水利工程論文-黃河下游河床萎縮過程中畸形河灣的形成機理摘要：80年代中期以來，進入黃河下游河道的流量大幅度減小，河道發(fā)生萎縮，并且頻繁斷流，使游蕩河道的一些河段發(fā)育了畸形河灣。游蕩段的畸灣是沖積性河灣受到節(jié)點限制的情況下，由于流量減小導致灣道進行自我調整的過程中出現的一種特殊現象，反映改變了的水流條件與原有人為工程條件不相適應而出現的一種劇烈的河勢調整和河床形態(tài)調整?；麨车陌l(fā)育使彎曲系數增大，河段比降減小，故流速減慢，因而在同流量下水位壅高；畸灣還常常導致橫河、斜河現象的出現，使防洪面臨很大的壓力。對于這種現象進行深入研究并進而找到可行的對策，在治黃上具有十分重要的理論意義和工程意義。關鍵詞：畸形河灣河道萎縮河床調整防洪黃河下游1問題的提出畸形河灣是一種變形的、過渡彎曲的河灣形態(tài)，它常常是在某種局部存在的抗沖性邊界條件的控制下形成的。例如，當河岸沉積剖面中的粘土透鏡體受到沖刷而出露，便會形成這種特殊的節(jié)點，一般稱為“膠泥嘴”。如果這種節(jié)點恰好位于凹岸彎頂受到水流頂沖之處，河灣的自然下移便會受到阻礙。由于此點以上的河灣仍然可以向下移動，整個河灣形態(tài)就會發(fā)生扭曲，導致畸形河灣的形成。黃河下游依次可以分為游蕩段、過渡段和彎曲段。據胡一三等研究，其中的過渡段在1966年開展重點河段河道整治以前，曾經多次形成畸形河彎，并發(fā)生自然裁彎現象。通過對4個畸形河灣發(fā)育過程的研究，他們認為河道邊界中出露的耐沖粘土層(膠泥嘴)在畸形河灣的形成中期起著重要的作用1。然而，在游蕩段尚未見到過畸形河灣形成的報道。80年代中期以來，黃河流域氣候偏旱，加上隨著國民經濟的高速增長，人類用水量激增，使進入下游河道的流量大幅度減小(圖1)。因而河道發(fā)生萎縮，并且頻繁斷流，使河床演變出現了許多前所未有的新問題。小浪底水庫修建后，下游河道維持小流量的問題不會從根本上緩解。因此，除了一般情形下游蕩河道水庫下游河型的變化之外，還會出現很多特殊的河床調整現象。80年代以來在下游游蕩段出現的畸形河灣(即畸灣)現象即是其中之一。小浪底水庫修建以后，隨著河道游蕩性在一定時期內減弱，畸灣現象可能會表現得更為明顯，出現的機率也會增高?；麨呈且环N對黃河下游的防洪極為不利的河床調整現象，只有在認識其形成機理的前提下才能找到防治對策。因此，我們對河床萎縮過程中畸灣形成的機理進行了分析。2畸形河灣發(fā)育的一般圖形畸形河灣是在水沙條件變化之后河床形態(tài)劇烈調整過程中出現的。在這一過程中，如果河灣形態(tài)受到某些特殊邊界條件(例如河岸節(jié)點)的限制，則可能會發(fā)生畸形河灣現象。2.1流量減小有利于游蕩河型向彎曲河型轉化圖119861994年間黃河下游各級流量的年平均歷時隨時間的變化(圖中數字為流量m3/s)TemporalvariationindurationofdifferentdischargeintheLowerYellowRiverin19861994.Thefiguresbesidesthecurvesdenotethedischargeinm3/s圖2區(qū)分河型的比降-流量關系Relationshipbetweenslopeandbankfulldischarge(afterLeopoldandWolman2andChienandZhou3)黃河下游花園口至高村河段具有典型的游蕩河型，但局部河段受人工節(jié)點如堤防險工和灘地控導工程的影響，游蕩性較弱。80年代中期以來黃河下游水量大幅度減少，中水、小水流量的歷時大大增加，大流量出現的頻率減小(圖1)，使游蕩段中原來受節(jié)點控制而較為穩(wěn)定的河段有向彎曲河型轉化的趨勢。這一結論可以由著名Leopod-Wolman關系2(圖2)導出。該圖表明，在比降一定而流量減小時，原來位于游蕩河型區(qū)但卻接近游蕩-彎曲臨界直線的點子，可能向左方平行移動而進入彎曲河型區(qū)。這是由于比降的調整需要相當長一段時間中，可以認為比降保持為下移動，仍位于彎曲河型區(qū)內。研究表明，黃河下游游蕩段的不少河段，近年來都有向單一彎曲型轉化的趨勢，其原因就在于此。2.2河灣的尺度與流量的關系前人的研究表明，彎曲河流的河灣尺度與流量之間存著某種函數關系3，4Lm=50Qb0.5(1)Lm=12B(2)R=3B(3)這里Lm為河灣跨度，R為河灣半徑，B為河寬，Qb為平灘流量。Lm和R的定義見圖3。由式(1)、(2)、(3)可得R=12.5Qb0.5(4)前人研究還表明，曲流帶的寬度Bm也與平灘流量Qb成正相關5圖3彎道形態(tài)指標的定義DefinitionofindicesdescribingariverbendBm=0.38Qb0.41(5)這里曲流帶的寬度為彎道擺動的幅度，即彎道擺動涉及的范圍。以兩條平滑的曲線分別連接左右兩岸彎道的頂點，這兩條曲線之間的平均距離即為曲流帶的寬度，它表示在一定的流量條件下曲流自由發(fā)育所必需的回旋空間的大小。2.3流量減小后河灣尺度的調整與畸灣的形成由上述各式可以看到，表征曲流尺度的指標（跨度、河灣半徑、曲流帶寬度）均與流量的0.40.5次方成正比。顯然，在黃河流量減小的過程中，彎道的幾何尺度會進行自我調整，以適應新的水流條件。這種調整表現為減小跨度、河灣半徑和曲流帶寬度的內在要求。在不受邊界條件限制的情況下，曲流的發(fā)育表現出向下游蠕移的特征。由于凹岸的最大沖刷點位于彎頂稍下處，故隨著凹岸的沖刷、凸岸的淤長，整個彎道將向下游方向緩慢移動。如果由于某種邊界節(jié)點的限制，在某一點上不能移動，而該點以上的河灣部分仍可下移，則可使河灣向畸形發(fā)展。80年代以來，隨著河道整治工程特別是護灘控導工程的進行，黃河游蕩段出現的河灣大部分為限制性河灣，即兩岸的彎頂都受到河岸險工或灘地控導工程的控制。在這種情況下，河灣不會下移，在總體上河道的位置比較穩(wěn)定。然而，隨著流量的減小，曲流帶的寬度將減小，其他形態(tài)指標如跨度、彎道半徑等也將減小。這祥，就可能出現某一岸上原來受到水流頂沖的險工脫離水流的現象。按照彎道的天然發(fā)育規(guī)律，在這一點上彎頂失去控制后將向下游移動，而下一個彎頂則可能仍會受到節(jié)點的控制而保持固定位置。這時就會使彎道形態(tài)變形，出現彎道倒轉。若失控的彎頂繼續(xù)下移，當它移動到下游方的彎頂以下時，則畸形河灣便會出現，并最終導致自然裁彎的發(fā)生。裁彎以后，起控制作用的節(jié)點被甩掉，原有的工程失去對河勢的控制作用。此后新的彎道形態(tài)還會進一步發(fā)育，在適當的條件下仍可能出現新的畸形河灣，從而開始畸灣的下一個發(fā)育周期。下面我們將以一個具體河段的演變來說明畸灣的發(fā)生、發(fā)展和消亡的全過程。3柳園口古城間畸灣的演變過程柳園口險工至府君寺工程之間，由于柳園口險工、大宮工程、古城工程和府君寺工程的控導作用，發(fā)育了一個大尺度的、相對較為穩(wěn)定的河灣。然而，由于1986年以后黃河下游連續(xù)枯水，造床流量（平灘流量）減小，河寬變窄，由此引發(fā)河灣形態(tài)的劇烈調整。我們依據19891997年間這一河段的河勢圖，研究了畸灣的演變過程。為了便于比較，取歷年汛后的河勢圖作為代表，在需要的時候，也列出了汛前的河勢圖（圖4）。1989年汛后，在原來規(guī)順的柳園口大宮古城之間的弧形河灣上，出現了一個向南凹進的次生小河灣（圖4A，1989），這顯然反映了水流力圖塑造尺度更小的河灣形態(tài)的內在要求，使上述弧形彎道變成一個包含兩個相反彎道即具有一個完整曲流波長的彎道。由于彎頂在古城工程處受到限制，位置固定，不能下移，而新形成的向南凹進的彎道（以下稱南岸彎道）則因彎頂處不受控制而有下移的趨勢，因而使河灣向畸形發(fā)展。1990、1991年汛后，此彎頂有明顯的下移（見圖4A，1990；圖4B，1991）。1992年大水，使河床展寬（見圖4C、圖4C，1992），干擾了這一進程，但因大水歷時短，并未改變河床演變的總體趨勢，1993年汛后，南岸彎道彎頂已下移到北岸古城彎頂以下，使北岸彎頂倒向上游，由此形成了畸形河灣（見圖4D，1993）。從1994年到1995年，這一畸形河灣進一步發(fā)展，彎曲系數也不斷增大（圖E，1994；圖F，1995）。1996年大水，發(fā)生了裁彎取直（圖4G，1996）。裁彎的結果使古城工程脫流，形成了不受原有險工和控導工程控制的新的彎道，形態(tài)寬緩（圖4H，1997）。至此完成了畸灣的發(fā)育周期。值得注意的是，類似的演變過程在柳園口大宮間也發(fā)生過。由于受到柳園口和大宮兩個工程的控制，在1993年以前這一河段的河勢在總體上變化不大。但隨著河道萎縮的進一步發(fā)展，曲流帶寬度有縮小的趨勢，導致1993年柳園口險工脫流（見圖4D，1993），原位于該處的彎頂迅速下移，并向北收縮，至次年此彎頂己接近超越位于大宮工程處的下游方彎頂，畸形河灣于是形成（見圖4E，1994）。至1995年汛后，大宮工程處的彎頂脫流，于是整個河灣快速下移（見圖4F，1995）。這一因素加劇了下游方的另一個畸灣系列（前己述及）向進一步畸形化發(fā)展（見圖G，1996年汛前）。在1996年大水中，兩個畸灣系列都發(fā)生了裁彎取直（見圖4G，1996）。此后，柳園口以下，上述兩個畸灣系列都消失了，完成了畸灣發(fā)育的生命周期。很顯然，在適當的水沙條件和河勢條件下，畸灣還可能再度發(fā)生、發(fā)展和消亡。應該指出，由于河岸節(jié)點的限制，在畸形河灣發(fā)育的過程中，隨著河道長度的不斷增加，曲流帶寬度發(fā)生擴張，如19951996年間的情況即是如此。這時曲流帶的寬度己超過了在不受限制的情況下由流量所規(guī)定的寬度。4畸灣對防洪的影響畸灣現象是黃河下游河床演變的一種新現象，它使原有工程脫流，河勢失去控制。例如，柳園口府君寺河段畸灣的發(fā)育過程中，原來對河勢有很好控制作用的柳園口、大宮、辛店、古城等險工和控導工程先后脫流，使多年來耗費巨資建立起來的防洪工程失效，河道重新處于不受控制的狀態(tài)，損失是很大的。圖419891997年間柳園口至府君寺河段河勢圖SketehmapsshowingthechangesofmaincurrentsintheLiuyuankou-Fujunsireachin19891997畸灣的發(fā)育使彎曲系數增大，河段比降減小。我們從1:10000的河道圖上量算出了柳園口至府君寺河段歷年的彎曲系數，同時還根據柳園口和古城兩個固定斷面歷年的測量資料，計算出了斷面上主槽的平均高程，再根據從圖上所量出的這兩個斷面間的河道長度，計算出了河道比降，所獲得的結果已點繪在圖中。從圖中可以清楚地看到，從1990年汛后到1996年汛前，彎曲系數持續(xù)增加，由1.10左右增大到1.93，而河床比降則由0.00016左右減小到0.0000981。1996年汛期中發(fā)生的自然裁彎，才使得彎曲系數突然大幅度減小，而比降則大幅度增大，恢復到畸灣發(fā)育以前的狀況。彎曲系數的增大增加了形狀阻力，加以比降減緩，故流速減慢，因而在同流量下水位壅高，有利