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黃河河勢的演變
黃河河勢的演變 摘要:河勢演變主要是指河道水流平面形式的變化。黃河是世界上河勢演變最復(fù)雜的河流。為給河道整治提供依據(jù),筆者對黃河游蕩性河段、彎曲性河段以及由游蕩向彎曲轉(zhuǎn)變的過渡性河段半個世紀(jì)的河勢演變進(jìn)行總結(jié)、研究,提出黃河河勢演變的特性及河勢演變的基本類型。
關(guān)鍵詞:黃河 河勢演變 河道整治 裁彎 游蕩性河道
黃河有防洪任務(wù)的河段主要有上游的蘭州市河段、寧蒙河段,中游的禹門口以下小北干流河段、三門峽庫區(qū)、孟津出山口以下的尾段,以及整個下游河段。黃河孟津以下河段,由于堤防決口后造成的損失大,歷來是黃河防洪的重點(diǎn)河段。該河段修建工程多,觀測資料豐富,其河勢演變特性及類型可涵蓋其它河段。
1 河道概況
1.1 河道分段
黃河中游尾段的河南孟津白鶴鎮(zhèn)至河口河道長878km,按照河道特性可分為4個不同特性的河段。①孟津白鶴鎮(zhèn)至山東東明高村,河道長299km,堤距寬一般5~10km,最寬達(dá)20km,河道比降0.265‰~0.172‰,彎曲系數(shù)1.15。河道淤積嚴(yán)重,為典型的游蕩性河型。②高村至陽谷陶城鋪,河道長165km,堤距寬1.4~8.5km,大部分在5km以上,河道平均比降0.115‰,彎曲系數(shù)1.33,屬由游蕩性向彎曲性轉(zhuǎn)變的過渡性河段。③陶城鋪至墾利寧海河段,河道長322km,堤距寬0.4~5km,一般1~2km,河道平均比降0.1‰,彎曲系數(shù)僅為1.21,屬彎曲性河型。④寧海至入�？�,河道長92km,屬河口段,處于淤積-延伸-擺動-改道的循環(huán)變化中。
1.2 河道橫斷面
黃河下游河道為復(fù)式斷面,由主槽和灘地組成。蘭考東壩頭以下有二級灘地,以上有三級灘地。一級灘地和枯水河槽合稱為主槽。主槽是水流的主要通道,二級灘地在大洪水及部分中等洪水時才漫灘過流。
1.3 灘區(qū)
灘區(qū)具有耕種條件,總面積3953.45km2,現(xiàn)有耕地374.13萬畝,人口170余萬人。
1.4 河道淤積
黃河以泥沙量大、含沙量高聞名于世。由于泥沙淤積,河道不斷抬高,現(xiàn)在臨河灘面一般高于背河地面3~6m,黃河下游成為“懸河”。
2 河勢演變特性
河勢是指河道水流的平面形式及發(fā)展趨勢。包括河道水流動力軸線的位置、走向以及河彎、岸線和沙洲、心灘等分布與變化的趨勢。河勢演變主要是指河道水流平面形式的變化,黃河河勢演變的一般特性大體有以下幾方面。
2.1 河勢變化向下游傳遞
在一股河或主股過溜※占2/3 以上的河段,河勢演變的縱向影響十分顯著,甚至一處河勢的明顯變化會波及較長的河段, “一彎變、多彎變”正是河勢演變向下游傳遞的寫照。河勢演變的傳遞是逐彎下移的,演變傳遞的速度除與來水來沙情況有關(guān)外,還明顯制約于水流邊界條件。如濮陽青莊至菏澤劉莊有4處險工,邊界穩(wěn)定,傳遞速度慢,一年時間內(nèi)上彎的變化向下只能影響1~2個彎道;而圖1示出的李橋至王子圩河段,在1961年汛末至1962年汛前的一個非汛期內(nèi),由于大羅莊彎道的深化,至使以下三個彎道發(fā)生彎頂左右易位的變化。
2.2 河勢演變過程中存在基本流路
河勢演變有一定的隨機(jī)性。在幾乎布滿兩堤之間的主溜線中,某個河段內(nèi)總可以歸納出2~3條基本流路。在河道整治之前,鄭州花園口至來潼寨河段,北岸為高灘,河勢主溜在南岸大堤至北岸高岸之間寬約5km的范圍內(nèi)變化,把多年的主溜線套匯在一起看出,主溜線基本布滿這5km寬的范圍,但卻存在2條基本流路,1954年前是一條基本流路,1954年至1957年為另一條基本流路,兩條基本流路的彎頂成左右相對分布。
2.3 河勢變化存在重復(fù)性在河勢演變的過程中,年年都在發(fā)生變化,只是變化的幅度及形式不同而已。對于有明顯變化的河段,若干年后常會重復(fù)已有的流路。在一個彎道的發(fā)生、發(fā)展、裁彎過程中,隨著時間的推移也重復(fù)著已有的演變過程。如陶城鋪上游的石橋河段[1],1952年至1967年先后兩次形成“S”形彎道和自然裁彎(圖2)。
圖2 石橋河段裁彎前后主溜線
2.4 流量變化影響河勢演變
流量是影響河勢演變的主要因素之一。即使在較短的時間內(nèi),流量的變化也會造成河勢變化。在黃河下游廣為流傳的“小水坐彎、大水趨中”,“小水上提、大水下挫”,“漲水下挫、落水上提”等都是反映流量變化對河勢變化的直接影響。小流量時水流動量小,在河床邊界的約束作用下,易于改變流向,水流的彎曲系數(shù)大;流量增大后,水流的慣性力加大,邊界對水流的作用能力相對減弱,不易改變流向,主溜較小水時趨中,水流的彎曲系數(shù)變小。
2.5 游蕩性河段主溜擺動強(qiáng)度大
主流的變化大體上可反映河勢的變化情況。主流線的位置與線的位置是基本一致的,暫以一次洪峰過程中在24小時內(nèi)的平均擺動距離來描述主流的擺動強(qiáng)度。從黃河下游1959年前各個水文站斷面的主槽擺動強(qiáng)度看出[2],除剛出峽谷的孟津斷面擺動范圍小外,在游蕩性河段,一次洪峰中線擺動幅度一般平均每天大體為80~130m,速度驚人;在高村至陶城鋪的過渡性河段平均每天為50~60m;進(jìn)入彎曲性河段后主溜的擺動強(qiáng)度減少,一般僅為每天10~30m,接近入�？诘那白髷嗝娼�40m。主溜線的年際間變化也是游蕩性河段
遠(yuǎn)大于其他河段。主溜線的變化基本上代表了河勢的變化。1960年前,三門峽水庫尚未建成,除彎曲性河段外,河道未進(jìn)行整治。在游蕩性河段,主溜的擺動范圍一般為2~4km,大者達(dá)6km;擺動強(qiáng)度每年1km左右,大者達(dá)3km以上。在過渡性河段擺動范圍一般1~2km,大者5km以上,擺動強(qiáng)度一般每年0.4~0.7km,大者1.27km。游蕩性河段主溜的擺動不論是每天的擺動強(qiáng)度,還是每年的擺動幅度都是很大的。其主要原因?yàn)閇3]:①主支汊交替,游蕩性河段多為數(shù)股并行,由于河槽的淤積,主汊河底抬升,當(dāng)流量增大后,原支汊過流能力加大變成主溜。②洪水期低灘拉槽成為主河槽,對于主流線曲度大的河段遇漫灘洪水時,沿灘地拉出一條流程短的串溝,溝面擴(kuò)寬、沖深發(fā)展為主河道。③灘地易沖塌,游蕩性河段的泥沙顆粒粗,含粘量小,抗沖能力低,坍塌速度快。④上段河勢多變,造成來溜方向改變頻繁,引起本河段主溜擺動幅度加大。
2.6 上下游彎道演變具有對應(yīng)關(guān)系
上下游彎道河勢演變間的關(guān)系有正向與反向兩種。
2.6.1 上下游彎道靠溜部位同向變化
上彎靠溜部位上提,下彎也上提;上彎靠溜部位下挫,下彎也下挫。大部分上下游彎道的河勢演變服從這一規(guī)律,一般比較和順的彎道都如此。如青莊、高村、南小堤彎道,青莊上提,高村隨著上提,南小堤也要上提;青莊下挫,高村隨著下挫,南小堤也相應(yīng)下挫。
2.6.2 上下游彎道靠溜部位反向變化上彎靠溜部位上提,下彎下挫;上彎靠溜部位下挫,下彎上提。反向變化僅在特殊河段出現(xiàn):①一處工程由多個不連續(xù)的彎段組成,且后一個彎道曲率明顯偏大。如范縣彭樓與鄄城老宅莊之間的靠溜關(guān)系,彭樓1~12壩順直,13壩以下彎道后退,出口段的28~33壩彎道半徑小,改變流向快。當(dāng)彭樓上段靠溜時,一般在老宅莊的中下段靠大溜;當(dāng)彭樓下段靠大溜時,老宅莊溜勢明顯上提至梅莊一帶。②上下彎成“S”形彎道,這種河彎的彎道陡,中心角大,兩彎間的順直河段短,上下彎道演變的關(guān)系靈敏,對于“S”形彎道,彎道下端的出流方向比彎道上段的出溜方向更偏向下彎的上段,因此在上彎的靠溜部位下挫后,下彎的河勢反而上提。對于河道邊界條件易變的河段,往往溜分?jǐn)?shù)股,沙洲、潛灘比比皆是。在這種河段往往橫向變化明顯,上彎河勢的變化對以下河勢的影響多不明顯。
2.7 長期枯水會出現(xiàn)連續(xù)畸形河彎
中水是造床作用最強(qiáng)的流量。一年內(nèi),洪水的能量雖然最大,但其作用時間短,有時來不及改變流路,洪水期即已過去。小水期行流時間最長,由于水流能量小,造床作用弱,一般不會造成河勢的巨變。
在洪水、中水、枯水交替出現(xiàn)的過程中,中水流路往往適應(yīng)能力最強(qiáng);發(fā)生漫灘洪水時,隨著流量的減小,水流歸槽后,基本還沿中水流路行河;枯水期,在彎道段流線彎曲率加大,在較長的直河段內(nèi)往往出現(xiàn)微彎,但在汛期中水流量過程中,又會調(diào)整流路,使彎道的曲度減小,較長直河段的一些微彎段又變成直河段。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)年枯水時段時,小水形成的過分彎曲的小彎道得不到調(diào)整,直河段因水流能量小得不到應(yīng)有的發(fā)展。在沒有河道整治工程控制、且河床土質(zhì)含粘量低的河段,就會形成連續(xù)畸形河彎。如開封黑崗口至柳園口河段,僅右岸有整治工程,左岸為易沖易淤的灘地,經(jīng)過較長的枯水期后,就形成了連續(xù)畸形河彎(圖3)。在連續(xù)枯水期間,一些未經(jīng)河道整治的河段,還會出現(xiàn)急彎、陡彎。水流陡折蛇行,進(jìn)而不前。如開封王庵至府君寺河段就曾多次出現(xiàn)主溜三次穿過同一河道橫斷面的情況。
3 河勢演變的基本類型
河勢演變主要是指河道水流平面形式的變化,從橫斷面看,依照水流的集中情況可分為單股或多股。在多股河段河勢演變主要表現(xiàn)為主股的發(fā)生、發(fā)展、消亡和主股、支股的交替變化;在單股河段河勢演變主要表現(xiàn)為彎道的變化和直河段位置的變更。由于水流條件、泥沙條件、工程邊界、河床組成等千變?nèi)f化,不同的河段、不同的時間具有不同的河勢,其演變形式也不同,但大體可歸納為5種基本類型。
3.1 彎道演變 “水性行曲”是河道水流運(yùn)行的基本特點(diǎn)之一。在來水來沙條件及河床邊界條件的影響下,河道水流總是以彎段、直段相間的形式向下游流動。在多股并行的河段,其中的某一股水流在一定的流程內(nèi)也是以彎段、直段交替的形式運(yùn)行。在演變的過程中,彎道的變化決定直河段的變化,直河段的溜勢變化在一定程度上也影響彎道的變化,因此在河勢演變的過程中,彎道的變化起主導(dǎo)作用。演變形式可歸納為以下幾種。
3.1.1 彎頂朝著一個方向發(fā)展
彎道進(jìn)口入流條件在一個時段內(nèi)較為穩(wěn)定,河彎段的河床為沙質(zhì)土壤,出口有工程或有抗沖性強(qiáng)的膠泥嘴分布時,彎道的彎頂易于朝著一個方向發(fā)展(圖4)。
3.1.2 彎頂逐年下移 在一定的工程和河床邊界條件下,一岸彎道的靠溜部位逐年下移,有的長達(dá)數(shù)公里。如臺前孫口至梁集河段 黃河河勢的演變(圖5)。
3.1.3 彎道左右易位
一個河段在一個較長的時段內(nèi),彎道左右易位是經(jīng)常發(fā)生的。這里是指在一個較短的時間內(nèi),例如一年內(nèi)發(fā)生的左右易位現(xiàn)象,即在灘地低且不穩(wěn)定的河段,一個非汛期內(nèi)發(fā)生彎道左右易位,凸岸變凹岸、凹岸變凸岸的演變形式。如鄄城大羅莊至范縣王子圩1961年汛末至1962年汛前的河勢(圖1),一個非汛期內(nèi)連續(xù)數(shù)道河彎發(fā)生了左右易位的變化。
3.1.4 彎道相對穩(wěn)定
彎道上游來溜方向較為穩(wěn)定,彎道處為耐沖的膠泥嘴或整治工程,且彎道下游出溜平順,在一個較長的時段內(nèi)能保持相對穩(wěn)定的彎道。如營房河彎,盡管上彎為河勢變化頻繁的密城灣,但其出溜卻能穩(wěn)定在范屯至馬張莊一帶,營房受溜較為穩(wěn)定,營房灣本身修有險工,且營房以下出溜平順,因此,營房彎道相對穩(wěn)定,河勢變化表現(xiàn)為上提下挫。
3.1.5 彎道多變
在無工程控制且河床抗沖性差的河段,河勢變化頻繁,且無明顯規(guī)律,河勢演變呈彎道多變的形式。如范縣邢廟至鄆城蘇閣河段,長14km,中間無工程也無抗沖性強(qiáng)的膠呢嘴,1948~1964年主溜位置多變,一年一個樣子,且變化的速度較快。
3.2 主股支股交替
在游蕩性河段,心灘、潛灘發(fā)育,溜分?jǐn)?shù)股。隨著來水來沙、來溜方向的變化,各股之間的過流量相應(yīng)發(fā)生的變化,有時主股過溜明顯減少,而其中的一個支股過流量明顯增加,甚至超過原主股的過溜百分比。從而主股支股易位,發(fā)生主股支股交替的演變形式。如開封的柳園口河段,1954年河分南北兩股,在一次洪水過程中的一晝夜內(nèi),主溜由北股演變到南股,繼而又由南股演變到北股,發(fā)生了兩次主股支股交替變化。過渡性河段在進(jìn)行河道整治之前,也曾經(jīng)發(fā)生主股支股交替的演變形式。
3.3 串溝奪溜
串溝是指水流在灘面上沖蝕形成的溝槽,位于穩(wěn)定的灘面上,多與堤河相連。串溝過流少,但遇一定的水沙和來溜條件時,其過流量會不斷增大,當(dāng)其過溜百分比超過主溜時,就成為串溝奪溜。串溝奪溜是主股支股交替變化的一種特殊情況。在黃河下游不同河型的河段都曾發(fā)生過串溝奪溜的演變形式。如東明老君堂至堡城河段,1978年春主溜原走左岸,右岸黃寨、霍寨險工前有一串溝,過流約占30%。
由于老君堂工程著溜位置下挫,工程(當(dāng)時工程下首還未延長)失去了控制河勢的作用,6月串溝過溜增大到占全河道的75%,成為主河道,完成了串溝奪溜的過程。
3.4 裁彎
裁彎是河道演變中由漸變到突變的一種特殊形式。在彎道演變的過程中,隨著彎道向縱深發(fā)展,彎道流程增長,彎頸變窄,逐漸形成“Ω”型河彎,遇到合適的水沙條件,就會發(fā)生自然裁彎。如臺前棗包樓裁彎(圖6)。
3.5 溜勢大幅度下挫
前述彎頂逐年下移是在幾年內(nèi)連續(xù)完成的,而溜勢大幅度下挫是指在一個汛期或一場洪水的時段內(nèi)河勢的快速變化。它發(fā)生在一股河或主股過溜占80%以上的情況,并且要水量豐沛,中水持續(xù)時間長。如1967年汛期,水量豐、中水時間長,在花園口河段,由于水流頂沖,左岸高灘大量塌失,原陽馬莊村西南的農(nóng)場一隊(duì)被迫修建工程,汛期彎頂下挫塌灘,由農(nóng)場一隊(duì)經(jīng)馬莊、破車莊、西蘭莊,至10月份下挫至東蘭莊村南,在此河段內(nèi)左岸灘地后退了1~3km,溜勢下挫了4km。
4 結(jié)論
黃河是世界上河勢演變最為復(fù)雜的河流。掌握河勢演變規(guī)律是有效進(jìn)行河道整治的前提。在30多年從事黃河河道整治實(shí)踐的基礎(chǔ)上,通過對彎曲性河段、過渡性河段、游蕩性河段河勢變化的總結(jié)研究,得出對河勢演變的規(guī)律性認(rèn)識是:(1)河勢演變的基本特性有:①河勢演變向下游傳遞。②河勢演變過程中,河段內(nèi)存在2~3條基本流路。③河勢變化存在重復(fù)性。④流量變化影響河勢演變,“小水上提、大水下挫”,“小水坐彎、大水趨中”,“漲水下挫、落水上提”等。⑤游蕩性河段的主溜擺動強(qiáng)度大。⑥上下游彎道演變具有對應(yīng)關(guān)系,大部分彎道為上下游彎道靠溜部位同向變化,少部分彎道為上下游彎道靠溜部位反向變化。⑦長期枯水會出現(xiàn)連續(xù)畸形河彎。(2)河勢演變的基本類型有:①彎道演變�？煞譃�5種形式:彎頂朝著一個方向發(fā)展,彎頂逐年下移,短時間內(nèi)彎頂左右易位,彎道相對穩(wěn)定,彎道多變。②主股支股交替。③串溝奪溜。④裁彎。⑤溜勢大幅度下挫。
注:在水道中流速大,可明顯代表全部或部分水流動力軸線的流帶。在一個水流橫斷面內(nèi),可出現(xiàn)幾股溜,其中最大的稱為主溜,也叫大溜。
參 考 文 獻(xiàn):
[1]胡一三,肖文昌.黃河下游過渡性河段整治前的裁彎[J].人民黃河,1991,(5).
[2]錢寧,周文浩.黃河下游河床演變[M].北京:科學(xué)出版社,1965.
[3]武漢水利電力學(xué)院.河床演變與整治[M].北京:水利電力出版社,1990.
[4]胡一三主編.中國江河防洪叢書·黃河卷[M].北京:中國水利水電出版社,1996.
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