黄河下游洪水冲淤特性及高效输沙研究

笫３２卷　ｌ２期　２０１０年Ｉ２月　人民　黄河　Ｖｏ１．３２．ＮＯ．１２　Ｄｅｃ．。２０１０　ＹＥＬＬＯＷ　ＲＩＶＥＲ　【水文・泥沙】　黄河下游洪水冲淤特性及高效输沙研究　李小平，李　勇，曲少军　（黄河水利科学研究院水利部黄河泥沙重点实验室，河南郑州４５０００３）　摘要：以黄河下游实测洪水资料为基础，对洪水冲淤特性及高效输沙过程进行了分析。结果表明：①洪水平均流量大　于２　０００　Ｉｎ’／ｓ后，排沙比的大小主要取决于洪水平均含沙量的大小；（　输沙水量与排沙比的关系因含沙量的不同而分带　分布，同一含沙量级洪水的输沙水量随着排沙比的增大而减小，当排沙比达到一定程度后，随着排沙比的增大，输沙水量　不再明显减小；③可以用平均流量为３　２００　ｍ　／ｓ、平均含沙量为６５　ｋｇ／ｍ　的水沙搭配来代表黄河下游高效输沙洪水　过程。　关键词：排沙比；高效输沙洪水；冲淤特性；平均流量；平均含沙量；黄河下游　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００　１３７９．２０１０．１２．０３０　中图分类号：Ｐ３３３；ＴＶ８８２．１　随着经济发展和工农业用水量的持续增加，黄河水资源短　的大小关系非常密切，含沙量级越小，来沙系数越小，排沙比越　高，来沙系数大的洪水主要是平均含沙量大于８０　ｋｇ／ｍ　的　洪水。　缺矛盾日益突出。研究黄河下游洪水的冲淤特性，找出有利于　输沙的删想水沙搭配过程，使进入下游河道的泥沙更多地排泄　人海，不仅可以减少下游河道淤积，而且有利于节省紧缺的水　资源。因此，笔者对黄河下游洪水的冲淤特性及理想的水沙搭　配过程进行了研究。　１洪水冲淤特性分析　黄河下游河道洪水期的输沙能力与一般河流有所不同。　同样的来水条件可能伴随不同的来沙条件：来自粗泥沙来源区　的洪水，下游沿程各站悬移质中的床沙质含量都高；而来自少　沙区的洪水，沿程床沙质含量都低　。在同一水流强度、河床　组成条件下，洪水的冲淤情况主要取决于洪水流量　含沙量大　小及其搭配。就黄河下游一次洪水过程中的冲淤强度来说，除　了大漫滩洪水外，它与洪水的平均流量和来沙系数（Ｓ／Ｑ）关系　较好　。　来沙系数　图１　不同流量级洪水排沙比与来沙系数的关系　１．１排沙比与来沙系数的关系　为了分析黄河下游洪水的排沙比与来沙系数的关系，挑选　了黄河下游１９５０－－２００５年发生在汛期的平均流量大于２　０００　ｍ　／ｓ的２４３场洪水，统计出各场洪水进入下游河道的平均流　量、平均含沙量、下游各水文站的水沙量、河道冲淤量、淤积比　等洪水特征要素。　由点绘的不同流量级和不同含沙量级洪水的排沙比与来　沙系数的关系（见图１和图２）可以看出，排沙比随着来沙系数　的增大而减小。当洪水来沙系数小于０．０ｌ时，排沙比大于　１００％，来沙系数越小，排沙比越大，下游河道发生显著冲刷；当　来沙系数大于０．０１时，排沙比大都小于１００％。　来沙系数　图２不同含沙量级洪水排沙比与来沙系数的关系　收稿日期：２０１０…０９　ｌ０　图１中，相同流量级洪水的排沙比变幅很大，流量级越小，　排沙比的变幅越大。大流量级时洪水的排沙比不高，主要原因　是大流量级的洪水在下游发生漫滩，虽然存在淤滩刷槽作用，　但是全断面是发生淤积的。图２显示来沙系数大小与含沙量　基金项目：水利部公益性行业科研专项（２００７０１０３６）；国家自然科学基金资助　项目（５０７０９０１２）　作者简介：李小平（１９７８一），女，江苏东台人，工程师，硕士，研究方向为河床演　变及河流动力学。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｒｅｅｌｘｐ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ．ｃｎ　．７１．　人民黄河２０１０年第ｌ２期　１．２排沙比与流量和含沙量的关系　进一步分析洪水流繁、含沙　与排沙比的关系（图３、冈４）　ｌ】ｆ以看　，排沙比按照　沙鞋级的不同而分带分布，自上而下　洪水的含沙镀级逐渐增大，同流量的排沙比逐渐减小。对于相　Ⅲ流带级的洪水，禽沙量越大，排沙比越小；对于相同含沙量级　的洪水，排沙比随着　均流量的增大而增大，流量大于４　０００　ｍ　／ｓ后排沙比小再明　增大，甚至略有减小：主要原因是，从　平均情况来　Ｆ均流通大于４　０００　ｍ　／ｓ的洪水在下游河道中　经常发　卜漫滩，滩地｝：发生淤积，使得大流量级洪水的排沙比　反而降低。另外．埘于同一含沙量级的洪水，在平均流量小于　２　０００　Ｉｎ　／ｓ时的排沙比小且变幅大，平均流量大于２　０００　ｍ　／ｓ　的排沙比大且卡ｆ｛对集中。　次洪水平均流量一般为１　０００～６　０００　ｍ　／ｓ，而平均含沙量　一般为１～３００　ｋｇ／ｎ　，变幅可以达到几十倍甚至　百倍。因　此，洪水排沙比随着洪水平均含沙量变化而发生的变化比随着　平均流　的变化更为敏感。　平均流量／（ｍ　ｓ一）　图３不同含沙量洪水的排沙比与平均流量的关系　平均占沙量／（ｋｇ‘ｍ。’）　图４不同流量级洪水的排沙比与平均含沙量的关系　由图４可以看出：排沙比随着含沙最的增大而减小，减小　的幅度由大变小，平均含沙量小于４０　ｋｇ／ｍ　时，排沙比随着含　沙最的增大显著降低；平均含沙量大于４０　ｋ　ｍ　后，排沙比随　着含沙量的增大缓慢减小。从平均角度来讲，平均含沙量小于　４０　ｋｇ，＇ｍ　的洪水的排沙比大于１００％，平均含沙量大于４０　ｋｇ／ｎ　的洪水的排沙比小于１００％，即从平均角度讲，洪水的平　均含沙量大于４０　ｋｇ／ｍ　后，下游河道将会发生淤积。　综合分析，场次洪水的排沙比与洪水平均来沙系数（ｓ／ｑ）　关系密切，进一步分析平均流量（Ｑ）和平均含沙量（Ｓ）的关系　可以发现，当洪水平均流量大于２　０００　ｉｎ　／ｓ后，排沙比的大小　主要取决于洪水平均含沙量的大小。　１．３排沙比的估算　根据上述分析，可以用洪水平均含沙量的大小来估算平均　流量大于２　０００　ｍ　／ｓ的洪水的排沙比。根据图４回归出用含　・７２・　沙量估算排沙比的公式为　Ｐ　＝（２５／Ｓ＋０．３２）×１００％　（１）　式中：Ｐ　为场次洪水的排沙比；Ｓ为场次洪水的平均含沙量。　图５为用式（１）计算出的排沙比Ｌｊ黄河下游实测平均流量　大于２　０００　ｍ　／ｓ洪水排沙比的对比　。叮见利用式（１）计算出　的洪水排沙比与实测值比较接近，Ｈ有较好的代表性。根据式　（１）计算排沙比为１００％时对应的含沙醚为３６．８　ｋ　／ｍ　，与前　面分析得出的４０　ｋｇ／ｍ　比较接近　平均含沙量／（ｋｇ‘ｎ　’）　图５洪水排沙比的实测值和计算值与含沙量关系的对比　２高效输沙洪水分析　２．１洪水输沙水量和排沙比分析　由于洪水达Ｎ－・定量级后的输沙效果主要取决于洪水的　平均含沙量，因此笔者重点分析洪水输沙水量与排沙比、含沙　量的关系（输沙水量指的是洪水过程中输送１　ｔ泥沙所用的水　量，与文献［３］中的输沙蓄水壤不　）。　分析发现，输沙水量与排沙比的关系根据含沙量大小的不　同而分带分布（图６），即同一含沙鼍级洪水的输沙水量与排沙　比之间存在着很好的关系。同一含沙量级洪水的输沙水量随　着排沙比的增大而减小，当排沙比达到一定程度后，随着排沙　比的增大，输沙水量不再减小。若排沙比相同，含沙量越大的　洪水的输沙水量越小。　，一１２０　＿＿　●　Ｅ　９０　＝　盥Ｉ　６０　３０　０　排沙比／％　圈６不同含沙量级洪水的输沙水量与排沙比的关系　利用排沙比为８０％和输沙水量为２５　ｍ　／ｔ的两条线，可以　把图６划分为４个区域。区域Ｉ为低效区，落在该区域内的洪　水不仅排沙比不高，而且输沙水量大；区域Ⅱ为高排沙区，落在　该区域内的洪水具有很高的排沙比，但输沙水量也很大；区域　Ⅲ为低耗水区，落在该区域内的洪水的输沙水量较小，但是排　沙比也较小；区域Ⅳ为高效输沙区，落在该区域内的洪水不仅　具有较高的排沙比，而且输沙水量较小，具有高效输沙的特点。　人民黄河２０１０年第１２期　此，落在　域Ⅳ内的洪水止是所要寻找的高效输沙洪水，把　６０～８０　ｋｇ／ｍ　的洪水。表ｌ为２０场高效输沙洪水的特征值，　排沙比大于８０％、输沙水量小于２５　ｍ　／ｔ的洪水定义为高效输　由于沿程引水和加水对洪水的冲淤有较大影响，因此在挑选高　沙洪水。　效输沙洪水时，剔除了沿程流量变化大（利津平均流量与三黑　２．２高效输沙洪水的特点　小（即三门峡、黑石关、小董）平均流量的比值≤Ｏ．８和≥１．２）　进一步分析同６　ｌｆ１高效输沙区（区域Ⅳ）中的洪水特点发　的洪水。　现，落　该　域的洪水主要足禽沙量最级为４０～６０　ｋｇ／ｍ　和　表１黄河下游高效输沙洪水特征值　这　洪水的来水（三黑小）平均流量的最小值和最大值分　取决于洪水平均含沙量的大小。洪水排沙比随着含沙量的增　别为１　４０４、５　８０４　ｉｎ　／ｓ，平均含沙量的最小值和最大值分别为　大而减小，减小的幅度由大变小，在平均含沙量小于４０　ｋｇ／ｍ　４２．５、１０２．１　ｋｇ／ｍ　。所有高效输沙洪水的总来沙量为５０．１１４　时随着含沙量的增大显著降低，当平均含沙量大于４０　ｋｇ／ｍ　后　亿ｔ，利津输出沙量为４４．１３４亿ｔ，沿程引沙量共２．７４３亿ｔ，全　随着含沙量的增大缓慢减小。　下游淤积３．２３７亿ｔ，平均排沙比为９３．５％，平均输沙水量为　（２）根据实测资料回归得出的排沙比估算公式具有较好的　１７．６　ｍ　／ｔ。平均来讲，所有洪水的平均流量为３　２００　ｍ　／ｓ，平均　代表性。　含沙量为６５　ｋｇ／ｍ　，平均来沙系数为０．０２０　ｋｇ・ｓ・ｍ一。　（３）输沙水量与排沙比的关系因含沙量大小的不同而分带　在这２０场高效输沙洪水中，平均含沙量均大于４０　ｋｇ／ｍ　，　分布，同一含沙量级洪水的输沙水量随着排沙比的增大而减　其中含沙量为４Ｏ～６０　ｋｇ／ｍ　的有８场，占总数的４０％；含沙量　小，当排沙比达到一定的程度后，随着排沙比的增大，输沙水量　为６０～８０　ｋｇ／ｍ　的有１０场，占总数的５０％；含沙量大于８０　ｋｇ／　不再明显减小。　ｍ　的仅有２场。可见，９０％的高效输沙洪水的含沙量为４０～８０　（４）高效输沙洪水的流量级相对分散，而含沙量级比较集　ｋｇ／ｍ　。同时，在挑选出的２０场高效输沙洪水中有５０％的洪水　中，９０％的高效输沙洪水的含沙量为４０—８０　ｋｇ／ｍ　。可以用平　的平均流量为２　０００～４　０００　ｍ　／ｓ，流量大于５　０００　ｍ　／ｓ的２场　均流量为３　２００　ｍ　／ｓ、平均含沙量为６５　ｋｇ／ｍ　的水沙搭配来代　洪水为漫滩洪水。可见，洪水平均流量为２　０００～４　０００　ｍ　／ｓ、　表高效输沙洪水过程。　平均含沙量为４０～８０　ｋｇ／ｍ　，是高效输沙洪水的主要流量和含　参考文献：　沙量范围。这一结果与文献［４］基本一致，但给定的水沙范围　更小。　［１］　麦乔威，赵业安，潘贤娣，等．黄河下游来水来沙特性及河道冲淤规律的研究　综合来看，高效输沙洪水的流量级相对分散，而含沙量级　［Ｇ］∥麦乔威论文集．郑州：黄河水利出版社，１９９５：６８．　［２］钱宁，张仁，周志德河床演变学［Ｍ］．北京：科学出版社，１９８７．　则比较集中，进一步说明含沙量是影响洪水输沙效果的主要　［３］倪晋仁．黄河下游洪水输沙效率及其调控［Ｊ］．中国科学：Ｅ辑，２００４（增刊　因子　Ｉ）：１４４—１５４　［４］　岳德军，侯素珍，赵业安，等黄河下游输沙水量研究［Ｊ］．人民黄河，１９９６，１８　３结语　（８）：３２—４ｏ．　（１）洪水平均流量大于２　０００　ｍ　／ｓ后，排沙比的大小主要　【责任编辑翟戌亮】　・７３・