黄河小北干流近期河道冲淤演变及其影响.docx
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黄河小北干流近期河道冲淤演变及其影响
黄河小北干流近期河道冲淤演变及其影响
薛选世
黄河小北干流河道全长132、5km,宽3~18km,平面形态呈哑铃状,河道纵比降上陡下缓,为3~6
河床宽浅,水流散乱,主流摆动不定,沿程有渭河、涺水河、汾河、涑水河等支流汇入,为典型的堆积游荡性河道。
1、近期水沙变化分析
黄河小北干流河段的水沙主要来自龙门水文站以上,来水来沙异源,水沙量年际年内分布不均,水少沙多,水沙不平衡,含沙量高。
近年来,由于黄河流域的降雨偏少、工农业用水增加、水库调节及水土保持的减水减沙作用等,使黄河小北干流来水来沙发生了较大变化,主要呈现以下特点:
1.1来水来沙不断减少
据有关资料统计,1919~2005年,黄河小北干流龙门水文站多年平均来水来沙分别为289、6亿m3、8、582亿t,其中汛期(7~10月)来水来沙分别为163、4亿m3、7、511亿t。
多年平均含沙量29、6kg/m3,最大含沙量1040kg/m3。
1986年以后,进入黄河小北干流的水沙量大幅度减少,1987~1995年来水来沙分别比1919~1986年减少30、3%、41、1%;其中汛期减少幅度更大,分别减少48、5%、43、9%;非汛期来水来沙分别为126、1亿m3、0、921亿t,与1919~1986年平均值(132、8亿m3、1、152亿t)接近。
1995年以后,来水来沙减少更多,黄河干流进入了枯水枯沙期,1996~2005年来水来沙分别比1919~1986年减少48、9%、68、8%;其中汛期来水来沙减少幅度更大,分别减少65、5%、72、3%;非汛期来水来沙分别为98、50亿m3、0、662亿t,比1919~1986年减少25、8%、42、5%。
1.2水沙量年内分配发生了新的变化,水沙条件更为不利
1986年10月15日,龙羊峡、刘家峡水库联合运用以来,进入黄河小北干流河段水沙量的年内分配发生了较大的变化。
汛期水沙量占年总量的百分数分别较1987年前减少了13、5%与7、2%,减水幅度大于减沙幅度。
1990年以来,减水幅度进一步加大,年平均汛期水沙量占年总量的比例分别较1987年以前减少了14、2%与8、7%。
近年来,该河段汛期小水流量对应的水量占汛期总水量的比例显著增加,大中水流量对应水量的比例明显减少,汛期日均流量小于1000m3/s水量占汛期总量的比例较1987年前增加了29、2%;大于3000m3/s的比例减小了16、9%;大于1000m3/s而小于3000m3/s的比例减小了12、3%。
与此同时,近年来,汛期进入该河段小流量挟带的沙量明显增加。
如小于1000m3/s流量挟带的沙量占汛期总沙量的比例较1987年前增加了44、7%;大于3000m3/s挟带沙量占汛期总沙量的比例减小了38、1%;1000~3000m3/s挟带的沙量变化不大。
1950年7月~1987年6月,该河段来沙系数为0、010,1987年7月~1997年6月为0、012,1990年7月~1997年6月为0、014,来沙系数逐时期增大,水沙条件更为不利。
1.3大流量出现机遇明显减少,小流量出现机遇明显增加
黄河龙门站1950年~1985年汛期大于2000m3/s流量出现天数平均40天、大于1000m3/s流量出现天数平均为90天,1986年~2002年汛期大于2000m3/s流量出现天数平均每年汛期为6天,大于1000m3/s流量出现天数平均为30天,大流量出现机遇明显减少,小流量出现机遇明显增加。
1.4泥沙组成发生了新的变化
1.4.1汛期来沙量及各分组泥沙量都大量减少
黄河龙门、潼关站1986年后年均沙量比1968年前分别减少50%、46%。
1986年后龙门细泥沙(d<0、025mm)、中泥沙(0、025mm 粗泥沙减少最多,中泥沙次之,细泥沙最少。 1.4.2粗泥沙比例相对减少,细泥沙比例相对增加 各分组沙量的不均匀减少造成泥沙组成发生变化。 龙门站中泥沙占全沙比例变化较小,细泥沙增加较多,由1968年前的占44%增加到近60%,粗泥沙减少较多,由28%减少到仅仅16%;潼关细泥沙占全沙的比例同样增加,由54%增加到61%,中泥沙、粗泥沙的比例减少值相差不大。 黄河中游干流汛期不同时期各分组沙量多年平均值表 站名 时期 沙量(亿t) 占全沙比例(%) 全沙 细沙 中沙 粗沙 细沙 中沙 粗沙 龙门 1960~1968 10、193 4、541 2、821 2、831 44 28 28 1969~1986 6、148 2、896 1、648 1、604 47 27 26 1987~1996 4、832 2、819 1、224 0、789 59 25 16 潼关 1961~1968 12、745 6、922 3、518 2、305 54 28 18 1969~1986 9、072 5、180 2、352 1、540 57 26 17 1987~1996 6、773 4、140 1、718 0、915 61 25 14 1.4.3泥沙中值粒径均有所减小,来沙细化 1960~1995年,黄河龙门、潼关站汛期中值粒径d50都明显变小,其中龙门变化最大,减少近0、01mm。 而中游各主要粗泥沙产沙支流的多年平均中值粒径d50也都减小了,尤其进入90年代以后,来沙细化十分显著。 黄河中游干支流主要控制站汛期中值粒径d50变化表(单位: mm) 时期 中值粒径d50 时期 中值粒径d50 龙门 潼关 孤山川 窟野河 无定河 1960~1968 0、029 0、023 1966~1969 0、026 0、054 0、036 1969~1986 0、027 0、021 1970~1979 0、041 0、050 0、036 1987~1995 0、0195 0、019 1980~1989 0、031 0、048 0、033 1990~1995 0、026 0、029 1960~1995 0、028 0、022 1966~1995 0、033 0、052 0、034 1.4.4泥沙组成规律也发生了变化 该河段来沙量越大,粗泥沙比例越高,来沙量越小,细沙比例越高,7~8月份的泥沙较9~10月稍细。 这就是由于7~8月为流域面上来沙,而9~10月来沙部分为河道冲刷补给。 2、黄河小北干流近期河道冲淤变化分析 黄河小北干流在自然条件下汛期多为淤积,非汛期一般发生冲刷。 近年来,由于黄河小北干流水沙条件更为不利,使河道淤积加剧,淤积主要集中于平水丰沙、含沙量相对较高的年份,主河槽淤积增加,滩地淤积减少,纵向淤积分布由溯源淤积变为沿程淤积。 2.1水沙条件更为不利,河道淤积加剧 黄河小北干流为堆积性河道。 三门峡建库前,该河段淤积量在0、5~1、5亿t之间变化;三门峡水库建库后,1960年9月至2003年10月,该河段共淤积泥沙25、134亿m3,年均淤积约0、59亿m3,且淤积还在不断发展。 三门峡建库后的1960年9月~1962年3月,受水库淤积上延的影响,导致潼关高程淤积抬高,黄河小北干流河段淤积泥沙达3、274亿m3,黄淤41~45断面淤积最为严重。 1962年4月~1973年10月,为了减轻三门峡库区的淤积,对水库枢纽泄流建筑物进行了两次大改建,但由于前期淤积较多,而此间又发生了1964年、1966年、1967年、1970年等几个丰水丰沙年份,加上刘家峡水库1968年10月投入运用,改变了水沙条件,使该河段淤积泥沙达15、268亿m3,黄淤45~50断面淤积最为严重。 1973年10月~1986年10月,由于三门峡水库采用蓄清排浑的运用方式以及有利的来水来沙条件,1977年又连续发生两次“揭河底”冲刷。 因而,该河段仅淤积泥沙0、093亿m3,冲淤基本平衡。 1986年10月~1990年10月,由于黄河上游龙羊峡水库投入运用,龙、刘两库联合运用等因素的影响,黄河水量特别就是汛期水量与大流量出现的机率大幅度减少,中小流量出现的历时加长,含沙量增加,水沙更为不协调,河道淤积增加,该河段淤积泥沙2、423亿m3。 淤积主要集中在黄淤45~54断面及黄淤62~68断面,占全河段同期淤积总量的68、8%。 1990年10月~2004年10月,由于黄河流域降水减少,工农业用水不断增加,汛期来水量显著减少,非汛期来水量变化不大,来沙系数增大,加剧了河道淤积,该河段淤积泥沙4、004亿m3,年平均淤积量为0、31亿m3,为1973年~2004年0、21亿m3的1、48倍,淤积仍主要集中在黄淤45~54断面及黄淤62~68断面,占全河段同期淤积总量的61、8%。 2.2汛期多为淤积,非汛期一般发生冲刷 黄河小北干流在自然条件下汛期多为淤积,非汛期一般发生冲刷,汛期淤积量随含沙量的增大而增加,非汛期冲刷量随龙门站来水量的增大而增大。 1974~2003年,黄河小北干流河段汛期年均淤积0、6456亿m3,其中1974~1986年由于水沙条件有利,该河段基本冲淤平衡,汛期年均淤积0、4779亿m3: 1987~1998年汛期淤积最为严重,共淤积了11、04亿m3,汛期年均淤积0、92亿m3。 据有关资料统计分析,1987~1995年汛期(7~10月)年平均径流量95、2亿m3,仅为1919~2005年汛期年平均径流量163、4亿m3的58、3%,但1987~1995年汛期年平均含沙量却高达50、8m3/kg,比1919~2005年汛期年平均含沙量46、0m3/kg还高: 1999~2003年进入枯水枯沙期,该河段汛期淤积了2、11亿m3,汛期年均淤积0、4229亿m3。 黄河小北干流河段冲淤量统计表(单位: 亿m3) 时段 项目 非汛期 汛期 年 1974~1986 总量 -6、17 6、21 0、04 年均冲淤量 -0、4750 0、4779 0、0029 1987~1998 总量 -4、27 11、04 6、78 年均冲淤量 -0、3554 0、9200 0、5646 1999~2003 总量 -2、39 2、11 -0、28 年均冲淤量 -0、4782 0、4229 -0、0554 1974~2003 总量 -12、83 19、37 6、54 年均冲淤量 -0、4277 0、6456 0、2179 非汛期,黄河小北干流多年平均冲刷0、4277亿m3,冲刷量最多的就是1975~1976年非汛期,冲刷量达1、1亿m3;一般年份冲刷量为0、2~0、5亿m3,个别年份也会发生淤积,但淤积量不大。 1987年以来,黄淤50断面以下冲刷量减少,而上段冲刷量增加,特别就是1999年以后从上向下冲刷量沿程减少的特点更加明显。 黄河小北干流不同时段非汛期冲淤量分布表(单位: 亿m3) 时段 黄淤41~45 黄淤45~50 黄淤50~59 黄淤59~68 1974~1986 -0、0562 -0、1307 -0、1529 -0、1351 1987~1998 -0、0185 -0、0328 -0、1486 -0、1556 1999~2003 -0、0354 -0、0667 -0、1692 -0、2069 2.3淤积主要集中于平水丰沙、含沙量相对较高的年份 近年来,该河段的淤积主要集中于平水丰沙、含沙量相对较高的年份。 如1988年与1994年,年平均水沙量及含沙量分别为253、4亿m3、9、678亿t、38、2kg/m3与241、6亿m3、8、570亿t、35、5kg/m3,年平均淤积量分别为1、724亿m3与1、075亿m3,这两年淤积量占1987年~2002年总淤积量的44、9%。 黄河小北干流河段近期水沙量及冲淤量表 年份 水量 (亿m3) 沙量 (亿t) 含沙量 (kg/m3) 淤积量 (亿m3) 1987 151、1 2、714 18、0 0、255 1988 253、4 9、678 38、2 1、724 1989 345 6、143 17、8 -0、301 1990 243、9 5、387 22、1 0、359 1991 151、9 2、88 19、0 0、791 1992 209、3 6、45 30、8 0、632 1993 225、2 3、38 15、0 -0、093 1994 241、6 8、57 35、5 1、075 1995 230、2 7、64 33、2 0、456 1996 185、7 7、98 43、0 0、682 1997 146、3 3、09 21、2 0、886 1998 162、9 4、13 25、4 -0、527 1999 184、6 2、29 12、4 -0、107 2000 145、3 1、96 13、5 0、341 2001 158、0 3、09 19、5 0、290 2002 133、3 2、67 20、0 -0、271 平均 198、0 4、88 24、6 0、390 2.4主河槽淤积增加,滩地淤积减少 汛期,该河段的淤积主要发生在几次沙量较大的洪水。 如果洪水的含沙量不就是很大,则洪水漫滩时,滩地淤积,主槽发生冲刷;如果洪水的含沙量很高(“揭河底”情况例外),则主槽与滩地均发生淤积,大水过后,水流归槽,主槽淤积。 滩地与主槽的这种相互调整与转化,形成了该河段滩、槽同步抬高的趋势。 如果高含沙洪水发生“揭河底”冲刷,则主槽强烈冲刷,滩地大量淤积,淤滩刷槽,形成高滩深槽。 近年来,由于进入该河段漫滩洪水发生的机遇明显减少,加之多年未产生“揭河底”冲刷,滩地淤积明显减少,淤积量占全断面淤积量的比例由1968年~1982年的72、8%减少为59、5%,主河槽淤积显著增加,淤积量占全断面的比例由1968年~1982年的27、2%增加到40、5%,从而导致该河段的滩槽高差减小,主河槽萎缩,过洪能力降低。 2.5纵向淤积分布发生变化,由溯源淤积变为沿程淤积 1960年4月~1973年10月,该河段的淤积主要集中于黄淤41-50断面的三门峡水库变动回水区,占全河段淤积量的57、2%,其次为黄淤59~68断面、黄淤50~59断面;1973年10月~1986年10月,淤积主要集中于黄淤50~59断面,黄淤59~68断面淤积较少,黄淤41~50断面发生冲刷。 近年来,淤积主要集中在黄淤59~68断面,占全河段淤积量的48、7%,其次为黄淤50~59断面、黄淤41~50断面,淤积形式也由溯源淤积变为沿程淤积,其主要原因就是三门峡水库两次改建与采用“蓄清排浑”运用方式以后,潼关高程下降,其淤积分配形式已由受来水来沙条件与潼关高程的共同作用,变为主要受来水来沙条件的影响。 三门峡水库建库后黄河小北干流河段淤积量分布表(单位: 亿m3) 时段 黄淤41~50 黄淤50~59 黄淤59~68 全河段 1960、04~1973、10 10、602 3、756 4、185 18、543 1973、10~1986、10 -0、642 0、657 0、078 0、093 1986、10~2003、10 1、64 1、697 3、162 6、499 1960、9~2003、10 11、599 6、110 7、425 25、134 近年来,黄河小北干流河段上段平均淤积厚度约1、4m,中段平均淤积厚度约1、0m,下段平均淤积厚度约为0、6m,上段平均淤积厚度就是下段的2倍多,其结果使得该河段河床纵比降增加,河床纵剖面变陡。 2.6不同的来水来沙条件,塑造不同的河床形态 由于水沙条件的不同变化,导致河床不断发生冲淤变化,从而使河床比降与断面形态都随之进行调整。 当冲刷时,由于横向环流的作用,促使泥沙横向运动,原有河漫滩遭到旁蚀、坍塌,使河曲发展,平面呈现弯曲性河道。 当淤积时,往往旧河槽被淤平,又拓出新河槽,形成河道迁徙。 特别就是大水大沙时,具有很强的造床能力,裁弯、抹尖作用强,将使河势发生大幅度的摆动,如1933、1940、1953、1959、1964、1966、1967及1977年等。 若遇高含沙洪水产生“揭河底”冲刷,河势将产生较大变化,往往塑造新的河槽。 如1977年,该河段相继发生了两次“揭河底”冲刷,河槽下切了4~6m,滩地淤高了1~2m,河槽变窄深,河相系数显著减小。 一般情况下,在“揭河底”冲刷前,由于河道淤积严重,河床宽浅,水流散乱,河势摆动较频繁。 在产生“揭河底”冲刷后,形成一定的滩槽高差,之后,如遇一般水沙年份,河势一般不会产生大的摆动。 近年来,由于水沙条件更为不利,淤积加剧,河床趋于宽浅,河相系数增大,各河段的河相系数已接近“揭河底”前1976年6月的数值。 黄河小北干流不同河段典型年河相系数表 河段 1977、6 1977、10 1981、10 1984、10 1987、6 1997、6 黄淤41~45 21、0 15、7 18、6 25、0 24、1 22、6 黄淤45~53 54、4 26、5 40、4 50、1 47、6 50、8 黄淤53~59 56、5 16、1 36、1 46、8 45、5 55、5 黄淤59~64 64、4 10、8 42、8 54、5 56、1 65、2 黄淤64~68 76、9 8、7 23、3 38、0 47、0 58、3 总之,黄河小北干流河段冲淤演变的基本规律就是: 随着来水来沙条件的变化,河床调整存在一个往复性演变过程。 在一定的河床边界条件下,经过高含沙洪水产生“揭河底”冲刷,主槽强烈冲刷,滩地大量淤积,淤滩刷槽,滩槽高差增大,形成高滩深槽,河道在平面上大幅度摆动,河势趋于归顺,一般洪水漫滩机会减少,削峰滞洪能力减小。 自1950年以来,黄河小北干流河段共发生了9次“揭河底”,冲刷深度一般为2~4m,最深达9m(1970年8月)。 “揭河底”冲刷后,河床又回淤抬高,短则当年就回淤,长则需2~3年,河槽变宽浅,水流散乱,河势游荡摆动,河槽平滩流量与输沙能力降低,洪峰漫滩机会增大,削峰滞洪率增大,当河床调整达到临界状态时,在适宜的来水来沙情况下,再次发生“揭河底”冲刷现象。 这一周期性循环与河道往复性演变,孕育了该河段由淤积—强烈冲刷—淤积的周期性变化,但河床总的趋势就是淤积抬高的。 这就是该河段河床冲淤演变的基本规律。 3、河床冲淤变化的影响 近年来,由于水少沙多,水沙不协调,黄河小北干流河道淤积加剧,使河床不断淤积抬高,主河槽萎缩,滩槽高差减小,平滩流量与过洪能力降低,洪水位不断升高,洪水削峰率增大,洪水漫滩机率增加,工程临背差加大,滩地盐碱化严重,河势游荡加剧,冲滩塌岸严重,小水大险时有发生,潼关高程居高不下,严重影响防洪、防凌安全与河流健康。 3.1主河槽萎缩,过洪能力降低 由于河道淤积加剧,使滩槽高差减小,主河槽萎缩,过洪能力不断降低,洪水漫滩机率增加。 据有关资料分析,1964~1986年黄河小北干流河段多年平均平滩流量为6000~9000m3/s。 1986年以来,受上游水沙条件的变化,平滩流量明显降低,1986~2001年平滩流量多在3000~6000m3/s,个别河段的平滩流量减小至2000m3/s左右。 2005年汛后,黄河小北干流河段的平滩流量大部分在2600~3500m3/s,个别河段为4000m3/s左右,有的河段仅2000m3/s左右, 2005年黄河小北干流不同河段平滩流量表 河段 平滩流量 (m3/s) 备注 黄淤68~64 3500~4000 黄淤64~59 2600~3500 黄淤63、黄淤62断面平滩流量分别2600m3/s与2000m3/s。 黄淤59~54 2700~3500 黄淤54~50 2800~3500 黄淤50~45 3000~3500 黄淤47断面平滩流量2000m3/s。 黄淤45~41 2400~3500 汇淤6断面的平滩流量在2400m3/s,汇淤4断面的平滩流量约2000m3/s。 3.2洪水位不断抬高,洪水削峰率增大 近年来,黄河小北干流河道淤积,河床抬高,使同量级洪水位不断抬高。 如1994年8月黄河龙门站10600m3/s的洪水与1988年龙门站10200m3/s的洪水相近,但右岸桥南、榆林、新兴、华原、牛毛湾等工程的相应洪水位却分别抬高0、77m、1、07m、0、47m、0、86m、0、59m,左岸大石嘴、庙前、城西工程的相应洪水位分别抬高2、10m、0、54m与0、21m。 根据1950年以来黄河龙门站10000m3/s以上的多场洪水分析,黄河小北干流洪水削峰率主要与三门峡水库运用、河道淤积情况、洪峰大小、峰型胖瘦、平滩流量大小、漫滩程度、含沙量大小以及就是否产生揭河底等因素相关。 一般情况下,河道淤积越严重、龙门洪峰越大、平滩流量越大,削峰率越大;反之则削峰率越小。 据有关资料统计分析,1950年~1959年三门峡建库前,黄河龙门站13100~16400m3/s洪水的削峰率在12、9%~29、2%之间,平均削峰率为23、4%;1960年~1973年三门峡建库后,河道淤积严重,黄河龙门站10900~21000m3/s洪水的削峰率为22%~60、4%,平均削峰率达44、6%;1974年~1986年三门峡水库实行“蓄清排浑”运用,水沙条件较为有利,黄河小北干流相继发生了两次“揭河底”冲刷,黄河龙门站10600~14500m3/s洪水的削峰率为8、7%~34、2%,平均削峰率仅17、5%;1987年~2006年黄河上游龙羊峡水库投入运用,来水量大幅度减少,水沙更为不协调,河道淤积加剧,削峰率增大,黄河龙门站10200~11100m3/s洪水的削峰率为26、9%~35、6%,平均削峰率达31、6%。 3.3工程临背差加大,滩地盐碱化严重 由于河床不断淤积抬高,使工程临背差随之加大,现临背差多在1、50m以上,最大达3、35m,出现悬河之势。 右岸的朝邑滩、新民滩临背差已在2m以上,华原段达3m左右,造成滩区地下水位上升,沼泽盐碱化日趋严重。 华原至朝邑20万亩可耕滩地,已沼泽、盐碱化10、9万亩,其中明水面积近万亩,左岸的尊村滩、西范滩、连伯滩临背差1~2m,沼泽面积近十万亩;有的变成白茫茫的不毛之地,有的仅能生长单一的碱蓬草,大片滩地荒芜。 3.4河势变化无常,主流摆动不定,各种灾害加重 黄河小北干流河段泥沙淤积不断加剧,河床冲淤变化剧烈,使河势变化无常,主流摆动不定,冲滩塌岸严重,直接危及沿河铁路、公路、渡口、村庄等安全。 据不完全统计,两岸近十年塌滩塌岸总长度为52、76km,塌宽一般为100~1000m,塌毁耕地面积为9、11万亩。 右岸的韩城市下林皋、李村一带近几年塌滩较为严重,塌宽在1000~1500m。 近年来,合阳县的岔峪口、潼关县的潼河口一带滩岸仍不断坍塌。 近年来,因河道淤积严重,沙洲密布,汊流丛生,多股水流屡见不鲜,往往出现横河、斜河,冲击淘刷严重,使小水大险不断发生。 如2001年9月3日~24日,黄河龙
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