近期黄河下游河床演变特点及滩区洪水风险评估

第1章 绪论 　　1.1 研究背景及意义 　　1.1.1 研究背景 　　1. 黄河下游河床演变概况 　　冲积河流上修建水库后，改变了进入下游河道的水沙条件，必然会引起坝下游河流的再造床过程。尤其在水库运用初期，坝下游河流将发生自上而下的普遍冲刷，使得河床形态发生显著调整。这些坝下游河流的演变特点，将对河道防洪、滩区土地利用等方面带来一系列的影响(钱宁， 1958; 胡春宏， 2005; 潘贤娣等， 2006; 陈建国等， 2012)。在水库运用初期，坝下游河床演变过程通常包括河床持续冲刷、纵比降调整、河床粗化、断面及平面形态变化、过流能力调整等方面(Williams and Wolman， 1984; 赵业安等， 1998; Wu et al.， 2008a; Xia et al.， 2014a， 2014b)。黄河中上游水库的修建对下游的水沙过程具有巨大的调节作用，在水库运用初期下游河床会产生长距离、长时间的调整过程。 　　三门峡水库位于黄河中游下段，控制流域面积为68.8万km2，是黄河干流上兴建的**座以防洪为主的综合性水利枢纽。根据1919～1989年的水文统计资料，多年平均入库流量为1310m3/s，平均含沙量为34.7kg/m3，历史**流量为22000m3/s，**含沙量为911kg/m3(杨庆安等， 1995)。三门峡水库控制着黄河中游河口镇至龙门和龙门至三门峡区间两个主要洪水来源区，在小浪底水库修建之前三门峡水库承担着黄河上*主要的防洪任务。三门峡水库建成运用后，经历了蓄水运用、滞洪排沙运用和蓄清排浑运用三个阶段(赵业安等， 1998; 潘贤娣等， 2006)。在蓄水运用期(1960～1964年)，黄河下游发生持续冲刷，累积冲刷泥沙23.1亿t，其中游荡段占73%。长时间清水冲刷使得游荡段演变过程较为复杂，河床断面调整既有纵向下切又有横向展宽。花园口至高村河段的滩地4年内累积坍塌面积约为200km2，二滩之间的河槽平均展宽超过1000m(潘贤娣等， 2006)。在滞洪排沙运用期(1964～1973年)，由于受泄流规模的限制，各级洪水仍有不同程度的滞洪作用，下游河道累积淤积泥沙为39.5亿t，其中游荡段占67.7%。在蓄清排浑运用期(1973～1999年)，水库在非汛期蓄水拦沙，汛期降低水位控制排沙。因入库水沙条件的变化，黄河下游河道经历了先淤积后冲刷再持续淤积的过程，该时期下游累积淤积量达42.5亿t，其中游荡段占57.9%。 　　小浪底水库位于黄河中游*后一个峡谷段，控制流域面积为69.4万km2，是黄河干流三门峡以下**具有较大库容的控制性工程，既可有效地控制黄河下游洪水，又可利用其淤沙库容拦截泥沙，进行调水调沙运用，减缓下游河床淤积(张俊华等， 2007)。小浪底水库自1999年10月开始蓄水，至2015年10月已经蓄水拦沙运用16年，将绝大多数中粗泥沙拦在水库里，库区共淤积泥沙约为30.7亿m3。在小浪底水库蓄水拦沙期间，进入黄河下游的泥沙显著减少，从而使得下游河道发生了持续冲刷。根据断面法计算，这16年间黄河下游累积冲刷泥沙约为18.66亿m3，其中高村以上游荡段冲刷*为显著，占整个下游冲刷量的72%。在近期黄河下游持续冲刷过程中，河床断面形态调整较为显著，下游不同河型河段的河床调整均表现为向窄深方向发展，其中游荡段主槽展宽较为明显，过渡段及弯曲段的平滩河宽调整较小。河床平面形态总体保持稳定，与小浪底水库运用前相比，各个河段深泓摆动幅度均有所下降(夏军强等， 2016， 2019)。近期实测资料分析表明，小浪底水库运用以来，黄河下游的洪水演进特性、水沙输移特点及河床冲淤规律更加复杂，尤其在游荡型河段(陈建国等， 2012; 齐璞等， 2014; Xia et al.， 2014a， 2014b)。 　　2. 下游滩区洪水及洪灾损失概况 　　黄河下游共有120多个自然滩，面积约为4050km2，占下游河道总面积的80% (牛玉国等， 2013)。据统计，在黄河下游花园口站自1949年以来的48年实测资料中，洪峰流量超过10000m3/s的共计12次，**为1958年7月的22300m3/s；流量7000～10000m3/s的洪峰共计35次；自1982年8月花园口站出现流量为15300m3/s的洪峰以来，下游未再出现过洪峰流量超过10000m3/s的洪水。特别是三门峡水库蓄清排浑控制运用以来，下游每年汛期均为中小洪水，其中1996年8月流量为7860m3/s的洪峰为1982年8月以后**的一次(苏运启等， 2006)。 　　据1950～2004年资料不完全统计，黄河下游共发生漫滩洪水44次，严重影响了滩区群众的生命财产安全。例如，在1996年8月漫滩洪水中，紧急转移群众56万人，倒塌及损坏房屋67.5万间，直接经济损失达65亿元(牛玉国等， 2013)。尽管小浪底水库运用后大大减轻了黄河下游的防洪压力，但无法控制小浪底至花园口(小—花)间产生的区间洪水，下游发生超过10000m3/s大洪水的风险依然存在(端木礼明和成刚， 2003)；经过20多年的蓄水拦沙运用，下游河道主槽过流能力显著提高，但局部河段的平滩流量仍不到4000m3/s，尤其是“二级悬河”河段的洪水威胁仍很严重。因此可以认为黄河下游出现漫滩洪水的风险依然存在，一旦发生必然严重威胁到滩区群众的生命财产安全(夏军强等， 2008; Hu[李1] et al.， 2012)。 　　1.1.2 研究意义 　　小浪底水库运用前后，黄河下游河道的河床调整较为剧烈，平滩河槽形态及过流能力发生了显著变化，尤其在游荡段。此外，黄河下游滩区是当地群众赖以生存的场所，同时也承担蓄洪、滞洪及沉沙的功能，故洪水风险仍是滩区社会经济发展的主要制约因素。但随着近期黄河下游河床的进一步调整，滩区洪水风险也随之发生变化。因此开展近期黄河下游河床演变特点及滩区洪水风险评估的研究，是当前迫切需要解决的关键问题。 　　1. 黄河下游河床演变的研究意义 　　在冲积河流上修建水库后，下游河道将失去平衡。坝下游河流为建立新的平衡，必然将发生一系列的变化，尤其在河床形态调整方面。小浪底水库的运用改变了进入黄河下游的水沙过程，沙量急剧减少导致下游河床发生持续冲刷。因此研究近期黄河下游的河床演变规律，具有十分重要的科学意义。 　　黄河下游河床演变过程复杂，影响因素较多，在现阶段要做出精确的定量分析与长期预报，仍存在不少困难(谢鉴衡， 2004; 王光谦， 2007)。目前常见的河工模型试验及水沙数学模型，已广泛地应用于预测坝下游河流的长期演变过程(胡春宏和郭庆超， 2004; 王光谦， 2007)。除了这些传统的物理模型和数学模型，基于水沙运动基本理论，结合河道实测资料分析而提出的经验模型或概化模型，也能用于分析坝下游河流的演变过程(梁志勇等， 2005; 胡春宏等， 2006; Shin and Julien， 2010; Wu et al.， 2012; Xia et al.， 2014a， 2014b)。但常见的基于平衡态河流河床演变的分析方法，如各类水力几何形态关系或河相关系等，仅能给出平衡或准平衡条件下河床形态与水沙条件之间的经验或半经验关系(陈绪坚和胡春宏， 2006; Lee and Julien， 2006)。尽管河床演变自动调整原理指出了非平衡态河床调整的方向和目标，但目前缺乏描述非平衡态河流演变过程的理论和方法，通常较多地采用指数或幂函数等非线性函数来描述坝下游河床形态的调整过程(Graf， 1977; 吴保生， 2008; Wu et al.， 2008b; Shin and Julien， 2010; Wu et al.， 2012)。与以往数学模型研究河床演变过程不同，基于河床演变自动调整原理及变率方程的滞后响应模型，已用于分析坝下游河流典型断面的宏观调整过程(吴保生， 2008)。另外由于坝下游河流的河床形态沿程变化较大，河段内某一特定断面的调整过程难以反映整个河段的演变规律，因此需要采用河段平均的特征变量来描述河段整体的变化过程(梁志勇等， 2005; Harman et al.， 2008; Xia et al.， 2014a， 2014b)。 　　上述分析表明，常见的河床演变分析方法多适用于平衡态河流，不适用于预测坝下游河流大尺度及长时间的调整过程。基于自动调整原理的河床变形与相应水沙过程之间的滞后响应模型，通常仅适用于计算特定水文断面的河床调整，不适用于预报整个河段的宏观演变过程。因此需要提出基于河段尺度的河床演变分析方法，建立相应的河床演变概化模型，用于预测黄河下游河段的河床演变趋势。 　　2. 滩区洪水模拟及风险评估的研究意义 　　开展滩区水沙演进模拟技术及洪水风险评估方法的研究，是当前黄河下游滩区治理中迫切需要解决的关键问题。漫滩洪水中群众生命财产安全程度的计算需要解决两个关键问题：复杂条件下主槽及滩区洪水演进过程的模拟技术(周孝德等， 1996; 程晓陶等， 1998; 刘树坤等， 1999; 孙东坡等， 2007)；洪水中群众生命财产安全程度的评估方法(Xia et al.， 2011)。水沙演进模拟既是开展滩区洪水风险评估的前提，也是河流动力学研究中的重要内容之一。洪水演进模拟的计算精度一般取决于阻力、挟沙力计算、合适的控制方程及数值求解方法等(谢鉴衡， 1990)。黄河下游复杂的河道形态特征与水沙过程表明主槽的动床阻力不易确定；滩区植被种类多及阻水建筑物分布复杂，故也不易确定滩地阻力(钱宁等， 1959; 程晓陶等， 1998)。现有半经验、半理论的阻力公式都不能较好地描述黄河下游主槽及滩地阻力的变化规律。另外常用的水沙非耦合解法不能考虑床面冲淤对洪水演进的影响，仅适用于低含沙量水流且床面冲淤速率较小的情况(谢鉴衡， 1990)。因此为了精确地模拟黄河下游的洪水演进过程，必须完善现有河流动力学中的阻力及水流挟沙力计算方法，同时采用合适的控制方程及数值求解方法。漫滩洪水中群众生命财产安全程度的评估主要涉及洪水中各类受淹对象(人体与财产)稳定性的计算方法。以往的洪水风险评估通常按**淹没水深大小划分洪泛区的危险程度，没有考虑洪水中各类受淹对象的受力特点对其稳定性的影响(刘树坤等， 1991; 姜付仁和向立云， 2002)。因此不能简单地以水深大小作为洪水中群众生命财产安全评估的标准。 　　上述分析表明，现有黄河下游洪水演进的模拟技术及洪水风险的评估方法相对落后，需要进一步完善及改进。故开展上述两方面的研究，对拓展与丰富河流动力学的研究内容，具有重要的科学意义及实用价值。 　　1.2 研究现状及存在问题 　　1.2.1 坝下游河床演变分析 　　1. 传统的河床演变分析方法 　　目前预测坝下游河流的长期演变过程常采用河工模型试验及水沙数学模型。尤其是一、二维数学模型，仍是研究坝下游河床演变的主要方法(谢鉴衡和魏良琰， 1987; 李义天等， 2011)。郭庆超等(2005)建立了基于非均匀沙不平衡输移理论的一维水沙数学模型，研究了小浪底水库单独运用以及小浪底与古贤水库联合运用80年内黄河下游的冲淤过程。尽管一维水沙数学模型中研究范围可覆盖整个坝下游河段，但结果通常仅能提供断面平均的水沙因子及冲淤厚度等有限信息，一般不能预测坝下游河流的河宽调整。针对一维水沙数学模型计算结果的局限性，二维水沙数学模型已用于计算坝下游典型河段的冲淤过程。如夏军强等(2005)建立了平面二维河床纵向与横向变形模型，较好地模拟出了黄河下游游荡段非汛期槽淤滩冲与汛期槽冲滩淤的过程。由于对水沙运动及河床演变机理等方面认识上的不足，现有数学模型所用的基础理论存在一定的局限性，如计算中仍采用一些假定或经验系数，对于一些关键参数及计算模式的处理仍不够完善。因此这些局限性使得模型预测结果的经验性很强，由此可能带来计算成果的不合理。