水利工程論文-流量變化對黃河下游河道演變影響.doc

水利工程論文-流量變化對黃河下游河道演變影響摘要：作者通過對1958、1964、1973、1985及1997各年黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站逐日平均水文資料的流量級分析，得到花園口、高村、艾山、利津水文站日均造床流量1958年為34004400m3/s；1964年53005600m3/s；1973年為27003300m3/s；1985年有兩個峰值，分別為19002000m3/s和38004500m3/s；1997年仍有兩個峰值，花園口和高村水文站為680740m3/s和19002800m3/s，艾山和利津水文站為200250m3/s和510820m3/s。將上述結論與對實測資料的分析相結合，得到造床流量明顯下降及較大日均流量(2000m3/s)出現(xiàn)頻率大大減少甚至不再出現(xiàn)是黃河下游小流量輸沙、河道淤積、“小水大災”的根本原因。關鍵詞：黃河下游有效輸沙流量造床流量在人類大量引水、天然降水偏枯1,2等人為和自然因素作用下，自1972年開始斷流，直至90年代的頻繁斷流，對黃河下游河床演變產生了深刻的影響1,3，河道尤其是主槽淤積加重，使黃河下游防洪面臨前所未有的巨大壓力，“小水大災”已成為黃河下游流域水資源突出的問題之一4?！靶∷鬄摹笔屈S河下游河床隨來水來沙自動調整的結果。本文試圖通過對1958、1964、1973、1985年1997年黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站逐日平均水文資料的流量級分析及對比，來尋求其內在原因及解決黃河下游“小水大災”、水資源短缺的辦法。1黃河下游造床流量分析1.1分析方法的選取與多年流量過程的綜合作用相當，而又對塑造河床起著控制作用的代表性流量為造床流量。目前，分析造床流量的方法很多，大致可以分為：平灘流量法、輸沙率法、輸沙量法及輸水量法、河床變形強度法等。針對黃河等多沙河流，張紅武等人提出了輸沙能力法，吉祖穩(wěn)等人提出了水沙綜合頻率法5,6。本文采用輸沙率法來對黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文資料進行流量級分析，從而得到相應的造床流量。1.2數(shù)據(jù)的選取本文選取黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文資料進行流量級分析，含沙量取懸移質含沙量。黃河下游河道演變主要決定于來水來沙條件，據(jù)來水來沙特點和三門峽水庫運用情況，其河道演變可以大致分為六個時期，各時段水沙特點如下：19501960年為三門峽水庫修建前的天然情況，基本無人類引水，為豐水多沙系列；19601964年為三門峽水庫“蓄水攔沙期”及“滯洪攔沙期”，河道沖刷；19641973年為三門峽水庫“滯洪排水期”，為平水多沙系列，河道淤積；19731997年為三門峽水庫“蓄清排渾”運用期，在此期間內根據(jù)來水來沙條件不同又分為：19731980年河道少量淤積、19801985年河道沖刷、19851997河道萎縮三個時期7。1958、1964、1973、1985及1997各年分別代表黃河下游河床演變的各時段。1.3計算結果Wolman和Miller在1960年首次提出了“地貌功”的概念，并給出了河流有效流量流量級分析的計算方法811。假設河流流量頻率服從對數(shù)正態(tài)分布，輸沙率作為流量功函數(shù)，則輸沙效率即流量出現(xiàn)頻率與輸沙率乘積最大處的流量值為輸沙的有效流量，就長時期內河流輸沙量而言在該流量處最大911。根據(jù)此方法本文對黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文資料進行了流量級分析，結果如圖1所示。圖1花園口、高村、艾山、利津水文站在1958、1964、1973、1985及1997各年日均流量的輸沙效率圖1(a)為花園口、高村、艾山、利津水文站1958年日平均各級流量輸沙效率(即流量出現(xiàn)頻率與輸沙率乘積)，分別以2500m3/s、2500m3/s、1500m3/s、800m3/s分級。圖1(b)為花園口、高村、艾山、利津水文站1964年日平均各級流量輸沙效率，均以1000m3/s分級。圖1(c)為花園口、高村、艾山、利津水文站1973年日平均各級流量輸沙效率，均以500m3/s分級。圖1(d)為花園口、高村、艾山、利津水文站1985年日平均各級流量輸沙效率，分別以800m3/s、800m3/s、800m3/s、600m3/s分級。圖1(e)為花園口、高村水文站1997年日平均各級流量輸沙效率，分別以500m3/s、200m3/s分級；圖1(f)為艾山、利津水文站1997年日平均各級流量輸沙效率，分別以180m3/s、150m3/s分級。從圖1(a)中可以看到，花園口、高村、艾山、利津水文站在1958年相應于輸沙效率最大處的日均流量分別為：3450.3m3/s、3362.8m3/s、3697.2m3/s、4335.6m3/s，其中艾山和利津水文站還有另一較大輸沙日均流量：6597.5m3/s和6808.6m3/s。總的來說，在1958年黃河下游河道基本處于無人類影響的狀況下，其輸沙效率最大日均流量為34004400m3/s。從圖1(b)中可以看到，花園口、高村、艾山、利津水文站在1964年相應于輸沙效率最大處的日均流量分別為：5367.5m3/s、5457.9m3/s、5518.3m3/s、5494.4m3/s，也就是說在1964年黃河下游河道在三門峽水庫“蓄水攔沙”及“滯洪攔沙”運用使河道沖刷時，其輸沙效率最大日均流量為53005600m3/s。從圖1(c)中可以看到，花園口、高村、艾山、利津水文站在1973年相應于輸沙效率最大處的日均流量分別為：3203.8m3/s、3209.2m3/s、2732.6m3/s、2710.4m3/s，也就是在1973年黃河下游河道在三門峽水庫“滯洪排沙期”河道淤積時，其輸沙效率最大日均流量為27003300m3/s。從圖1(d)中可以看到，在1985年黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站在水豐沙少的情況下，相應于輸沙效率較大處的日均流量均為雙峰值，分別為：19002000m3/s和38004500m3/s，使河道基本處于沖刷狀態(tài)。從圖1(e)和1(f)中可以看到，在1997年黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站，相應于輸沙效率較大處的日均流量仍均為雙峰值，其中花園口、高村水文站的兩個日均流量峰值分別為：680740m3/s和19002800m3/s，艾山、利津水文站的兩個日均流量峰值分別為：200250m3/s和510820m3/s，河道處于萎縮狀態(tài)。根據(jù)文獻811，圖1中相應于輸沙效率(即流量出現(xiàn)頻率與輸沙率乘積)最大處的日均流量是黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站懸移質輸沙最大的流量，是其懸移質有效輸沙流量。由于懸移質有效輸沙流量與全沙有效輸沙流量接近10，因而該流量也是黃河下游園口、高村、艾山、利津水文站的有效輸沙流量。對于一個處于穩(wěn)定或是演變中的河道，有效流量是造床流量的計算值8,12。而造床流量這一概念的引入是假定這一流量和多年流量過程是綜合造床條件作用相等8,12，它是河床演變尤其是造床作用的反映。對于黃河這一舉世聞名的水少沙多河流來說，泥沙的淤積與沖刷是其河床演變的關鍵，因而對其下游河道造床起決定作用的流量必然是輸沙最大的流量，即有效輸沙流量。也就是說，對黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站來說，造床流量與其上述相應年份的輸沙最大的流量是相當?shù)摹?黃河下游“小水大災”分析“小水大災”、同流量水位升高，是黃河下游河道淤積的結果。從表1中可以看到，1997年花園口水文站年均含沙量為10.49kg/m3，小于其19511990年間的多年平均值26.2kg/m3，汛期平均含沙量為14.31kg/m3也小于其19511990年間汛期的多年平均值37.8kg/m3，說明在1997年黃河下游來沙量的減少大于來水量的減少；而且1997年花園口水文站年均含沙量及其汛期平均含沙量也低于河道基本處于沖刷狀態(tài)的1964年和1985年的年均含沙量及其汛期平均含沙量，但河道卻處于萎縮狀態(tài)。究其原因，黃河下游造床流量的明顯減少是河道淤積的直接原因?；▓@口水文站的造床流量從1958年的3450.34m3/s降到1997年的2748.18m3/s，利津水文站的造床流量則從1958年的3450.34m3/s降到1997年的2748.18m3/s，利津水文站的造床流量則從1958年的4335.63m3/s大幅下降到1997年的517.25m3/s。與此同時，花園口日均流量2000m3/s時花園口至利津河段的淤積量從1958年的0.802億t增加到1997年的1954億t，該淤積量占花園口輸沙量的百分比也從1958年的2.9%增加到1997年的52.5%(如表2所示)，也就是說1997年花園口水文站來沙量的一半是在花園口日均流量2000m3/s的天數(shù)從1958年的139天降到1997年的57天，而艾山和利津水文站日均流量2000m3/s的天數(shù)則從1958年的139天降到1997年的0天(如表3所示)。相應的利津水文站輸沙量占花園口水文站輸沙量的百分比從1958年的表1花園口水文站為來水來沙特點變化表2花園口日均流量2000m3/s時花園口至利津河段淤積狀況年份徑流量/億m3輸沙量/億t年均含沙量/(kg/m3)汛期平均含沙量/(kg/m3)19581964197319851997610.5877.7360.9473.9355.027.3216.3815.787.943.7244.7418.6643.7316.7610.4954.9922.9865.5425.7214.31年份花園口日均流量2000m3/s時花園口至利津河段淤積量/億t花園口日均流量2000m3/s的天數(shù)表4利津輸沙量占花園口輸沙量百分比年份花園口高村艾山利津19581964197319851997139206646857139205656111392116064013921555550年份利津輸沙量(億t)利津輸沙量占花園口輸沙量百分比(%)1958196419731985199720.7720.2512.157.560.1676.02123.6377.0095.214.30黃河下游日均流量的大大下降，主要原因是中上游水庫尤其是龍羊峽水庫和劉家峽水庫1986年以來聯(lián)合調度，使黃河下游來流流量調平、洪峰流量消減、汛期來水水量減少13，致使其有效造床流量大大降低、較大日均流量(2000m3/s)出現(xiàn)的頻率大大減少甚至不再出現(xiàn)。3結論本文通過對黃河下游花園口、高村、艾山、利津水文站1958、1964、1973、1985及1997各年逐日平均水文資料進行的流量級分析，得到有效輸沙流量即造床流量的減小及較大日均流量(大于2000m3/s)出現(xiàn)頻率的大大減少甚至不再出現(xiàn)是黃河下游“小水大災”根本原因。增大造床流量并相應減少小流量輸沙，是解決黃河下游“小水大災”、水資源短缺的出發(fā)點。要解決黃河下游近年來尤其是1986年以來頻繁斷流、“小水大災”、同流量水位升高等等生態(tài)環(huán)境問題，需要通過市場調節(jié)、行政干預、水庫調節(jié)、南水北調等多種手段，對黃河進行綜合流域治理，使用于黃河下游輸沙的流量等于其較大的有效輸沙流量，即日均流量為30004000m3/s，才能有效改變黃河下游河道萎縮的局面。參考文獻：1許炯心.人為季節(jié)性河流的初步研究J.地理研究，2000，19(3).2劉昌明，成立.黃河干流下游斷流的徑流序列分析J.地理學報，2