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(jī)理摘要：80年代中期以來，進(jìn)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(diǎn)限制的情況下，由于流量減小導(dǎo)致灣道進(jìn)行自我調(diào)整的過程中出現(xiàn)的一種特殊現(xiàn)象，反映改變了的水流條件與原有人為工程條件不相適應(yīng)而出現(xiàn)的一種劇烈的河勢(shì)調(diào)整和河床形態(tài)調(diào)整?；麨车陌l(fā)育使彎曲系數(shù)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(dǎo)致橫河、斜河現(xiàn)象的出現(xiàn)，使防洪面臨很大的壓力。對(duì)于這種現(xiàn)象進(jìn)行深入研究并進(jìn)而找到可行的對(duì)策，在治黃上具有十分重要的理論意義和工程意義。關(guān)鍵詞：畸形河灣河道萎縮河床調(diào)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(dāng)河岸沉積剖面中的粘土透鏡體受到?jīng)_刷而出露，便會(huì)形成這種特殊的節(jié)點(diǎn)，一般稱為“膠泥嘴”。如果這種節(jié)點(diǎn)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(huì)受到阻礙。由于此點(diǎn)以上的河灣仍然可以向下移動(dòng)，整個(gè)河灣形態(tài)就會(huì)發(fā)生扭曲，導(dǎo)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(jù)胡一三等研究，其中的過渡段在1966年開展重點(diǎn)河段河道整治以前，曾經(jīng)多次形成畸形河彎，并發(fā)生自然裁彎現(xiàn)象。通過對(duì)4個(gè)畸形河灣發(fā)育過程的研究，他們認(rèn)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(bào)道。80年代中期以來，黃河流域氣候偏旱，加上隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，人類用水量激增，使進(jìn)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(xiàn)了許多前所未有的新問題。小浪底水庫(kù)修建后，下游河道維持小流量的問題不會(huì)從根本上緩解。因此，除了一般情形下游蕩河道水庫(kù)下游河型的變化之外，還會(huì)出現(xiàn)很多特殊的河床調(diào)整現(xiàn)象。80年代以來在下游游蕩段出現(xiàn)的畸形河灣(即畸灣)現(xiàn)象即是其中之一。小浪底水庫(kù)修建以后，隨著河道游蕩性在一定時(shí)期內(nèi)減弱，畸灣現(xiàn)象可能會(huì)表現(xiàn)得更為明顯，出現(xiàn)的機(jī)率也會(huì)增高?；麨呈且环N對(duì)黃河下游的防洪極為不利的河床調(diào)整現(xiàn)象，只有在認(rèn)識(shí)其形成機(jī)理的前提下才能找到防治對(duì)策。因此，我們對(duì)河床萎縮過程中畸灣形成的機(jī)理進(jìn)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(diào)整過程中出現(xiàn)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(diǎn))的限制，則可能會(huì)發(fā)生畸形河灣現(xiàn)象。2.1流量減小有利于游蕩河型向彎曲河型轉(zhuǎn)化圖119861994年間黃河下游各級(jí)流量的年平均歷時(shí)隨時(shí)間的變化(圖中數(shù)字為流量m3/s)TemporalvariationindurationofdifferentdischargeintheLowerYellowRiverin19861994.Thefiguresbesidesthecurvesdenotethedischargeinm3/s圖2區(qū)分河型的比降-流量關(guān)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(diǎn)如堤防險(xiǎn)工和灘地控導(dǎo)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(shí)大大增加，大流量出現(xiàn)的頻率減小(圖1)，使游蕩段中原來受節(jié)點(diǎn)控制而較為穩(wěn)定的河段有向彎曲河型轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。這一結(jié)論可以由著名Leopod-Wolman關(guān)系2(圖2)導(dǎo)出。該圖表明，在比降一定而流量減小時(shí)，原來位于游蕩河型區(qū)但卻接近游蕩-彎曲臨界直線的點(diǎn)子，可能向左方平行移動(dòng)而進(jìn)入彎曲河型區(qū)。這是由于比降的調(diào)整需要相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間中，可以認(rèn)為比降保持為下移動(dòng)，仍位于彎曲河型區(qū)內(nèi)。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(zhuǎn)化的趨勢(shì)，其原因就在于此。2.2河灣的尺度與流量的關(guān)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(shù)關(guān)系3，4Lm=50Qb0.5(1)Lm=12B(2)R=3B(3)這里L(fēng)m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(guān)5圖3彎道形態(tài)指標(biāo)的定義DefinitionofindicesdescribingariverbendBm=0.38Qb0.41(5)這里曲流帶的寬度為彎道擺動(dòng)的幅度，即彎道擺動(dòng)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(diǎn)，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(diào)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(biāo)（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(huì)進(jìn)行自我調(diào)整，以適應(yīng)新的水流條件。這種調(diào)整表現(xiàn)為減小跨度、河灣半徑和曲流帶寬度的內(nèi)在要求。在不受邊界條件限制的情況下，曲流的發(fā)育表現(xiàn)出向下游蠕移的特征。由于凹岸的最大沖刷點(diǎn)位于彎頂稍下處，故隨著凹岸的沖刷、凸岸的淤長(zhǎng)，整個(gè)彎道將向下游方向緩慢移動(dòng)。如果由于某種邊界節(jié)點(diǎn)的限制，在某一點(diǎn)上不能移動(dòng)，而該點(diǎn)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(hù)灘控導(dǎo)工程的進(jìn)行，黃河游蕩段出現(xiàn)的河灣大部分為限制性河灣，即兩岸的彎頂都受到河岸險(xiǎn)工或?yàn)┑乜貙?dǎo)工程的控制。在這種情況下，河灣不會(huì)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(biāo)如跨度、彎道半徑等也將減小。這祥，就可能出現(xiàn)某一岸上原來受到水流頂沖的險(xiǎn)工脫離水流的現(xiàn)象。按照彎道的天然發(fā)育規(guī)律，在這一點(diǎn)上彎頂失去控制后將向下游移動(dòng)，而下一個(gè)彎頂則可能仍會(huì)受到節(jié)點(diǎn)的控制而保持固定位置。這時(shí)就會(huì)使彎道形態(tài)變形，出現(xiàn)彎道倒轉(zhuǎn)。若失控的彎頂繼續(xù)下移，當(dāng)它移動(dòng)到下游方的彎頂以下時(shí)，則畸形河灣便會(huì)出現(xiàn)，并最終導(dǎo)致自然裁彎的發(fā)生。裁彎以后，起控制作用的節(jié)點(diǎn)被甩掉，原有的工程失去對(duì)河勢(shì)的控制作用。此后新的彎道形態(tài)還會(huì)進(jìn)一步發(fā)育，在適當(dāng)?shù)臈l件下仍可能出現(xiàn)新的畸形河灣，從而開始畸灣的下一個(gè)發(fā)育周期。下面我們將以一個(gè)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(xiǎn)工至府君寺工程之間，由于柳園口險(xiǎn)工、大宮工程、古城工程和府君寺工程的控導(dǎo)作用，發(fā)育了一個(gè)大尺度的、相對(duì)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(diào)整。我們依據(jù)19891997年間這一河段的河勢(shì)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(shì)圖作為代表，在需要的時(shí)候，也列出了汛前的河勢(shì)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(xiàn)了一個(gè)向南凹進(jìn)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(nèi)在要求，使上述弧形彎道變成一個(gè)包含兩個(gè)相反彎道即具有一個(gè)完整曲流波長(zhǎng)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(jìn)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(shì)，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(jìn)程，但因大水歷時(shí)短，并未改變河床演變的總體趨勢(shì)，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?shù)瓜蛏嫌?，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(jìn)一步發(fā)展，彎曲系數(shù)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(jié)果使古城工程脫流，形成了不受原有險(xiǎn)工和控導(dǎo)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(gè)工程的控制，在1993年以前這一河段的河勢(shì)在總體上變化不大。但隨著河道萎縮的進(jìn)一步發(fā)展，曲流帶寬度有縮小的趨勢(shì)，導(dǎo)致1993年柳園口險(xiǎn)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(gè)河灣快速下移（見圖4F，1995）。這一因素加劇了下游方的另一個(gè)畸灣系列（前己述及）向進(jìn)一步畸形化發(fā)展（見圖G，1996年汛前）。在1996年大水中，兩個(gè)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(gè)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(dāng)?shù)乃硹l件和河勢(shì)條件下，畸灣還可能再度發(fā)生、發(fā)展和消亡。應(yīng)該指出，由于河岸節(jié)點(diǎn)的限制，在畸形河灣發(fā)育的過程中，隨著河道長(zhǎng)度的不斷增加，曲流帶寬度發(fā)生擴(kuò)張，如19951996年間的情況即是如此。這時(shí)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(duì)防洪的影響畸灣現(xiàn)象是黃河下游河床演變的一種新現(xiàn)象，它使原有工程脫流，河勢(shì)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(duì)河勢(shì)有很好控制作用的柳園口、大宮、辛店、古城等險(xiǎn)工和控導(dǎo)工程先后脫流，使多年來耗費(fèi)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(shì)圖SketehmapsshowingthechangesofmaincurrentsintheLiuyuankou-Fujunsireachin19891997畸灣的發(fā)育使彎曲系數(shù)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(shù)，同時(shí)還根據(jù)柳園口和古城兩個(gè)固定斷面歷年的測(cè)量資料，計(jì)算出了斷面上主槽的平均高程，再根據(jù)從圖上所量出的這兩個(gè)斷面間的河道長(zhǎng)度，計(jì)算出了河道比降，所獲得的結(jié)果已點(diǎn)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(shù)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(shù)突然大幅度減小，而比降則大幅度增大，恢復(fù)到畸灣發(fā)育以前的狀況。彎曲系數(shù)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