黄河河势的演变
摘要:河势演变主要是指河道水流平面形式的变化。黄河是世界上河势演变最复杂的河流。为给河道整治提供依据,笔者对黄河游荡性河段、弯曲性河段以及由游荡向弯曲转变的过渡性河段半个世纪的河势演变进行总结、研究,提出黄河河势演变的特性及河势演变的基本类型。
关键词:黄河 河势演变 河道整治 裁弯 游荡性河道
黄河有防洪任务的河段主要有上游的兰州市河段、宁蒙河段,中游的禹门口以下小北干流河段、三门峡库区、孟津出山口以下的尾段,以及整个下游河段。黄河孟津以下河段,由于堤防决口后造成的损失大,历来是黄河防洪的重点河段。该河段修建工程多,观测资料丰富,其河势演变特性及类型可涵盖其它河段。
1 河道概况
1.1 河道分段
黄河中游尾段的河南孟津白鹤镇至河口河道长878km,按照河道特性可分为4个不同特性的河段。①孟津白鹤镇至山东东明高村,河道长299km,堤距宽一般5~10km,最宽达20km,河道比降0.265‰~0.172‰,弯曲系数1.15。河道淤积严重,为典型的游荡性河型。②高村至阳谷陶城铺,河道长165km,堤距宽1.4~8.5km,大部分在5km以上,河道平均比降0.115‰,弯曲系数1.33,属由游荡性向弯曲性转变的过渡性河段。③陶城铺至垦利宁海河段,河道长322km,堤距宽0.4~5km,一般1~2km,河道平均比降0.1‰,弯曲系数仅为1.21,属弯曲性河型。④宁海至入海口,河道长92km,属河口段,处于淤积-延伸-摆动-改道的循环变化中。
1.2 河道横断面
黄河下游河道为复式断面,由主槽和滩地组成。兰考东坝头以下有二级滩地,以上有三级滩地。一级滩地和枯水河槽合称为主槽。主槽是水流的主要通道,二级滩地在大洪水及部分中等洪水时才漫滩过流。
1.3 滩区
滩区具有耕种条件,总面积3953.45km2,现有耕地374.13万亩,人口170余万人。
1.4 河道淤积
黄河以泥沙量大、含沙量高闻名于世。由于泥沙淤积,河道不断抬高,现在临河滩面一般高于背河地面3~6m,黄河下游成为“悬河”。
2 河势演变特性
河势是指河道水流的平面形式及发展趋势。包括河道水流动力轴线的位置、走向以及河弯、岸线和沙洲、心滩等分布与变化的趋势。河势演变主要是指河道水流平面形式的变化,黄河河势演变的一般特性大体有以下几方面。
2.1 河势变化向下游传递
在一股河或主股过溜※占2/3 以上的河段,河势演变的纵向影响十分显着,甚至一处河势的明显变化会波及较长的河段, “一弯变、多弯变”正是河势演变向下游传递的写照。河势演变的传递是逐弯下移的,演变传递的速度除与来水来沙情况有关外,还明显制约于水流边界条件。如濮阳青庄至菏泽刘庄有4处险工,边界稳定,传递速度慢,一年时间内上弯的变化向下只能影响1~2个弯道;而图1示出的李桥至王子圩河段,在1961年汛末至1962年汛前的一个非汛期内,由于大罗庄弯道的深化,至使以下三个弯道发生弯顶左右易位的变化。
2.2 河势演变过程中存在基本流路
河势演变有一定的随机性。在几乎布满两堤之间的主溜线中,某个河段内总可以归纳出2~3条基本流路。在河道整治之前,郑州花园口至来潼寨河段,北岸为高滩,河势主溜在南岸大堤至北岸高岸之间宽约5km的范围内变化,把多年的主溜线套汇在一起看出,主溜线基本布满这5km宽的范围,但却存在2条基本流路,1954年前是一条基本流路,1954年至1957年为另一条基本流路,两条基本流路的弯顶成左右相对分布。
2.3 河势变化存在重复性在河势演变的过程中,年年都在发生变化,只是变化的幅度及形式不同而已。对于有明显变化的河段,若干年后常会重复已有的流路。在一个弯道的发生、发展、裁弯过程中,随着时间的推移也重复着已有的演变过程。如陶城铺上游的石桥河段[1],1952年至1967年先后两次形成“S”形弯道和自然裁弯(图2)。
图2 石桥河段裁弯前后主溜线
2.4 流量变化影响河势演变
流量是影响河势演变的主要因素之一。即使在较短的时间内,流量的变化也会造成河势变化。在黄河下游广为流传的“小水坐弯、大水趋中”,“小水上提、大水下挫”,“涨水下挫、落水上提”等都是反映流量变化对河势变化的直接影响。小流量时水流动量小,在河床边界的约束作用下,易于改变流向,水流的弯曲系数大;流量增大后,水流的惯性力加大,边界对水流的作用能力相对减弱,不易改变流向,主溜较小水时趋中,水流的弯曲系数变小。
2.5 游荡性河段主溜摆动强度大
主流的变化大体上可反映河势的变化情况。主流线的位置与线的位置是基本一致的,暂以一次洪峰过程中在24小时内的平均摆动距离来描述主流的摆动强度。从黄河下游1959年前各个水文站断面的主槽摆动强度看出[2],除刚出峡谷的孟津断面摆动范围小外,在游荡性河段,一次洪峰中线摆动幅度一般平均每天大体为80~130m,速度惊人;在高村至陶城铺的过渡性河段平均每天为50~60m;进入弯曲性河段后主溜的摆动强度减少,一般仅为每天10~30m,接近入海口的前左断面近40m。主溜线的年际间变化也是游荡性河段
远大于其他河段。主溜线的变化基本上代表了河势的变化。1960年前,三门峡水库尚未建成,除弯曲性河段外,河道未进行整治。在游荡性河段,主溜的摆动范围一般为2~4km,大者达6km;摆动强度每年1km左右,大者达3km以上。在过渡性河段摆动范围一般1~2km,大者5km以上,摆动强度一般每年0.4~0.7km,大者1.27km。游荡性河段主溜的摆动不论是每天的摆动强度,还是每年的摆动幅度都是很大的。其主要原因为[3]:①主支汊交替,游荡性河段多为数股并行,由于河槽的淤积,主汊河底抬升,当流量增大后,原支汊过流能力加大变成主溜。②洪水期低滩拉槽成为主河槽,对于主流线曲度大的河段遇漫滩洪水时,沿滩地拉出一条流程短的串沟,沟面扩宽、冲深发展为主河道。③滩地易冲塌,游荡性河段的泥沙颗粒粗,含粘量小,抗冲能力低,坍塌速度快。④上段河势多变,造成来溜方向改变频繁,引起本河段主溜摆动幅度加大。
2.6 上下游弯道演变具有对应关系
上下游弯道河势演变间的关系有正向与反向两种。
2.6.1 上下游弯道靠溜部位同向变化
上弯靠溜部位上提,下弯也上提;上弯靠溜部位下挫,下弯也下挫。大部分上下游弯道的河势演变服从这一规律,一般比较和顺的弯道都如此。如青庄、高村、南小堤弯道,青庄上提,高村随着上提,南小堤也要上提;青庄下挫,高村随着下挫,南小堤也相应下挫。
2.6.2 上下游弯道靠溜部位反向变化上弯靠溜部位上提,下弯下挫;上弯靠溜部位下挫,下弯上提。反向变化仅在特殊河段出现:①一处工程由多个不连续的弯段组成,且后一个弯道曲率明显偏大。如范县彭楼与鄄城老宅庄之间的靠溜关系,彭楼1~12坝顺直,13坝以下弯道后退,出口段的28~33坝弯道半径小,改变流向快。当彭楼上段靠溜时,一般在老宅庄的中下段靠大溜;当彭楼下段靠大溜时,老宅庄溜势明显上提至梅庄一带。②上下弯成“S”形弯道,这种河弯的弯道陡,中心角大,两弯间的顺直河段短,上下弯道演变的关系灵敏,对于“S”形弯道,弯道下端的出流方向比弯道上段的出溜方向更偏向下弯的上段,因此在上弯的靠溜部位下挫后,下弯的河势反而上提。对于河道边界条件易变的河段,往往溜分数股,沙洲、潜滩比比皆是。在这种河段往往横向变化明显,上弯河势的变化对以下河势的影响多不明显。
2.7 长期枯水会出现连续畸形河弯
中水是造床作用最强的流量。一年内,洪水的能量虽然最大,但其作用时间短,有时来不及改变流路,洪水期即已过去。小水期行流时间最长,由于水流能量小,造床作用弱,一般不会造成河势的巨变。
在洪水、中水、枯水交替出现的过程中,中水流路往往适应能力最强;发生漫滩洪水时,随着流量的减小,水流归槽后,基本还沿中水流路行河;枯水期,在弯道段流线弯曲率加大,在较长的直河段内往往出现微弯,但在汛期中水流量过程中,又会调整流路,使弯道的曲度减小,较长直河段的一些微弯段又变成直河段。当出现数年枯水时段时,小水形成的过分弯曲的小弯道得不到调整,直河段因水流能量小得不到应有的发展。在没有河道整治工程控制、且河床土质含粘量低的河段,就会形成连续畸形河弯。如开封黑岗口至柳园口河段,仅右岸有整治工程,左岸为易冲易淤的滩地,经过较长的枯水期后,就形成了连续畸形河弯(图3)。在连续枯水期间,一些未经河道整治的河段,还会出现急弯、陡弯。水流陡折蛇行,进而不前。如开封王庵至府君寺河段就曾多次出现主溜三次穿过同一河道横断面的情况。
3 河势演变的基本类型
河势演变主要是指河道水流平面形式的变化,从横断面看,依照水流的集中情况可分为单股或多股。在多股河段河势演变主要表现为主股的发生、发展、消亡和主股、支股的交替变化;在单股河段河势演变主要表现为弯道的变化和直河段位置的变更。由于水流条件、泥沙条件、工程边界、河床组成等千变万化,不同的河段、不同的时间具有不同的河势,其演变形式也不同,但大体可归纳为5种基本类型。
3.1 弯道演变 “水性行曲”是河道水流运行的基本特点之一。在来水来沙条件及河床边界条件的影响下,河道水流总是以弯段、直段相间的形式向下游流动。在多股并行的河段,其中的某一股水流在一定的流程内也是以弯段、直段交替的形式运行。在演变的过程中,弯道的变化决定直河段的变化,直河段的溜势变化在一定程度上也影响弯道的变化,因此在河势演变的过程中,弯道的变化起主导作用。演变形式可归纳为以下几种。
3.1.1 弯顶朝着一个方向发展
弯道进口入流条件在一个时段内较为稳定,河弯段的河床为沙质土壤,出口有工程或有抗冲性强的胶泥嘴分布时,弯道的弯顶易于朝着一个方向发展(图4)。
3.1.2 弯顶逐年下移 在一定的工程和河床边界条件下,一岸弯道的靠溜部位逐年下移,有的长达数公里。如台前孙口至梁集河段
