演變特征及其與凌汛災(zāi)害關(guān)聯(lián)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:冰壩災(zāi)害更易發(fā)生于主槽偏移擺動(dòng)大、蜿蜒曲折、河灣發(fā)育程度高的寬淺型彎曲河道;徐凌等[3]對(duì)考慮河勢(shì)演變長(zhǎng)江永安堤治理工程優(yōu)化進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明:河道沖刷導(dǎo)致岸坡變陡,威脅到已護(hù)工程的安全,應(yīng)采取相應(yīng)工程措施保障河勢(shì);馬繼東[4]對(duì)黑沙洲河段河勢(shì)演變對(duì)河道內(nèi)崩岸區(qū)的影響進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明:黑沙洲河段江洲眾多,左右汊分流比波動(dòng)較大,對(duì)河道內(nèi)崩岸區(qū)影響較大;李軍等[5]對(duì)松花江哈爾濱河段河床演變過(guò)程及特點(diǎn)進(jìn)行了研究,研究結(jié)果表明:哈爾濱河段斷面形態(tài)變化較小,僅在橋梁工程附近發(fā)生了局部高程變化;王瑩[6]對(duì)閩江下游感潮河段水動(dòng)力時(shí)空變化模擬進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明:大潮期比小潮期潮流界上溯距離延長(zhǎng)10km,大潮期各斷面水位高值差值在0.5m左右。

    以上學(xué)者對(duì)各河段河勢(shì)演變進(jìn)行了研究,分析了河床演變特征和人工裁彎對(duì)河道演變的影響。本文通過(guò)對(duì)黃河下游河段的河流模式進(jìn)行判別,分析河段的彎度、主流游蕩范圍和寬深比以及水條件對(duì)河道演變的影響。

    1 研究區(qū)概況

    黃河下游河段總體可分為3類(lèi):游蕩河段、曲流河段和過(guò)渡河段(介于游蕩河段和曲流河段之間),游蕩河段由鐵謝村至伊洛河口(T-Y河段)、伊洛河口至花園口(Y-H河段)、花園口至黑崗口(H-H河段)5段組成,黑崗口至夾河灘(H-J河段),夾河灘至高村(J-G河段)。本研究的重點(diǎn)是T-Y河段、H-H河段和J-G河段,分別位于游蕩河段的頭部、中部和后部。

    黃河下游有2座大型水庫(kù):1957年建成的三門(mén)峽水庫(kù)和2001年建成的小浪底水庫(kù),三門(mén)峽水庫(kù)蓄水后,大部分泥沙淤積在水庫(kù)內(nèi),下游河段發(fā)生沖淤。三門(mén)峽水庫(kù)建設(shè)前,河道不規(guī)則,河道主流游蕩,該水庫(kù)于1957年建成,最初蓄水后,排出低含沙量的水,然后河道被嚴(yán)重沖刷,三門(mén)峽水庫(kù)開(kāi)閘后,河道游蕩范圍受到一定限制,隨后游蕩范圍減小。1972年的河道整治力度比1960年要大,由于水庫(kù)的淤積,水庫(kù)的運(yùn)行規(guī)則發(fā)生了變化,更多的泥沙被排入下游河段,從河道整治起,下游逐漸沉積了沉積物。1996—2009年,下游年-沉積量為3.62×108t,其中主河道沉積量占76.4%,其余為漫灘沉積量[7-8]。

    小浪底水庫(kù)位于峽谷口,位于三門(mén)峽水庫(kù)下游,為黃河干流提供了1.39×109m3的大庫(kù)容。該水庫(kù)于2001年12月投入使用,從投入使用起,流入黃河下游的徑流和泥沙發(fā)生了相當(dāng)大的變化,在汛期,上游的大部分徑流被蓄水用于防洪和發(fā)電,在非汛期排入下游,相比之下,上游的大部分沉積物都被阻擋在水庫(kù)中。自2002年以來(lái),對(duì)水和沉積物進(jìn)行了調(diào)節(jié),作為該程序的一部分,部分細(xì)沉積物從水庫(kù)中排出,在一年中的大部分時(shí)間里,清水或低含沙量的水流經(jīng)下游河道。

    直到2013年,黃河下游的河床平均被沖刷了2m,河道的橫截面形狀顯示出狹窄、深的特征。游蕩范圍已開(kāi)始受到管制。此外,改進(jìn)后的河道整治工程限制了相對(duì)整治工程之間區(qū)域的主流,從而限制了游蕩范圍。1987年,河道整治工程未完成,主河道未得到控制,2004和2010年,隨著小浪底水庫(kù)的運(yùn)行和河道整治工程的改進(jìn),河道被限制在河道整治工程沿線,從而變得更加穩(wěn)定。

    1.1 研究方法

    在湖沼學(xué)中,河流模式分為直河、辮狀河和曲流河,辮狀河包括游蕩河。游蕩的河流在國(guó)內(nèi)有著特殊的重要性,河道坡度、中值直徑、彎曲度和寬深比是判別河流形態(tài)的一般參數(shù),而河流模式可通過(guò)許多參數(shù)的各種方程來(lái)區(qū)分。

    主流徘徊區(qū)間是指主流在任何一年中的搖擺區(qū)間,主流游蕩范圍與河流格局的關(guān)系可由以下方程表示:

    (1)

    式中,B—與滿岸流量對(duì)應(yīng)的河道寬度,m;?—河型指數(shù),游蕩河?<0.01‰,辮狀河?<0.5‰,曲流河?<50‰,平直河?≥50‰;ΔBmax是一年內(nèi)的主流漂移范圍,m。

    根據(jù)黃河下游的平均岸邊流量寬度和?值,ΔBmax可作為指標(biāo):游蕩河ΔBmax≥300m,辮狀河ΔBmax≤300m,曲流河ΔBmax<100m。

    2 研究結(jié)果與分析

    2.1 基于單個(gè)因素的判別結(jié)果

    3個(gè)研究河段的彎度、主流游蕩范圍和寬深比參數(shù)如圖1所示。

    圖1 1970—2019年典型河段的彎曲度

    這表明,自1970年以來(lái),彎度逐年增加,主流漂移范圍和寬深比均有所下降。

    在圖1中,研究河段的彎曲度小于1.3,表明這3個(gè)河段不是彎曲河道,而且曲折一直在逐漸增加,曲線上有許多極值點(diǎn)。1982年H-H河段的彎曲度為1.22,1986年J-G河段的彎曲率為1.25,1997年T-Y河段的彎曲程度為1.22。1981—1982年,H-H河段有3個(gè)彎道,但游蕩范圍分別為524.26和1267.93m,因此,彎曲段的長(zhǎng)度增加了,彎曲度也增加了。在J-G河段,1985—1986年間,河流彎曲的數(shù)量從7個(gè)增加到9個(gè),1986年的彎曲度基本相同。同樣,T-Y河段1996年有8個(gè)彎道,1997年有14個(gè)彎道,這導(dǎo)致了彎曲度的增加,而且曲線上的其他極值點(diǎn)也與河流彎曲的數(shù)量和游蕩范圍有關(guān)。

    盡管所研究河段的彎曲度在1970—2019年間有所上升和下降,但總體趨勢(shì)是上升的。圖1b顯示了彎曲度的5a滾動(dòng)平均值,顯示出上升趨勢(shì),2010—2019年間,T-Y河段、H-H河段和J-G河段的平均彎度分別增加到1.21、1.17和1.29,這表明河流格局朝著曲流河的方向發(fā)展。

    1970—2019年典型河段寬度和深度比如圖2所示。

    圖2 1970—2019年典型河段寬度和深度比

    2.2 水條件及其對(duì)河道演變的影響

    徑流和泥沙是河道過(guò)程中的關(guān)鍵決定因素,在黃河中,河道邊界條件是影響河道演變的另一個(gè)重要因素。在本研究中,選擇年水量和輸沙量來(lái)分析它們與河型參數(shù)的關(guān)系。

    自1970年以來(lái),黃河下游的年流量一直在穩(wěn)步下降,特別是自1995年以來(lái),這種下降趨勢(shì)變得非常明顯。1970—1995年的年均水量為4.86×109m3,1995—2009年降至3.24×109m3,2010—2019年進(jìn)一步降至2.57×109m3,僅為1970—1995年間的52.88%。因此,河流的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)及其對(duì)河道的作用也減少了,同時(shí)主流的游走程度也有所下降。圖3(a)和3(b)分別顯示J-G河段的彎曲度和主流游蕩范圍與年水量之間的關(guān)系,其他2個(gè)河段遵循類(lèi)似的模式。

    圖3 水條件對(duì)河道演變影響

    由圖3可知,在1970—2019年間,隨著年水量的減少,彎曲度增加,主流游蕩范圍減小,這表明河流變得更加穩(wěn)定。圖中給出了對(duì)數(shù)回歸曲線和公式,回歸模型在>95%的置信水平下應(yīng)用。

    2.3 河道整治工程對(duì)河道動(dòng)態(tài)影響

    河道整治工程在河道整治中也發(fā)揮了重要作用,該工程改變了河道的邊界條件,并將主流限制在相對(duì)整治工程之間的河道內(nèi)。1997年河道整治工程未完成時(shí),河道是隨機(jī)的,2004和2010年河道整治工作得到改善時(shí),河道受到了管制。圖2還顯示了2個(gè)拐點(diǎn):在20世紀(jì)90年代初和2000年,T-Y河段和J-G河段。在這2個(gè)拐點(diǎn)之后的時(shí)期內(nèi),河道變得更加穩(wěn)定。第二個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于小浪底水庫(kù)的運(yùn)行,它改變了黃河下游的來(lái)水和泥沙條件。然而,第一個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)于2個(gè)河段河道整治工程的改善,20世紀(jì)90年代初,計(jì)劃在T-Y和J-G河段修建河道整治工程,并改善了河道整治系統(tǒng),同時(shí),H-H河段的河道整治工程沒(méi)有得到改善,因此,在相同的水沙條件下,H-H河段的河道比其他2個(gè)河段表現(xiàn)出更多的游蕩性。

    河道整治工程的控制作用可以體現(xiàn)在工程接觸主流的概率上,該控制作用不是全部的長(zhǎng)度,而是與主流接觸并控制主流漂移的一部分。

    工程接觸主流的概率是通過(guò)將主流接觸長(zhǎng)度除以工程的總長(zhǎng)度來(lái)估計(jì)的,而河道整治工程很難沿其全長(zhǎng)觸及主流。因此如果主流接觸長(zhǎng)度與工程總長(zhǎng)度的比率大于2/3,則工程接觸主流的概率可以取為1,如果比率為0,則概率也為0。某一時(shí)間內(nèi)的概率可以從以下公式中獲得:

    P=∑Pi/n

    (2)

    式中,P—河道整治工程接觸主流的概率;Pi—第i年的概率;n—年份。

    典型河道整治工程接觸主流的概率,如圖4所示。

    圖4 典型河道整治工程接觸主流的概率

    1992—2002年期間,T-Y河段工程的概率為67.2%,2003—2009年期間為96.8%。在J-G范圍內(nèi),1996—2002年期間工程的概率為59.7%,2003—2009年期間為100%。然而,H-H河段的河道整治工程效果不佳,因此接觸主流的概率較低。因此,在相同的水沙條件下,2003—2009年這2個(gè)河段的河道比H-H河段的河道更加穩(wěn)定。

    3 結(jié)論

    通過(guò)對(duì)黃河下游河段的河流模式進(jìn)行判別,本文研究了水庫(kù)河段整治對(duì)河道動(dòng)態(tài)的影響,得到如下結(jié)論。

    (2)河流年均水量2010—2019年降至2.57×109m3,僅為1970—1995年間的52.88%,在1970—2019年間,隨著年降水量的減少,彎曲度增加,主流游蕩范圍減小,河流變得更加穩(wěn)定。在水沙條件相同的情況下,整治工程的改進(jìn)有利于河道的穩(wěn)定。

    (3)由于研究課題較大,分析時(shí)段及數(shù)據(jù)分析仍不夠全面,因此研究結(jié)果尚需進(jìn)一步研究。

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