黄河下游洪水的输沙效率及其与水沙组合和河床形态的关系

研究所编印的 黄河下游河床演变基本资料
这些洪水的平均流量变化于
之间
平均含沙量变化于
? 之间 具有很大的变幅 体现了各种不同的水沙组合
影响洪水输沙效率的因素很多 大致可以分为 类 即洪水的水沙的组合 洪水泥沙的粒度特性和
河道的形态 由于缺乏 次洪水中完整的泥沙粒径资料 本文中只讨论水沙组合与河道形态两个因
来拟合
?
令上式左端为 解之可得 ?
即当来沙系数为
? 时 下游河道可以
不淤 这一数据亦可为小浪底进行调水调沙量提供参考
河道特性的影响
对黄河下游河道与渠道挟沙能力的分析表明 挟沙能力 可以用下式表达
?
?? ?
式中 为流速 为水力半径 为泥沙沉速 为河道或渠道的宽度 为河道或渠道的平均水深 为
重力加速度 从上式可以看到 挟沙能力不但与水动力条件和泥沙沉速有关 而且还与河道断面形态
河段 这一临界流量减小至
? 对于艾山 利津河段 这一临界流量也大致为
? 这表
明 窄深河段处于不冲不淤状态所需要的临界流量可以小于宽浅段
图 花园口 高村 高村 艾山和艾山 利津 个河段场次洪水排沙比 与场次洪水平均流量 的关系
不同河段的排沙比 与场次洪水平均含沙量 的关系也有一定的差异 图
中分别
点绘了 个河段的上述关系 图 中将 个河段的关系点绘在同一坐标中 为了清楚起见 只绘出了
大大低于较大洪水
根据流量大于
? 的 次洪
水的回归方程
图 三门峡至利津间的排沙比与进入下游 河道的洪水平均含沙量的关系
令
解之可得
?
这表明 在平均意义上 当场次洪水平均含
沙量小于
? 时 全下游河道可以
不淤 在小浪底水库为排沙入海而进行水
和沙调度时 这一数据可以为选择含沙量
提供参考 来沙系数为平均含沙量与平均流量之
花园口 高村 点子十分分散 相关系数 仅为
到了过渡段 高村 艾山 点子分布比较集
中 相关系数增加至
进入断面窄深的限制性弯曲段 艾山 利津 相关系数 进一步增加
为
图中还绘出了
的直线 趋势线与该直线交点处的流量 可视为使河道处于临界
不冲不淤状态的临界流量 对于花园口 高村河段而言 这一临界流量为
? 对于高村 艾山
?
?
和
? 证明窄深河段可以在含沙量较大时保持临界不冲不淤状况 从图 中 条回归线
的位置关系可以看到 当含沙量较大时 艾山 利津段的回归线位置最高 高村 艾山段次之 花园口
高村段最低 也说明在含沙量超过某一数值为
? 之后 窄深段的 高于过渡段和宽浅段 过
渡段又高于宽浅段
上述分析表明 将宽浅段改造为窄深段 或改造成复式河槽 使平滩流量以下为窄深河槽 将会强化
中点绘了三门峡至利津间的排沙比 与场次洪
水中进入下游河 道 的 平均 流 量 的 关系 这 里
按三门峡 黑石关和小董 站洪水径流量之和
除以洪水历时而求得 在 次洪水中 有 次清
水小流量事件 其平均含沙量小于 ? 流量小
于
? 均发生了冲刷 即 小 这 次
洪水以不同的符号单独标明 若忽略这 次洪水
则从图 中可以看到 所有的点子可以用一条类似
来表示
?
式中 为场次洪水中输送到控制断面以下的泥沙量
为进入该河段的干流来沙与支流来沙之
收稿日期
基金项目 国家科技支撑计划资助项目 批准号
国家自然科学基金项目 批准号
作者简介 许炯心
男 四川绵阳人 研究员 博士生导师 长期从事河流地貌研究工作
和
越大 则洪水输沙效益较高
说明全部泥沙被输送至河段出口以下
平均流量 的关系 正如上文所指出 在流量增大的过程中 洪水漫滩前后的泥沙搬运 堆积状况有
一定差异 故
关系可用抛物线来拟合 图
中分别给出了抛物线回归方程和按抛物线
拟合的趋势线 样本数
显著性为 的相关系数临界值为
由于图中所给出的相
关系数 大大高于此值 可见图中的相关关系的显著性水平均优于
可以看到 在游荡宽浅河段
河道排沙入海的效率
结论与讨论
以 次洪水的资料为基础 对黄河下游洪水的输沙效率进行了研究 研究结果表明
当场次洪水平均流量
? 时 全下游由淤积变为冲刷 随着流量的进一步增大 排沙
比 也增大 而在
? 处达到峰值 此即为使 达到最大即洪水输沙能力最强的流
量级 相当于下游河道平均意义上的平滩流量 当 超过
? 以后 河漫滩发生的淤积显著
于抛物线的曲线来拟合 该曲线有一峰值点 与之相
应的流量为
且与
的直线有两个交 图 三门峡至利津间的排沙比
点 相应的流量分别为
?和
? 与上
进入下游河道的平均流量
与场次洪水中 的关系
述 个特征点对应的流量具有某种临界意义
除了小于 ? 的清水以外 当流量很小时
河道发生淤积 故 小于 随着流量的增大
亦增大 当
说明发
生了淤积
说明发生了冲刷
接近于 的洪水 便是高效输沙洪水
利津?
三门峡
黑石关
小董
式中 利津 三门峡 黑石关 和 小董 分别为入海控制站利津站 下游进口控制站三门峡站和伊洛河河
口控制站黑石关站以及沁河出口控制站小董站的场次洪水输沙量
在本研究中 我们利用了
年间共 次洪水的资料 资料来自黄河水利委员会水利科学
有关 在其他条件相同时 河道宽深比越小 即深宽比越大 则挟沙能力越强 同时 在给定流量和河道
比降时 断面较为窄深时 水深亦较大 按曼宁关系可知 流速也较大 因而水动力条件也会加强
上文中已指出 黄河下游可分为花园口 高村 高村 艾山和艾山 利津 个河段 它们的河道形
态特性有较大差别 宽深比依次减小 在河道形态差异的影响下 洪水泥沙在 个河段中的输沙效率也
使得 减小到 以下 在平均意义上 当场次洪水平均含沙量小于
? 时 全下游河道可以
不淤 当来沙系数小于
? 时 全下游河道可以不淤
花园口 高村 高村 艾山和艾山 利津 个河段场次洪水排沙比的平均值依次为
和
即游荡段排沙比最小 过渡段次之 限制性弯曲段最大 上述 个河段处不冲不淤状态时的临界
含沙量依次为
?
?和
大型水库的修建 使人们有可能对天然河流水沙过程进行调节 从而改变水库下游的泥沙输移过
程 使之向有利的方向发展 此时水库和河道便共同构成一个人为控制的自然系统
小浪底水库修建之后 为我们通过人为控制的自然系统的调水调沙来治理黄河下游河道 提供
了十分有利的条件
黄河是世界上著名的多泥沙河流 黄河下游强烈的泥沙淤积是导致严重的洪水泥沙灾害的重要原
因而使得 减小到 以下
应该指出的是 由于历次洪水的含沙量不同 图中的点子十分分散 上述趋势是十分粗略的 只体现
了平均意义上的变化图形
含沙量的影响
图 中点绘了三门峡至利津间的排沙
比与进入下游河道的洪水径流的平均含沙
量的关系 这里的含沙量按场次洪水中三
门峡 黑石关 小董 站的总输沙量除以总
径流量而求得 由于小水时的冲淤与较大
是分别反映了问题的某一个侧面 然而 在没有更好的指标以前 采用这些指标仍能在一定程度上揭示
冲淤临界现象 建立符合临界关系的工作有待于今后进行
参考文献
钱宁 张仁 赵业安 刘月兰 从黄河下游的河床演变规律来看河道治理中的调水调沙问题 地理学报
齐璞 刘月兰 李世滢 等 黄河水沙变化与下游河道减淤措施 郑州 黄河水利出版社
减小 这意味着随着含沙量的增大 窄深段输沙效率的降低速率要显著低于宽浅段 换句话说 相对于
宽浅河段而言 窄深段在洪水平均含沙量较大时 可以使输沙效益得到强化
图 不同河段的排沙比 与场次洪水平均含沙量 的关系
分别令上列 式右端为 解之可得到上述 个河段处不冲不淤状态时的临界含沙量 结果显示
对于花园口 高村 高村 艾山和艾山 利津 个河段 上述临界含沙量依次为
有差别 以所研究的 次洪水的资料为基础 我们计算了上述 个河段场次洪水排沙比的平均值 依
次为
和
即游荡段排沙比最小 过渡段次之 限制性弯曲段最大 可见窄深河段的输
沙效率要高于宽浅段 除河道形态外 含沙量和悬沙粒径的沿程减小也有一定影响 花园口 高村段
来水含沙量高 粒径粗 所以排沙比也较小
为了进一步进行比较 我们在图 中分别点绘了上述 个河段的场次洪水排沙比 与场次洪水
钱意颖 叶青超 周文浩 黄河干流水沙变化与河床演变
北京 中国建材工业出版社
赵业安 等 黄河下游河道演变基本规律 郑州 黄河水利出版社
许炯心 黄河下游洪水的泥沙输移特征 水科学进展
中国水利学会泥沙专业委员会 主编 泥沙手册 北京 中国环境科学出版社
洪水时有显著差异 图中以不同符号区分
了大于和小于
? 的洪水事件 从
图中可以看到 流量大于
? 的洪水
事件的点子十分集中 流量小于
?
的洪水事件的点子则 较为分散 图中分别
绘出了幂函数回归方程和拟合直线 从图
中可以看到 几乎所 有的 流量小 于
? 洪水的点子均位于大于
?
洪水的直线以下 说明小洪水的排沙比要
? 时 由淤积变为冲刷 在平均的意义上而言 随着流量的进一步增大
也增大 而在
? 处达到峰值 此即为使 达到最大即洪水输沙能力最强的流量
级 相当于下游河道平均意义上的平滩流量 此后 水流发生漫滩 泥沙淤积在滩地上 抵销了主槽的冲
刷 使得 减小 当 超过
? 以后 河漫滩发生的淤积更为显著 输送入海的泥沙量减小
洪水的大样本为基础 对黄河下游洪水的输沙效率进行系统研究
方法与资料