黄河泥沙工程控制论

第1篇理论篇 第1章绪论 1.1黄河泥沙的特点 黄河是世界上输沙量*大、含沙量*高的河流，水少沙多、水沙关系不协调是黄河区别于其他河流的基本特征，也是黄河复杂难治的症结所在。黄河泥沙在产生、输移和淤积等各个过程中均具有一定的特点，涉及流域土壤侵蚀产沙、泥沙输移、河道淤积与冲刷、水库和河口泥沙淤积等多个方面。 1.1.1流域土壤侵蚀产沙 河流输移泥沙的来源包括作为河床组成的床沙和源自流域、河岸的细沙，从地质角度来讲，这两种泥沙均源自流域。流域土壤侵蚀可分为陆域侵蚀和河道侵蚀：陆域侵蚀包括面蚀、细沟蚀和沟蚀，侵蚀强度决定流域产沙量；河道侵蚀包括河床冲刷与河岸冲刷。 黄河流域以水流泥沙含量高闻名于世。由于黄河流经不同的地理单元，流域地貌、地质等自然条件差别很大，因此泥沙来源存在不均匀性。黄河上游、中游和下游的年来沙量分别约占全河年来沙总量的9%、89%和2%。其中，中游流经黄土高原地区，该区新黄土分布十分广泛，河口镇至龙门区间的面积仅占流域总面积的约14.8%，年来沙量却占全河年来沙总量的一半以上（56%）。黄河年来沙量在1亿t以上的主要一级支流有无定河（2.12亿0、渭河（1.86亿0和窟野河（1.36亿t）合计占年来沙总量的约33.4%。从输沙模数来看，大于10000t/（km2 a）的地区主要分布于黄土丘陵区，包括河口镇至清涧河口之间的晋陕间支流地区，红柳河、芦河、大理河、清涧河、延河、北洛河及泾河的支流马莲河的河源区，以及渭河上游北岸支流葫芦河的中下游和散渡河地区（图1-1）。 泥沙按照颗粒大小可划分为黏土、粉砂、砂、砾石、卵石、漂石等。黄土高原地区新黄土分布十分广泛，其颗粒组成从西北向东南逐渐变细。每年进入黄河的泥沙中，粗沙W>0.05mm）为3.64亿t，约占总沙量的23%，是造成下游河道淤积的主要原因。根据黄河中上游地区的地貌特征和黄土分布状况，泥沙的来源可分为三个区域：①河口镇至龙门区间，马莲河和北洛河为多沙粗沙来源区；②除马莲河以外的泾河干支流，以及渭河上游、汾河为多沙细沙来源区；③河口镇以上，渭河南山支流、洛河、沁河为少沙来源区。黄河泥沙可分为悬移质和河床质，其中悬移质占主导地位。悬移质颗粒沿程变化的总趋势是：兰州至河口镇泥沙颗粒沿程变细；河口镇至吴堡站受粗沙来源支流汇入影响，泥沙颗粒局部变粗；吴堡站以下泥沙颗粒又恢复沿程变细。从年内变化来看，受降水等气候因素的影响，黄河流域悬移质的颗粒组成随季节变化，一般表现为汛期泥沙颗粒较细，而非汛期泥沙颗粒较粗。河床质颗粒沿程变化的规律为：龙门站、三门峡站和潼关站的泥沙颗粒一般较包头站更粗，且潼关站的泥沙颗粒较龙门站和三门峡站更细，三门峡站以下泥沙颗粒沿程变细。此外，山谷地区河段比降大、断面窄深，河床质颗粒较粗；平原地区河段比降小、断面宽浅，河床质颗粒较细。 黄河流域产沙主要集中在汛期，中下游干流7～10月输沙量可占全年输沙总量的80%以上。黄河流域产沙主要集中在来水偏丰的年份，在年内又往往集中于一次或几次暴雨洪水期间。因此，黄河流域产沙量存在年内分布集中、年际变化大等特点，这种情况在面积较小的流域表现尤为突出，并且容易形成高含沙洪水。 泥沙的重要参数主要包括粒径、沉速、容重、阻力系数、黏结力、形状、休止角、孔隙率、粒径频率等。其中，沉速是表征水流与泥沙相互作用的*重要指标；阻力系数是泥沙颗粒雷诺数和泥沙形状系数的函数；休止角是泥沙颗粒内摩擦的一种度量，定义为非黏性泥沙颗粒保持稳定不动时的*大倾斜角。泥沙颗粒的上述特性均对泥沙输移和沉降有一定影响。 1.1.2泥沙输移 泥沙颗粒的启动与作用在其上的剪切力和水流流速密切相关。当水流流速较小时，泥沙静止不动，随着流速的增大，颗粒会逐渐发生颤动，但尚未离开原来位置，流速继续增大时，泥沙颗粒开始运动。泥沙运动的形式与其在河床表面所处的相对位置有很大关系。按照运动形式的不同，泥沙颗粒可分为接触质、跃移质、悬移质和层移质，其中接触质、跃移质和层移质又统称为推移质。推移质和悬移质维持运动的能量来源不同，其输移过程亦遵循不同的运动规律。推移质中的接触质和跃移质维持运动的能量来源于水流的能量，当水流有较大的坡降时才能维持层移运动，而悬移质维持运动的能量来源于水流内部紊动的动能。悬移质影响河床颗粒间的水体，推移质则直接影响河床颗粒本身。但从河床到水面，泥沙的运动是连续的，因此在一般情况下，接触质、跃移质、悬移质和层移质之间，以及它们与河床泥沙之间不断发生交换。 流域内泥沙的输移状况可用泥沙输移比来反映，该指标是表征流域水流输移泥沙能力的重要指标，也是连接流域地面侵蚀与河道输沙的纽带。泥沙输移比是指一定时间和空间范围内，流域某一断面输出小于某一粒级的泥沙量与该断面以上侵蚀物同粒级的泥沙量之比。泥沙输移比是流域气候条件（如流域降水量、产流等），流域地形、地貌、地质条件（如流域面积、沟道比降、沟道密度、主沟道长度等），下垫面条件，人类活动（如治理度等）等多种因素综合作用的结果。泥沙输移比存在明显的尺度效应，一般来说，随着流域尺度增大，被侵蚀的泥沙在输移过程中沉积下来的概率增大，因而可能出现泥沙输移比随流域尺度增大而减小的现象。但这种可能性还受多种自然和人为因素的综合影响，有可能出现反向的特征。例如，在杏子河、延河、黄河三级流域中，就存在流域泥沙输移比随流域尺度增大而明显增大的趋势。 1.1.3河道淤积与冲刷 开展河流形态和河床形态特征研究对掌握泥沙输移、河流水沙量变化规律非常重要。动态河流的形态、位置和特性随水量、沙量、气候、地质构造和人类活动等多种因子长期和短期的变化而变化，如河流水量、沙量变化引起的河道淤积和冲刷。河流的平面形态大致可分为蜿蜒型、顺直型、分汊型和游荡型。河床形态是河床的泥沙颗粒与水流之间相互作用的结果。根据床面形态的几何相似性、泥沙输移方式与强度、水流阻力、能耗过程，以及河床形态与水面波动之间的相位关系等因素，可将河床形态划分为高流态区、低流态区及两者之间的过渡区，低流态区水流阻力大、输沙强度小，高流态区水流阻力小、输沙强度大。水深（流量）、能坡与黏性（水温与黏质粉砂浓度）变化可能导致低流态区典型形态向高流态区典型形态转换。 一般而言，天然河道上游比降大、下游比降小，因此自然状态下，中下游河道以河床淤积为主。但在一场大洪水的行洪过程中，随着涨水段流速不断加大和退水段流速逐渐减小，河床必然存在淤积一冲刷一淤积的变化过程。除了主槽的淤积和冲刷，还会产生凸岸河床不断淤积、凹岸河床不断冲刷的作用，从而塑造河道形状。河道冲刷与水流含沙量、流速等关系密切。在水位上升、下降的过程中，河道冲刷距离、累计冲刷量也随之发生变化。河道冲刷也会导致岸坡坡角发生改变，对岸坡稳定性具有较大影响。 黄河流域产水产沙的时空不均匀性，使大量泥沙在黄河下游强烈堆积，河床不断淤积抬高，形成举世闻名的“地上悬河”。下游河道冲淤变化非常剧烈，主流游荡摆动频繁，畸形河湾不断出现。来水偏枯年份，进入下游的水量减少，洪水造床作用减弱，高含沙中小洪水出现概率增加，导致河槽淤积萎缩。下游河道宽、浅、散、乱，“二级悬河”的不利状况可能加剧，出现“横河”“斜河”“滚河”的潜在威胁不断增大，水患威胁加剧。艾山以下河段，小水出现概率及其挟带的沙量增加，大水冲槽的机会显著减少，主槽发生严重淤积，洪水位抬高，河道排洪输沙能力降低。 跨河工程（如大型水利枢纽、渠系工程等）的修建，会在一定程度上改变河流水位、流量、泥沙量等特征，水库的调节能力和不同运用方式亦会影响出库水沙过程，从而改变进入下游河道的水沙条件，这些势必会对河道冲刷和淤积状况产生影响。在水库运用初期，下游河道发生冲刷后，河道纵比降总体变缓，河槽断面趋于窄深，相应河势趋于稳定。 自1999年小浪底水库蓄水运用以来，下泄水流的含沙量显著降低，进入黄河下游的泥沙大幅减少，河道发生持续冲刷，河床形态也随之调整。特别是小浪底水库自2002年以来连续多年开展调水调沙工作，黄河下游主槽实现沿程冲刷，2002～2007年调水调沙期间，利津站入海总沙量约为4.667亿t，下游河道共冲刷2.989亿t，下游河道主槽的过流输沙能力明显提高。而在黄河上游宁蒙河段，干流、支流来水来沙的变化导致河道发生淤积，主要发生在20世纪80年代中期以后，以汛期主槽淤积为主，淤积导致中水河槽过流能力下降，平滩流量下降62.5%（4000m3/s减小至1500m3/s）。宁蒙河段上游龙羊峡、刘家峡两库联合调度运用，使径流年内分布发生明显变化，汛期水量减小、比例下降，大流量天数减少，流量趋于均匀化，改变了宁蒙河段的水流条件，不利于河道输沙，根据估算，两库联合调度造成的淤积量约占宁蒙河段总淤积量的一半。 1.1.4水库泥沙淤积 水库泥沙淤积也是泥沙淤积的重要方面，涉及水库运用、河床演变、库容保持、下游河道防洪与减淤等。水库运用后抬高了原河道泥沙侵蚀基准面，导致大量泥沙被拦截在库区内，受入库水沙条件和水库运用方式的影响，淤积泥沙多呈现三角洲、带状、锥体等淤积形态。水库运用方式对库区泥沙淤积的数量、部位与形态有重要影响。如果水库采用每年（或每几年）放空或大幅降低水位的运用方式，可减少水库的淤积，并将淤积部位不断向坝前推进；如果水库大坝设置泄流排沙底孔且其泄流能力超过多年平均入流量的90%，则坝前发生泥沙淤积的可能性较小，水库拦沙率也很低（1%～20%）;如果大坝没有设置泄流能力超过多年平均入流量足够比例的泄流排沙底孔，水库一般采用拦蓄每年早期洪水、蓄满后由溢洪道下泄超额洪水的运用方式，或者采用常年拦蓄洪水的运用方式，此时水库几乎拦蓄了全部入库泥沙，水库拦沙率将会很大（95%～100%）。由水库拦沙导致的库容损失率取决于相对于入库流量的水库库容、入库泥沙的数量与粒径、水库与大坝的特性、泥沙淤积物的容重或密度等。 水库泥沙淤积问题严重程度可以采用库容沙量比这一指标来反映。库容沙量比定义为正常蓄水位以下库容与入库年输沙量之比。当库容沙量比大于壅水建筑物结构的设计基准期（一般为50～100年）时，水库泥沙淤积严重。 1.1.5河口泥沙淤积 1950～2019年，黄河平均每年约有6.56亿t的泥沙进入河口地区。进入滨海地区的泥沙受潮流、余流、波浪等诸多海洋动力因素的影响，可通过潮流输沙、余流输沙、波浪掀沙等方式输移至外海。大量泥沙进入河口地区后，河海交界处水流挟沙能力骤然下降，并且河口海洋动力相对较弱，无法将进入河口地区的泥沙全部输送至外海，因此淤