黄河口演变对河道反馈影响研究现状分析

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中国农村水利水电?2007年第4期5

文章编号:1007—2284(2007)04—0005—04

黄河口演变对河道反tmld98

研究坝状分析

赵连军1,江恩惠1,吴香菊2,李涛1

(1.黄河水利科学研究院,郑州450003;2.郑州黄河河务局,郑州450003)

摘要:目前在黄河口改道、淤积延伸对其上游河道反馈影响问题的认识上,各家研究成果不仅定量相差很大,在定性上也有较大分歧。作者分析认为,黄河下游河道演变与河口演变影响因素繁多,河床(包括河口)冲淤变形十分剧烈,各因素之间的相互作用极为复杂,采用传统的资料分析手段,不能对此复杂情况进行充分和全面的分析,是造成上述研究结论分歧的根源。因此,未来必须借助河工模型试验或数学模型计算等手段开展研究,才可能彻底揭示黄河口演变对河道反馈影响规律。

关键词:黄河口演变;河道演变;反馈影响

中图分类号:TV856文献标识码:A

AnalysisofResearchAdvancesinFeedbackInfluence

ofEstuaryEvolutionontheRiverChanneloftheYellowRiver

ZHAOLian-junl,JtANGEn。huil,WUXiang-ju2,LITa01

(1.InstituteofhydraulicandscienceresearchofYellowRiver,Zhengzhou450003,China;

2.YellowRiverZhengzhouBureau,Zhengzhou450003,China)

Abstract:Atpresent,manyresearchersdisagreewitheachotherontheproblemoffeedbackinfluenceontheupstreamriverduetothesedimentationextensionandchangesofthecourseintheestuaryofYellowRiverbecausetheirresearchconclusionsdifferentiatenotonlyquantitatively,butalsoqualitatively.Throughanalyzingtheexistingresults,theauthorthinksthattherearemanyfactorsthatinfluencetheriverwayandestuaryevolution,theerosionanddepositionofriverbedinthelowerreachoftheriverincludingestuary,andtheirinteractionisextremelycomplicated.Thus,itisdifficulttOanalyzethecomplexproblemsfullyandroundlywiththetradi—tionalmethodofdataanalysis,whichisthemainreasonofthosebifurcations.Therefore,onlyifthestudymakesuseofthemethodsofphysicalmodelandmathematicalmodelcalculationofmultiplecombinationschemes,thelawoffeedbackinfluenceonthelowerYellowRiverduetotheestuarycanbediscovereddrastically.

Keywords:theYellowRiverestuaryevolution;riverehannelevolution;feedbackinfluence

0引言

黄河水沙主要来源于中、上游地区,但灾害多发生在下游。进入下游的水少沙多,水沙搭配不合理,使河道淤积严重。河口的不断延伸,抬高了黄河下游河道侵蚀基准面,更加剧了河道的抬升速度,给黄河下游防洪带来了巨大压力。

薪中国成立以来,黄河口先后发生了1953年神仙沟、1964

收稿日期:2007—01—10

基金项目:黄河水利委员会黄河联合研究基金项目(50339020)资助。

作者简介:赵连军(1973一),男,高级工程师。年刁口河、1976年清水沟三次大的人工改道,河长在一段时间内缩短,下游的局部河段淤积速度相对减慢,这一段的防洪压力临时得到缓解。但因上游来沙量大,河口延伸速度快,河口改道所带来的优势很快被河口延伸所削弱,仍不能改变河床持续抬升的局面。

从大禹治水起,前人先后对黄河进行了大量研究,出现了如贾让、王景、潘季驯、靳辅等一大批治河家,当时从防洪、漕运等不同角度出发,提出了很多具有历史价值的主张与观点,成为治黄事业发展的奠基石。系统地研究黄河河口演变规律始于新中国成立之后。特别是伴随着三门峡水库、小浪底水库运用方式研究与黄河三角洲地区的开发,国家投入了大量的人力物力

 

6黄河口演变对河道反馈影响研究现状分析赵连军江恩惠吴香菊等

开展专题研究,并获得了多项科研成果,使人们在黄河下游冲淤演变基本规律、近期黄河口三次人工改道后的河口演变规律等基本问题的认识上,达成很多共识,并在黄河治理规划与水资源合理开发利用中发挥了重要作用。但现有成果提出的定量数据差别很大,给治黄生产应用时的科学决策带来了困难。

黄河下游河道演变与河口演变相互影响范围有多大,是一直困扰广大治黄工作者的难题,又是科学制定黄河下游河道治理与河口治理规划的关键问题之一,也是确定黄河中游水库规划建设与调度原则的重要参数之一。为此,本文对现状研究结论系统总结的基础上,提出了研究成果差异较大的原因,并提出了未来研究黄河El演变对河道反馈影响的新思路。

1黄河口演变对河道反馈影响规律研究现状黄河口为典型的弱潮陆相河口。由于进入河口沙量很大,虽受海洋动力的作用,有部分泥沙输送到较远海区,远离河口口门的三角洲也会受到海水的侵蚀,但这部分沙量相对于进入河口沙量而言,占的比例较小。河口的演变从长时段看主要表现为流路的淤积延伸与改道,两者交替发展形成了目前的三角洲。

河口的淤积延伸、改道都可以理解为变更河流侵蚀基面的高程,从而引起河流纵剖面的调整,以及水流挟沙能力与来沙量对比关系的改变,产生自河口向上发展的溯源堆积和溯源冲刷。河口改道与延伸会对黄河下游河道冲淤产生影响,但目前对其影响程度、范围及形式尚存在不同认识[1]。

王恺忱[2’3]认为黄河河口淤积延伸是下游河道长期不能平衡的直接原因。来沙量过大是下游淤积的根本原因,但它是通过绝大部分下排到河口,使河口淤积延伸、基准面相对升高来产生影响的,因此,黄河河口的延伸是黄河下游淤积的直接原因。同时从长时段上看,黄河下游淤积的幅度受制于河口侵蚀基准面的升高。王恺忱还通过水槽试验研究发现,在水沙和边界条件不变的情况下,三角洲前沿不断淤积、延伸,河道为了维持输沙平衡,其纵剖面调整近于平行升高。王恺忱[3]分析认为,对黄河下游来说,短时段的来水来沙变化大,但从长时段来看一般变化不大,据实测资料分析,1950~1975年高村以下同流量水位升高在2.07~2.38m之间,近于平行升高,与同时期河口延伸约32km引起的升高值2.10m相近;1950~1990年黄河下游各站同流量水位升高2.O~2.5m,也比较接近河口延伸引起的升高值。依据冲淤性质的判别条件,河道沿程淤积为主时,其纵剖面调整变陡;受河口侵蚀基准面升高产生下厚、上薄的溯源淤积,其纵比降相应变缓。从黄河有资料以来比降变化过程看,各河段的比降无变陡趋势,相反,1950年以后花园口至利津比降有变缓趋势,表明黄河下游淤积宏观上看属于溯源淤积性质。侯国本等Hj的观点与王恺忱的观点比较类似,张仁等[5]通过分析废黄河与现黄河的淤积形态和演变的阶段性,指出了河口延伸已成为河道持续堆积的主要原因。

尹学良等[6’7]通过分析黄河口短期大型变迁对其上游河道的影响,提出了溯源冲刷、溯源淤积的距离与下端冲刷、淤积厚度的关系,认为1953年黄河口大型并汊改造引起的溯源冲刷影响到杨房以下,距离之远是河口历史上仅有的,黄河口的其他几次改道,尽管河长缩短很大,如1964年和1976年改道等,都没能造成冲刷和溯源冲刷,或者冲刷很微弱。1964年改道后的刁口河,在其整个行水历程中(12年),河口淤积延伸的影响都未能超过罗家屋子,距离不足60km。尹学良根据现有资料分析,指出黄河下游河道纵剖面没有出现平行淤高的现象或趋势,各时段的冲淤受短期、局部因素的影响很大;数10年来,河道淤高以夹河滩至孙口间为最大,近河口最小,上端花园口一带也较小,可能与三门峡枢纽运用有关;早期的冲淤分布还与1938年花园口扒堤改道有关系;另外,根据输沙因素沿程变化情况也可以得到,黄河下游还没有淤积沿程均衡分布的条件,因此,没有资料说明黄河下游的淤积抬高主要是由河口淤积延伸造成,更不会随河口淤积而平行淤积;现有诸种对黄河纵剖面形态的论断,有从输沙平衡方程出发,加以一些特殊假定的,有从纵剖面与泥沙因素关系出发,并做一些简化的,有与废黄河等对比的,有从地貌地物发展推断的,还有从堤防决口部位的变化推论的,均未能发现所谓纵剖面平行抬高的可靠证据。

文献[8]与文献Eg]认为,1953年人工裁弯改道,1955年溯源冲刷影响到洛口,长达200多km,1955~1961年溯源淤积影响到刘家园,1961年汛前至汛后溯源冲刷影响到一号坝,1961~1964年溯源淤积影响到一号坝;1964年人工破堤改走刁口河,1964~1967年溯源淤积影响到刘家园,1967~1968年溯源冲刷影响到杨房;1976年5月截流改道清水沟,汛后即发生明显的溯源冲刷,上溯至刘家园附近,而后发生溯源淤积,至1979年影响到刘家园,1979~1984年又发生溯源冲刷,影响到刘家园;李泽刚[10]认为,1953年改道神仙沟,1954年溯源冲刷影响到张肖堂至杨房间,1964年改道刁口河,当年水量973亿m3,为历史记载最大值,溯源冲刷到6断面,1976年改道清水沟,当年水沙条件比较有利,溯源冲刷到杨房附近,如果按河床溯源冲淤范围分析,溯源冲刷仅到道旭附近;曹文洪[11]分析发现,1953年改道溯源冲刷范围至清河镇附近,1964年改道很难发现溯源冲刷的迹象,1976年改走清水沟流路溯源冲刷影响到刘家园附近。上述研究成果与尹学良研究结果虽然在定量上有很大差别,但在定性上都说明了河口延伸与改道对上游河道的影响距离是有限的。

叶青超[12]通过分析进入下游河道的来水来沙条件、河El侵蚀基准面条件及河床边界条件对纵剖面的影响后认为,从1953年改走神仙沟起至1976年改走刁口河流路结束,黄河河口平均延伸速度为1.1km/a,共延伸25km左右;由该时段利津站(含以下河段)水位相应以0.11m/a的平均速度抬高,共抬升约2.5m,两者完全相应。清水沟流路期间的河长变化与利津站水位变化也是相应的,充分表明利津站水位抬高与其到河口段河长的延伸密切相关,后者起到前者侵蚀基准面相应抬高的作用;河道长度缩短,河口段将产生溯源冲刷,冲刷范围不断向上游发展,但河床变形需一定时间才能相适应;河口长度延伸将产生溯源淤积,其上延也需一定时间;在来水来沙条件和河口侵蚀基准面变化弓I起河道冲淤变化的同时,河床周界条件也发生变化,淤积时河床组成会细化,变宽浅;冲刷时河床会粗化,变窄深,因此,在统计不同时段间各站的升降值,会有不同的结果。但在历史长河中某段时期内,总有与来水来沙条件和河口长度相适应的均值,这种均值就是一般所说的平衡倾向

 

黄河口演变对河道反馈影响研究现状分析赵连军江恩惠吴香菊等7

性;来水来沙条件和河口长度伸缩对河床冲淤的作用有时是一致的,有时是不一致的,它们对河床冲淤作用传递的方向不一致,来水来沙条件所产生的变化是自上而下的,河口长度伸缩所产生的变形是自下而上的,这种平衡倾向性对黄河下游来说不可能都是相同的;河口稳定延伸使河道纵剖面淤积抬高,从长时段看,是一种指数型淤积升高,要控制下游河道淤积抬高的速度,在控制来水来沙条件时,也必须控制河口稳定延伸的速度。

由此可见,黄河口改道、淤积延伸对上游河道反馈影响问题,目前各家认识不仅在定量上相差很大,在定性上也有较大分歧。

2研究成果差异较大原因分析

各家分析问题的角度不同,固然是引起分歧的一个原因,但黄河下游河道演变与河口演变影响因素繁多,各因素之间的相互作用极为复杂,各家受研究手段的限制,对此复杂情况分析不充分或不全面,是造成上述研究结论分歧的根源。黄河下游河道演变与河El演变受上游来水来沙条件的影响非常大,河床冲淤变形十分剧烈。例如,距离河口较远的洛口,在三门峡下泄清水期的1963年,3000m3/s的水位在5月28日到6月6日的9d内,由27.46m下降至27.29m,下降了0.17m,日均冲刷下降0.019m;到8月22Et,下降到27.18ITI,到10月30日下降到26.90m,这样在5个月内下降了0.56m,月均下降0.11m。再如,在三门峡水库滞洪排沙运用的1970年,汛末的lo月3日,洛口站3000m3/s水位为28.09ml到1971年的汛期的7月3日,升高至28.68m,在9个月内抬升了0.59m,月均抬升0.065m。不仅洛I;3站存在这一现象,在其他各站同一流量水位在短时间内大幅度变化的情况也时常发生。在河口没有大幅度改变时,利津及近河口段的水位变化规律及幅度与洛口比较接近。因此各家在分析河El演变对河道反馈影响时,所采用的资料并非相同时刻,引起差别也就难免了,从而导致在影响范围的定量描述上产生很大差别。同时,由于河道自然冲淤变幅很大,而河口溯源冲刷与溯源淤积是自下而上发展的,越往上游发展影响越小。有时在河口改道后的前几年,如改走刁口河初期的1964年、1966年、1967年、1968年,和清水沟改道初期的1976年、1977年、1978年,上游来沙量很大,泥沙在口门落淤,一方面使河12I延伸导致溯源冲刷的能力很快降低,另一方面,由于水流挟沙处于超饱和状态,即使改道河长缩短,侵蚀基准面降低明显,在改道点上游水流所具有的再冲刷河道的能力也不会很大,因此,从天然实测水位及河床变形资料上看,有时效果会很不明显,各家分析结果差异很大也就不足为奇了。

上游来水来沙对河道冲淤演变是自上而下的影响,河道表现出的冲淤调整与水沙运行过程几乎是同步的,很明显;黄河口淤积延伸、改道会导致相对侵蚀基准面的变化,产生自河口向上发展的溯源堆积和溯源冲刷,对河道冲淤演变产生的是自下而上的影响,还需要通过上游来水来沙的共同作用才能体现出来,对黄河下游而言,影响程度也比前者小,但影响历时并非与水沙运行过程同步,一般影响历时较长。

河口改道后,改道点以上河道将产生溯源冲刷,发展过程自下而上,强度下大上小。受泥沙自身物理化学特性与沉积历时的影响,淤后泥沙冲刷输移比自然悬浮状态下输移所需的水流强度大。即使相邻两次改道初期有同样的河长,由于河口延伸引起的溯源淤积泥沙也很难在新的河道边界下被水流冲刷输送人海。如1964年的刁LI河改道与1976年的清水沟改道相比,改道初期利津以下河长分别为78km、74km,后者还比前者短了4km。刁口河行河期间,利津~渔洼河段淤积了0.465亿m3,而1976年清水沟改道后,又遇1981~1985年的丰水少沙系列,改道点以上河道发生了明显的溯源冲刷。但至1985年汛后,利津~渔洼河段仅冲刷了0.333亿m3,仍有28%的泥沙保留在原河道内。

河口淤积延伸对河道溯源淤积影响是一个缓慢的累积过程,而黄河下游河道来水来沙及泥沙组成年际变化非常大,河道调整剧烈,冲淤变幅很大,且河道边界条件随着人们对河道治理力度的加大不断改变,河道冲淤演变是多种因素交织在一起的共同体现,其中河口演变的影响占总影响的权重并不很大,因此,单从水位升高或河床抬升等实测资料变化值与河口演变建立关系,很可能得不出明显的结论。

河口改道,河长缩短,下游侵蚀基准面相对降低,减少下游河道淤积,及河El延伸、河道加长、下游侵蚀基准面相对抬升,增加下游河道淤积,这些规律在客观上是一定存在的。河口改道、淤积延伸所引起的黄河下游河道的减淤、增淤量及其沿程分布情况是正确评价一次河I:1改道工程实施效果的重要指标之一,也是广大治黄工作者广泛关注与治黄生产急需回答的问题。以往研究成果多以实测资料分析为基础,很难得出河口改道与延伸对河道减淤与增淤的定量描述。

3影响规律研究新思路探讨

要想全面搞清黄河El演变对河道反馈影响规律,必须在理论分析的基础上,找出影响黄河下游河道演变与河LI演变的多个独立的主要影响影响因素,而后针对每个因素变化对河道演变与河口演变的作用规律逐个研究,层层击破。传统的资料分析手段很难理清各个因素的作用,也就不可能彻底揭示黄河El演变对河道反馈影响规律。因此,必须借助河工模型试验或数学模型计算等手段开展研究。

特别是河流泥沙数学模型,近几十年来随着计算机与数值模拟方法的不断进步,发展非常迅速,模拟计算精度也有了很大提高,许多模拟计算成果已在治黄生产实践中得到了广泛应用,取得了重大经济效益与社会效益。采用水沙数学模型计算的方法来研究天然河流多因素作用下的演变与相互作用规律有其独特的优势。因此以天然实测资料分析为基础,结合多种条件组合下的数学模型方案计算,并探求河口改道、淤积延伸对河道减淤、增淤及沿程分布的定量关系及河口淤积延伸对上游反馈影响动态过程,无疑是首先推荐的方法。

4结语

本文对黄河口演变对河道反馈影响成果进行了总结分析,发现目前各家在黄河口改道、淤积延伸对上游河道反馈影响问

 

8黄河口演变对河道反馈影响研究现状分析赵连军江恩惠吴香菊等

题的认识上,不仅定量相差很大,在定性上也有较大分歧。作者认为,各家分析问题的角度不同,固然是引起分歧的一个原因,但黄河下游河道演变与河口演变影响因素繁多,河床(包括河口)冲淤变形十分剧烈,各因素之间的相互作用极为复杂,采用传统的资料分析手段,不能对此复杂情况进行充分和全面的分析,是造成上述研究结论分歧的根源。黄河口为典型的弱潮陆相河口,由于进入河口沙量很大,海洋动力相对较弱,从长时段看,河口的演变主要表现为流路的淤积延伸与改道。有时在河口改道后的前几年,上游来沙量很大,其作用掩盖了溯源冲刷的发展。河口改道,河长缩短,减少下游河道淤积,及河口延伸、河道加长,增加下游河道淤积这些规律在客观上是一定存在的。河口改道、淤积延伸所引起的下游河道的减淤、增淤量及其沿程分布情况是正确评价一次河口改道工程实施效果的重要指标之一,也是广大治黄工作者广泛关注与治黄工作急需回答的问题,以往研究成果多以实测资料分析为基础,很难得出河口改道与延伸对黄河下游河道减淤与增淤的定量描述,今后必须借助河工模型试验或数学模型计算等手段开展研究。

口参考文献:

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[12]叶青超.流域环境演变与水沙运行规律研究[M].济南:山东科学技术出版社,1994.

(上接第4页)合评价法、层次分析法。

综合指数法适用于对生态环境评价中的单因素评价及多因素综合评价,方法相对比较简单,突出了生态环境评价的综合性、层次性、客观性和可比性,该方法在实际应用中的缺点是,存在难以赋权与准确定量,并且对环境质量的描述仍停留在静态上。

模糊综合评价法采用模糊集合理论,在一定程度上克服了评价过程中存在的一些不确定因素,提高评价结果的可靠性。该方法的最大特点是用隶属度来刻画生态环境质量分级的界线,可用于生态环境质量的分级,划分生态环境质量的优劣,突出生态环境质量较差的区域,由此对重点区域予以治理E…。

层次分析法本质是一种决策思维方式,把决策规划过程中定性分析与定量分析有机地结合起来,用一种统一方式进行优化处理。这种方法体现了人类运用过去已有的知识与经验,对客观事物进行分解、判断、综合,并据此求得最佳规划方案。由于层次分析法改变了运筹学只能处理定量分析问题的传统观点,因而应用范围很广,许多规划问题及确定加权值的问题用层次分析法均可获得满意的结果[9]。

另外还有多级灰关联评价方法、多元统计分析方法、主成分分析法,都已逐步完善和成熟。

4结语

生态经济系统是生态环境一社会经济复合大系统,是人类赖以生存和发展的基础。处理好生态环境和社会经济的关系,促进生态环境系统和社会经济系统之间及其内部的协调发展是实现可持续发展的关键所在。生态经济系统评价是对生态环境系统和社会经济系统的发展水平、发展趋势和系统之间发展的协调程度做出的一个综合评价,根据评价结果可以看出生态环境和社会经济发展中的优势和劣势,并由此制定相应的政策、采取相应的措施,为实现可持续发展奠定基础。口

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