水利工程論文-新形勢(shì)下黃河下游游蕩性河道整治工程設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題探討摘要：隨著黃河清水來(lái)源區(qū)基流的減少、中下游地區(qū)耗水量的增加，使近十幾年黃河下游中小洪水、高含沙洪水出現(xiàn)機(jī)率增加，從而導(dǎo)致一些迎送溜關(guān)系較好的控導(dǎo)工程對(duì)河勢(shì)的控導(dǎo)作用明顯削弱。小浪底水庫(kù)建成后，將改變進(jìn)入下游的水沙及洪水過(guò)程，中小洪水持續(xù)時(shí)間將更長(zhǎng)，今后游蕩性河道如何整治是一個(gè)非常重要的課題。本文通過(guò)模型和原型資料的對(duì)比，對(duì)已建整治工程布局中存在的問(wèn)題及工程對(duì)中小水的適應(yīng)性等進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)新形勢(shì)下游蕩性河段河道整治設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)河寬及新型河道整治工程狀況下排洪河寬的計(jì)算等問(wèn)題進(jìn)行了分析和初步評(píng)議。關(guān)鍵詞：河道整治工程設(shè)計(jì)整治流量整治河寬排洪寬度1概述黃河下游河道整治工程已有300多年歷史。1974年開(kāi)始有計(jì)劃有步驟地進(jìn)行游蕩性河道整治以來(lái)，修建了大量的控導(dǎo)工程，在確保下游防洪安全中起到了重要作用?！鞍宋濉逼陂g，“黃河下游游蕩性河道整治”專(zhuān)題1對(duì)游蕩性河道整治進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和研究。目前黃河下游河道整治所采用的“排洪寬度、整治流量、整治河寬”等都是根據(jù)1985年以前的水沙資料統(tǒng)計(jì)分析得出來(lái)的。1985年以后隨著黃河上游清水來(lái)源區(qū)水資源的日益開(kāi)發(fā)，進(jìn)入下游的基流大幅度減小，水少沙多的矛盾更加突出，黃河下游河道狀況進(jìn)一步惡化。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，今后黃河兩岸引水量將有增無(wú)減，沿程基流會(huì)更加減小。近幾年，中小流量的持續(xù)作用，不少工程出現(xiàn)多次靠河現(xiàn)象，使本來(lái)迎送溜關(guān)系較好的控導(dǎo)工程對(duì)河勢(shì)的控導(dǎo)作用大大削弱。黃科院的模型試驗(yàn)結(jié)果，也使我們不得不對(duì)游蕩性河道整治有關(guān)問(wèn)題重新認(rèn)識(shí)。小浪底水庫(kù)建成后，將改變進(jìn)入下游的水沙及洪水過(guò)程，中小洪水和高含沙洪水出現(xiàn)機(jī)率將大大提高。本文作者曾經(jīng)對(duì)天然實(shí)測(cè)資料進(jìn)行回歸分析，得出過(guò)水?dāng)嗝婷娣e關(guān)系式2A=BH=0.073Q1.21/1-Sv0.2(0.4-Sv)2(1)由上式看出，在來(lái)流流量一定的前提下，含沙量較小時(shí)，過(guò)洪斷面面積因河槽沖刷、過(guò)洪寬度大幅度減小而為一較小值；一般挾沙水流時(shí)，過(guò)洪斷面面積則隨含沙量增加而增加(主要是河槽寬度增加很大所致)；但含沙量大于200kg/m3后，洪水逐漸呈高含沙水流特性，河槽因大量泥沙淤積而使過(guò)洪面積大大減少。同時(shí)，由上式也可看出，如果來(lái)水偏枯，造床流量減少，河槽過(guò)洪斷面將大大減小，這也正是近些年黃河下游河床萎縮的原因所在。目前的河道整治工程能否適應(yīng)今后的水沙過(guò)程，已經(jīng)成為黃河下游急待解決的一個(gè)重大問(wèn)題。我們延長(zhǎng)了最近十年的實(shí)測(cè)水沙系列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)黃河下游游蕩性河段的河道整治問(wèn)題取得了一些粗淺認(rèn)識(shí)，提出來(lái)，意欲起到拋磚引玉的作用，希望對(duì)這一問(wèn)題能夠引起重視并進(jìn)一步深入探討。2新形勢(shì)下黃河下游游蕩性河段河道整治設(shè)計(jì)流量淺析黃河下游河道以中水整治為原則，其工程設(shè)計(jì)流量的選擇取決于造床流量。本文根據(jù)19731996年24年水沙系列，采用多種方法綜合分析了游蕩性河段的造床流量，并對(duì)小浪底水庫(kù)修建后河道整治設(shè)計(jì)流量問(wèn)題進(jìn)行了分析和預(yù)估。2.1平灘流量法3目前黃河下游常采用水位與河漫灘相齊平的流量作為造床流量。表1是花園口至夾河灘斷面1987年以后平灘流量分析結(jié)果，由表看出，花園口、夾河灘兩站平灘流量明顯減小。表1黃河花園口、夾河灘站平灘流量分析結(jié)果BankfulldischargeatHuayuangkouandJiahetanstations年份198719881989199219941996花園口430036004700330040003500夾河灘330035003100370030002.2輸沙能力法我們?cè)鴮?duì)黃河下游造床流量計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，并提出了輸沙能力計(jì)算方法3,4。引入水流挾沙力S*，視QS*Pm最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量為造床流量。P為汛期各級(jí)流量出現(xiàn)的頻率，其中水流挾沙力S*采用文獻(xiàn)5提出的通用公式計(jì)算。該方法引入S*后，使造床流量的計(jì)算，不僅考慮了流量過(guò)程，而且反映了含沙量大小、水流強(qiáng)度及泥沙粗度對(duì)造床作用的影響，顯然從概念上更完善一些。取m=0.6,根據(jù)1973年1996年黃河下游花園口、夾河灘水文站實(shí)測(cè)資料，分別計(jì)算各流量級(jí)相應(yīng)的QS*P0.6，點(diǎn)繪于圖1?？梢钥闯?，花園口、夾河灘站的造床流量分別為4000m3/s和3000m3/s，該流量出現(xiàn)的頻率約3%(汛期出現(xiàn)的頻率約10.2%)。圖1黃河下游花園口、夾河灘造床流量分析結(jié)果（輸沙能力法）DominantdischargeatHuayuankouandJiahetanontheLowerYellowRiver圖2平灘流量(Q平)與輸沙能力計(jì)算結(jié)果(Q造)對(duì)比Comparisonofbankfulldischargewiththatcalculatedbysedimenttransportingcapacitymethod用此方法計(jì)算1992年、1996年花園口和夾河灘的造床流量分別為3500m3/s及2500m3/s，比一般水沙條件下求得的造床流量小了很多。圖2為1973年至1996年之間平灘流量與輸沙能力計(jì)算的造床流量，對(duì)比后2.3新形勢(shì)下游蕩性河道整治設(shè)計(jì)流量的選取河道整治工程一旦興建就無(wú)法改動(dòng)，它要求一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)流量。設(shè)計(jì)流量的選擇，必須考慮將來(lái)的水沙變化，使整治工程在相當(dāng)時(shí)期內(nèi)最大限度的適應(yīng)不同水沙條件。因此，正確預(yù)估小浪底水庫(kù)修建后，下游水沙條件及平灘流量的變化，顯得非常重要。小浪底水庫(kù)修建后，將控制黃河花園口以上流域面積內(nèi)95%的來(lái)水，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的小浪底水庫(kù)運(yùn)用方案，水庫(kù)下泄水流主要以中小水為主。黃科院開(kāi)展的“小浪底樞紐攔沙期游蕩性河段河道整治模型試驗(yàn)研究”及“花園口至東壩頭河段小浪底樞紐正常運(yùn)用期河道演變模型試驗(yàn)研究”6結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)小浪底水庫(kù)下泄清水期對(duì)河道的沖刷之后，主河槽過(guò)洪能力將有所增大，目前1300m3/s流量水位可過(guò)流3000m3/s5000m3/s洪水；25年正常運(yùn)用期運(yùn)用之后，平灘流量一般為40005000m3/s。因此，根據(jù)以上分析目前以至今后黃河下游游蕩性河段河道整治工程的設(shè)計(jì)流量，考慮與以前河道整治設(shè)計(jì)流量相銜接，選取4000m3/s較合適。3河道整治設(shè)計(jì)河寬的確定胡一三等在“黃河下游游蕩性河段河道整治”中明確提出了今后游蕩性河道的整治原則為：防洪為主、統(tǒng)籌兼顧；中水整治、洪枯兼顧1。確定中水流路治導(dǎo)線(xiàn)是游蕩性河道整治的核心，那么中水流路的整治設(shè)計(jì)河寬是確定河道整治治導(dǎo)線(xiàn)必不可少的要素之一。小浪底水庫(kù)的修建將改變黃河下游的來(lái)水來(lái)沙條件。吳賓格在“河道整治小彎方案探討”一文中，為確定流量減小后的治導(dǎo)線(xiàn)寬度，利用黃河花園口、夾河灘、高村三站資料，點(diǎn)繪出B/Q與Sv關(guān)系，認(rèn)為，在造床流量減小后，河道整治寬度應(yīng)減小，小彎方案可用于新形勢(shì)下的游蕩性河道整治之中。目前黃河下游東壩頭以上河道整治設(shè)計(jì)河寬一般采用1200m,東壩頭至高村河段采用1000m。現(xiàn)行河道整治設(shè)計(jì)河寬是否能夠適應(yīng)新時(shí)期本河段河床演變狀況，已成為黃河下游面臨的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。3.1穩(wěn)定河槽寬度穩(wěn)定河槽寬度即河道處于動(dòng)力平衡條件下的河寬。從長(zhǎng)時(shí)期來(lái)看，河流總是不斷地向形成穩(wěn)定河槽寬度的方向調(diào)正。張海燕提出了在以流量Q和輸沙率QS為自變量的沖積河道趨向于調(diào)整和建立其寬度、水深和比降以滿(mǎn)足rQJ最小。按照這一思路，本文采用張紅武輸沙能力公式、曼寧阻力公式等約束條件，計(jì)算了黃河下游游蕩性河段在輸沙平衡條件下，含沙量在30120kg/m3、比降在0.190.20的范圍內(nèi)，不同流量相應(yīng)的穩(wěn)定河寬，計(jì)算結(jié)果如圖3?？梢钥闯?，本河段相應(yīng)于4000m3/s流量的穩(wěn)定河寬為600m左右。圖3各流量與相應(yīng)穩(wěn)定河寬的關(guān)系Relationshipbetweendischargeandcorrespondingstablechannelwidth3.2整治設(shè)計(jì)河寬3.2.1類(lèi)比模范河段法確定設(shè)計(jì)河寬根據(jù)黃河下游實(shí)際情況，胡一三等1選擇花園口、夾河灘兩水文站，點(diǎn)繪了水面寬(B)與流量(Q)的關(guān)系圖，由此求出4000m3/s流量相應(yīng)的水面寬，花園口站為700m1500m，均值為1050m，夾河灘站為650m1270m，均值為900m。我們?cè)谠搱D補(bǔ)充最近幾年的點(diǎn)子，其值均在平均線(xiàn)以下。3.2.2統(tǒng)計(jì)法確定設(shè)計(jì)河寬胡一三1等人采用統(tǒng)計(jì)法確定設(shè)計(jì)河寬，統(tǒng)計(jì)了三門(mén)峽水庫(kù)建成后前天然情況下黃河游蕩性河段大洪水時(shí)的平均主槽寬度，變化于1000m600m之間。我們統(tǒng)計(jì)了1983年至1997年黃河下游游蕩性河段下古街至楊小寨大斷面的主槽寬度，而且統(tǒng)計(jì)了1992、1994年進(jìn)行的“92.8”、“82.8”型及“58”型大洪水物理模型試驗(yàn)測(cè)得的主槽寬度。主槽平均寬度變化于639m914m之間。3.2.3水力學(xué)計(jì)算法確定設(shè)計(jì)河寬設(shè)計(jì)河寬與設(shè)計(jì)流量是密切相關(guān)的，二者的關(guān)系可通過(guò)曼寧流速公式與水流連續(xù)方程聯(lián)合求解。設(shè)計(jì)流量采用4000m3/s；主槽糙率取0.01；分別計(jì)算花園口、夾河灘、高村斷面的設(shè)計(jì)河寬為：976m、945m、775m。朱太順采用花園口、夾河灘及高村斷面實(shí)測(cè)資料，點(diǎn)繪了（BD50）0.5/H與S/S*之間的關(guān)系圖，表明(BD50)0.5/H隨S/S*的增大而增大，由此給出了如下量綱和諧的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式10(BD50)0.5/H=0.078+0.0232S/S*-0.0695(S/S*)2(2)上式與曼寧流速公式和水流連續(xù)方程聯(lián)解，選取花園口至夾河灘河段的設(shè)計(jì)流量Q設(shè)=4000m3/s、比降J=0.00025、糙率n=0.009、床沙中徑D50=0.1mm，求得S/S*=0.21.4條件下的設(shè)計(jì)河寬B=645m1316m。取其平均值，B=980.5m，與上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果也比較接近。3.2.4游蕩性河段整治設(shè)計(jì)河寬的確定根據(jù)以上分析，考慮到小浪底水庫(kù)修建后，下游河道將沖刷下切，花園口至高村河段設(shè)計(jì)河寬可適當(dāng)降低，為了與現(xiàn)行河道整治設(shè)計(jì)河寬1200m相銜接，東壩頭以上可選取1000m，東壩頭至高村可適當(dāng)降低為800m。4關(guān)于黃河下游河道排洪河寬問(wèn)題41小浪底水庫(kù)修建后黃河下游排洪河寬的確定胡一三在“河道整治中的排洪河槽寬度”一文中11就黃河下游河道排洪河寬的定義及確定方法進(jìn)行了詳盡的介紹，認(rèn)為：“按照規(guī)劃進(jìn)行河道整治后，一處河道整治工程的末端，至上彎整治工程末端與下彎整治工程首端連線(xiàn)的距離，稱(chēng)為該處河道整治工程的排洪河寬Bf，如圖4所示。在排洪河寬范圍內(nèi)除在大洪水時(shí)有足夠的宣泄洪水能力外，中小洪水及一般流量時(shí)還應(yīng)有一定的滯沙寬度，以免增加下游窄河段的淤積負(fù)擔(dān)，同時(shí)要防止大洪水時(shí)因Bf過(guò)小，彎道段出現(xiàn)水流反彎現(xiàn)象(指凸凹岸左右易位)，以免打亂以下河段的流路?；诖?，我們統(tǒng)計(jì)了1957年以來(lái)所有大洪水黃河花園口、夾河灘、高村三站水力因子變化，從中可以發(fā)現(xiàn)，主槽平均過(guò)流量分別達(dá)到89.54%、97.96%、82.9%，平均河槽寬度只有971m、1177m、808m，主槽平均單寬過(guò)流量為9.89m2/s、8.94m2/s、10.3m2/s。據(jù)此推算小浪底水庫(kù)運(yùn)用后，黃河下游百年一遇洪水時(shí)花園口流量15000m3/s、夾河灘流量14500m3/s、高村流量12300m3/s，相應(yīng)的排洪河寬分別為1500m、1300m、1200m。圖4排洪河槽寬度示意圖Sketchofchannelwidthforflooddischarging圖5典型年洪水與主槽流速關(guān)系Relationshipbetweenflooddischargeandflowvelocityfortypicalyearsinmainchannel為進(jìn)一步說(shuō)明主槽過(guò)洪的主要特征，點(diǎn)繪主槽過(guò)流量與主槽流速關(guān)系(圖5)12，可看出主槽流速隨其過(guò)流量增加而增大，說(shuō)明黃河下游河道主槽過(guò)流能力尚有潛力。4.2采用潛壩工程結(jié)構(gòu)后河道排洪寬度可減少經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與探索，潛壩在黃河下游河道整治工程中已引起重視，比較適合黃