白 勇，趙蕾蕾，張 波

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，鄭州 450016)

0 引 言

黃河流域地處我國(guó)北方，流域內(nèi)干旱少雨，水資源匱乏。近年來(lái)隨著工、農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，黃河下游水沙矛盾日益突出。目前，黃河下游主河槽過(guò)流能力逐年減小，淤積萎縮嚴(yán)重，“二級(jí)懸河”問(wèn)題突出，下游防洪形勢(shì)更加嚴(yán)峻。黃河下游具有廣闊的河漫灘，而漫灘洪水是塑造黃河下游河道形態(tài)的主要?jiǎng)恿χ弧Ｒ鉀Q黃河下游主槽淤積和“二級(jí)懸河”等問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)更加深刻的認(rèn)識(shí)黃河下游灘槽之間相互依存和制約的關(guān)系及水沙的可調(diào)控性。

洪水是黃河下游泥沙輸送的主要?jiǎng)恿Γ拥佬螒B(tài)在洪水期沖淤變化激烈，尤其漫灘洪水之后，河道形態(tài)往往都會(huì)出現(xiàn)較大變化。在以往的研究中，針對(duì)漫灘洪水做了大量的研究。韓其為[1]認(rèn)為洪水發(fā)生漫灘后，泥沙淤積在灘地上，水流又回到主槽中，這樣加大下游河段主槽的沖刷；陳立[2]認(rèn)為漫灘高含沙水流的灘、槽水沙交換是單向的，即進(jìn)入灘地的泥沙量多余返回主槽的；侯志軍[3]、羅立群[4]、曲少軍[5, 6]認(rèn)為黃河下游漫灘洪水一般具有淤灘刷槽的特性；王明甫[7]認(rèn)為灘地的淤積一定程度上減小了主槽的淤積或加大了主槽的沖刷；張?jiān)h[8]認(rèn)為當(dāng)黃河下游漫灘流量與平灘流量的差值比大于0.5左右時(shí)，淤灘刷槽效果比較好；李遠(yuǎn)發(fā)[9]認(rèn)為對(duì)灘槽而言，無(wú)論是游蕩型河道還是彎曲型河道，淤灘刷槽規(guī)律都是一致的，不同的河型只是淤灘和刷槽的比例不同；曲少軍[5]、張?jiān)h[10]認(rèn)為在水沙調(diào)控過(guò)程中允許洪水在一定范圍內(nèi)漫灘是可行的。以上這些成果大都是對(duì)漫灘洪水灘槽水沙交換規(guī)律的研究，沒(méi)有涉及漫灘洪水的調(diào)控及灘區(qū)分滯洪的可行性研究。

洪水漫灘之后，特別是大漫灘洪水由于其不可控性，往往在灘區(qū)造成非常大的破壞，并且由于下游“二級(jí)懸河”的發(fā)展，導(dǎo)致灘區(qū)橫比降加大，洪水一旦進(jìn)入二灘會(huì)直沖大堤，對(duì)下游防洪安全造成很大隱患。因此研究如何充分利用小浪底水庫(kù)的調(diào)節(jié)能力和現(xiàn)有的河道整治措施，對(duì)黃河下游漫灘洪水進(jìn)行合理的分滯洪，得到適合黃河下游的漫灘洪水分滯洪方式及灘區(qū)運(yùn)用模式。這些對(duì)于黃河下游洪水泥沙調(diào)控、防洪安全、灘區(qū)開發(fā)建設(shè)等方面具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文通過(guò)對(duì)黃河下游典型河段進(jìn)行動(dòng)床模型試驗(yàn)，模擬不同量級(jí)漫灘洪水在不同邊界條件下的沖淤特性，進(jìn)行河道最優(yōu)量級(jí)洪水泥沙調(diào)控技術(shù)研究，得到黃河下游漫灘洪水泥沙過(guò)程控制的可行性方案。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)河段

黃河下游夾河灘至高村河段邊界條件復(fù)雜，該河段灘區(qū)面積較大，并且灘區(qū)高程低，橫比降大可達(dá)(5.15～5.84)×10-4，是灘槽水沙交換的典型河段。因此，選取夾河灘至高村河段作為試驗(yàn)河段。夾河灘至高村河段長(zhǎng)約73 km，平均縱比降1.56×10-4，河道彎曲率1.15。河道右岸有東明灘，左岸有長(zhǎng)垣一灘與長(zhǎng)垣二灘兩個(gè)灘區(qū)，具體位置見(jiàn)圖2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)兩種邊界條件，第一種選取2006年汛前地形為初始地形，為現(xiàn)狀邊界條件(無(wú)控制自然漫灘，圖1)；第二種為規(guī)劃邊界條件(控制漫灘洪水)，選取2006年汛前地形為初始地形，并在原有基礎(chǔ)上對(duì)生產(chǎn)堤從新規(guī)劃布置并加高0.5 m，在灘區(qū)設(shè)置進(jìn)出水口門與導(dǎo)流溝控制漫灘洪水。在規(guī)劃邊界條件下，為了驗(yàn)證典型洪水不同條件下的分滯洪效果，設(shè)計(jì)了三種灘區(qū)的分滯洪模式：方案一，三個(gè)灘區(qū)同時(shí)運(yùn)用；方案二，長(zhǎng)垣一灘、長(zhǎng)垣二灘運(yùn)用；方案三，東明灘和長(zhǎng)垣二灘運(yùn)用。具體布置見(jiàn)圖2。

圖1 現(xiàn)狀邊界條件下模型平面圖Fig.1 The model planar graph of present boundary condition

圖2 規(guī)劃邊界條件下模型平面圖Fig.2 The model planar graph of plan boundary condition

試驗(yàn)水沙條件為“82·8”典型洪水概化的6 000、8 000、10 000、12 000及14 000 m3/s 5個(gè)不同量級(jí)的洪水過(guò)程，見(jiàn)圖3。

圖3 不同量級(jí)的“82·8”型洪水過(guò)程Fig.3 Different flood process of “82·8”

模型主要比尺見(jiàn)表1。

1.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)的水沙條件為2006年調(diào)水調(diào)沙期的水沙過(guò)程概化而來(lái)的，具體水沙過(guò)程見(jiàn)圖4。試驗(yàn)過(guò)程中根據(jù)2006年高村水文站的水位流量關(guān)系控制尾門水位。圖5為試驗(yàn)過(guò)程中的沿程水位圖，從圖中可以看到，各級(jí)洪水的流量水位關(guān)系與原型基本一致。

表1 模型比尺總匯Tab.1 Model scale sylloge

圖4 驗(yàn)證試驗(yàn)夾河灘站水沙過(guò)程原型與模型對(duì)比Fig.4 Flow and sediment process of verification test in jiahetan

圖5 2006年調(diào)水調(diào)沙期間模型沿程水位驗(yàn)證圖(單位：m3/s)Fig.5 Level verification of water and sediment regulation in 2006

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)狀邊界條件

表2為現(xiàn)狀邊界條件下三個(gè)灘區(qū)淹沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)。

從表2中可以看到，灘區(qū)淹沒(méi)總面積隨著洪峰流量的增大基本呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。但是由于現(xiàn)狀邊界條件下，洪水進(jìn)入灘區(qū)具有隨機(jī)性與不可控性，所以，當(dāng)洪峰流量最大時(shí)，淹沒(méi)面積反而有所減小。另外，在試驗(yàn)過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)由于現(xiàn)狀邊界條件下，洪水無(wú)法及時(shí)退出灘區(qū)，造成灘區(qū)淹沒(méi)面積大、淹沒(méi)時(shí)間長(zhǎng)及淹沒(méi)損失大。

表2 現(xiàn)狀邊界條件下各量級(jí)洪水灘區(qū)淹沒(méi)面積Tab.2 The flooded area of present boundary test

2.2 規(guī)劃邊界條件

表3為規(guī)劃邊界條件下各量級(jí)洪水灘區(qū)淹沒(méi)面積統(tǒng)計(jì)，由于對(duì)生產(chǎn)堤進(jìn)行了從新規(guī)劃和加固，在洪水期，控制6 000 m3/s以上的洪水才應(yīng)用灘區(qū)進(jìn)行分滯洪，所以6 000 m3/s的灘區(qū)淹沒(méi)面積為0。從表3中可以看到，灘區(qū)淹沒(méi)總面積隨著洪峰流量的增大而增大。

表3 規(guī)劃邊界條件下各量級(jí)洪水灘區(qū)淹沒(méi)面積Tab.3 The flooded area of plan boundary test

另外對(duì)比表2與表3還可以看到，除不易控制的14 000 m3/s量級(jí)洪水外，其他量級(jí)洪水的淹沒(méi)總面積均較自然邊界條件下有所減小。這主要由于：①在規(guī)劃邊界條件下，進(jìn)灘洪水有固定口門，進(jìn)灘后設(shè)置有引流溝，使得漫灘洪水進(jìn)入二灘以后被引入堤溝河附近的低洼地帶，淤高堤溝河，而不會(huì)在灘區(qū)漫流亂串。②在規(guī)劃邊界條件下在三個(gè)灘區(qū)尾部均設(shè)有出水口門，并且采用了復(fù)式斷面的出口控制，有助于大水期滯留淤積，也有利于洪水后期灘區(qū)水流可以迅速的回歸主槽，避免滯流，因而洪水期間的灘區(qū)淹沒(méi)面積和時(shí)間相對(duì)較短。③長(zhǎng)垣二灘與東明灘在長(zhǎng)垣一灘的下游，這兩個(gè)灘區(qū)的分滯洪運(yùn)用，使得漲峰時(shí)刻主槽流量控制在6 000 m3/s左右，長(zhǎng)垣一灘可以做到不進(jìn)流，避免了淹沒(méi)損失。在洪峰過(guò)后，由于漲峰時(shí)刻主槽的大量沖刷，使得主槽平灘流量增大，長(zhǎng)垣二灘也可以少進(jìn)流。不但整體淹沒(méi)面積可以減小，主槽沖刷效果也可以增大。

比較自然邊界條件下與規(guī)劃邊界條件下的幾次試驗(yàn)結(jié)果可以看到，灘區(qū)淹沒(méi)面積與漫灘洪水的可控性規(guī)劃邊界條件明顯優(yōu)于自然邊界條件。自然漫灘沿灘地散亂流動(dòng)，控制漫灘可使進(jìn)灘水流沿地溝河流動(dòng)并先淤低凹部位，再逐漸沿堤溝河漫流，淤積向前推進(jìn)，從而可以有效減小灘區(qū)橫比降?？傮w比較，規(guī)劃邊界條件優(yōu)于自然邊界條件。

2.3 典型洪水不同分滯洪方案

通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀邊界條件與規(guī)劃邊界條件下將洪峰流量為8 000與10 000 m3/s作為典型洪水，針對(duì)典型洪水不同灘區(qū)分滯洪效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2.3.1 洪峰流量8 000 m3/s不同分滯洪方案研究

在8 000 m3/s下針對(duì)3個(gè)灘區(qū)的不同運(yùn)用，設(shè)計(jì)3種分滯洪方案進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，即方案一、方案二和方案三(方案一為三個(gè)灘區(qū)同時(shí)運(yùn)用；方案二為長(zhǎng)垣一灘、長(zhǎng)垣二灘運(yùn)用；方案三為東明灘和長(zhǎng)垣二灘運(yùn)用)。其沖淤結(jié)果見(jiàn)表4，灘區(qū)淹沒(méi)面積見(jiàn)表5。

表4 8 000 m3/s三種分滯洪方案的沖淤量 億t

注：密度是按1.4 t/m3進(jìn)行計(jì)算的。

表5 三種方案下二灘的淹沒(méi)面積 km2

由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，方案二中由于東明灘沒(méi)有運(yùn)用，淹沒(méi)總面積最小，但方案二中長(zhǎng)垣一灘滯洪效果較差，主槽沖刷量較小，所以排除方案二的最優(yōu)性。在方案一和方案三中，東明灘的進(jìn)灘流量方案三大于方案一，但是由于滯洪時(shí)間較短，其淹沒(méi)面積方案一相差不大，而長(zhǎng)垣二灘在兩方案中的進(jìn)灘水量差別不大，灘區(qū)淹沒(méi)面積相差也不大，但是方案三的總淹沒(méi)面積小于方案一的總淹沒(méi)面積，所以就淹沒(méi)損失而言，方案三與方案一相比，方案三的淹沒(méi)損失相對(duì)較小。另外方案一和方案三中主槽沖刷量方案三優(yōu)于方案一，且嫩灘淤積量方案三最小。綜合考慮方案三最優(yōu)。

2.3.2 洪峰流量10 000 m3/s不同分滯洪方案研究

在10 000 m3/s下針對(duì)三個(gè)灘區(qū)的不同運(yùn)用，設(shè)計(jì)三種分滯洪方案進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，結(jié)合8 000 m3/s不同分滯洪方案試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)垣一灘面積較小，滯洪效果較差，所以10 000 m3/s只設(shè)計(jì)兩種方案，即方案一、方案二(方案一為三個(gè)灘區(qū)同時(shí)運(yùn)用；方案二為東明灘和長(zhǎng)垣二灘運(yùn)用)。其沖淤結(jié)果見(jiàn)表6，灘區(qū)淹沒(méi)面積見(jiàn)表7。

表6 10 000 m3/s兩種分滯洪方案的沖淤量 億t

注：密度是按1.4 t/m3進(jìn)行計(jì)算的。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看到，無(wú)論從主槽沖刷效果還是灘區(qū)淹沒(méi)面積來(lái)看，方案二均優(yōu)于方案一。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)規(guī)劃條件下，控制漫灘有效進(jìn)灘水流減小、灘區(qū)橫比降低，并且不同條件下的分滯洪方案主槽均呈現(xiàn)沖刷，全斷面呈現(xiàn)淤積。

表7 兩種方案下二灘的淹沒(méi)面積 km2

(2)對(duì)于規(guī)劃邊界條件下最大洪峰流量為8 000 m3/s時(shí)主槽沖刷量效果最好，且洪水可控性較好，若黃河下游遭遇大漫灘洪水，小浪底水庫(kù)可控制下泄洪峰流量為8 000 m3/s。夾河灘-高村河段灘區(qū)運(yùn)用方式，可開啟東明灘、長(zhǎng)垣二灘的滯洪沉沙。

(3)在試驗(yàn)過(guò)程中雖然各試驗(yàn)方案主槽均呈現(xiàn)沖刷，但嫩灘淤積量都比較大。嫩灘淤積問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究解決。

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