河床演变规律

2013-10-09 18:21阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1595441757

第四章
河床演变规律
前面我们把泥沙重新分类，并对泥沙颗粒进行的受力的分析，基本认清了泥沙在河床上的分布规律。也清楚了河床的抬升关键在于狭义河床，单纯研究广义河床是舍本求末，意义不大。
1、河床演变的普遍规律
我们还用前文中的水槽试验为例，这回试验的注水口可以上下移动。随着水槽中泥沙的淤积，床面的抬高，调整注水口的高度。
试验时，我们把水槽的注水口调低后开始注水，并加入泥沙。待泥沙接近饱和时，停止加入泥沙，继续注水，直到水槽中的泥沙颗粒基本停止运动，再停止注水，此时的床面才是狭义床面。绘制出床面曲线后，调高注水口的高度重复上述过程。最终可以得到如图—1所示的曲线组。
假如我们能够消除水槽本身的阻力影响，（比如在A-A1曲线实验中，出水口在A1点右侧附近，B—B1对应B1点，C—C1对应C1点。）则每次颗粒停止时对应的流速一样，比降相同，相同颗粒每次形成的饱和比降线互相平行，见图—1.。

河床演变规律--河流运动理论探讨之4

图—1
上述试验告诉我们，只要上游有泥沙进入下游河道，而河道中的泥沙不能将其排走，河床就会淤积。淤积的结果是，一是使河口不断的向前延伸，二是使谷口抬高。
自然的河流中的泥沙会向大海甚至下游的平原上排放，从上游下来的泥沙大小比例会有不同，下游从河道中排出的颗粒大小比例也不尽相同。小颗粒更容易排走，对于每个断面来讲，能够淤积的颗粒都是大颗粒，淤积下来的颗粒都是上一个断面的推移质。淤积的位置与上游下来的泥沙颗粒的大小及这个位置的流速有关。而流速与流量、比降有关，所以，自然中的每条河流，河流中的每段，表现出来的淤积情况各不相同，但是结果完全一样，只要河道对其中一种颗粒无法容纳，它就要向外释放，在原始的自然状态下，它可以改道。被大堤束缚的河道，只能靠决口排放。
2、黄河河床的演变
2.1黄河狭义河床的演变
现在普遍认为，黄河河床抬高的原因是；黄河来沙多，来水少，泥沙比例不协调，不能形成不淤比降。虽不能说是误读，起码可以说是不全面。
首先，在没有人为的干预下，冲积平原的河床，都在淤积，差别在于淤积的速度不同，根本就不存在不淤平衡比降，把黄河抬高的原因归结为不能形成不淤比降，本身就是错误。
黄河也是自然中的一条河流，它的河床演变过程应该与普通河流一样。虽然它被称为是世界上携泥沙量最大的河流，实际上，很多年份其携沙量没有亚马逊河多，也没有长江多。黄河的含沙量与它自己的几条主要泥沙来源的支流比，也没有它们大。为什么长江、渭河包括亚马逊河的河床抬高很慢，唯有黄河抬升这样快，这就要具体问题，具体分析，黄河河床抬高速度快主要是以下3大原因共同作用的结果。
2.1.1河口延伸效应
与黄河不同，长江的入海口在太平洋，是东海与黄海的分界点。太平洋的暖流正从其前边经过，洪水期间的悬移质入海后，部分在河口附近与推移质一起堆积外，大部分（颗粒更小）汇入到这股洋流当中，随它向北漂流扩散，使海水变成黄色，黄海的名字由此产生。亚马逊河与长江一样，河口前方是大西洋洋流，它排到大海里的悬移质被带走的距离更远。
在没有修建三门峡水库之前，潼关至小浪底是大比降的峡谷河段，渭河在潼关汇入黄河后，不单其悬移质被黄河带走，就是以推移质进入黄河的泥沙，也全部被带走，不存在河口延伸。
我们知道，狭义河床的抬高，必然是悬疑质先转变为推移质，最后停止移动，才能实现。与悬疑质相比，河道每个断面上的推移质的含量都极小。长江、亚马逊河的河口延伸极慢，甚至在短时间内都无法观察到。所以长江、亚马逊河的河口延伸影响极小，而原来的渭河不存在河口延伸，河床不受河口延伸的影响。
黄河的入海口在渤海，虽有潮汐运动会将部分泥沙带往远海，但速度很慢，与长江、亚马逊河无法比拟。以悬移质状态进入大海的泥沙颗粒，很快沉淀，就淤积在河口附近，致使河道不断延长，河道总阻力增加，相同流量下，流速降低，河流推动泥沙的动力减小，泥沙更容易淤积。那么河口的延伸是怎样影响着河床的淤积，下面我们具体的讨论一下。
还以上面的试验为例，假如前期水槽中的泥沙已经形成图—2所示的稳定

河床演变规律--河流运动理论探讨之4

图--2
河床，此时注水口高度不变，并且只加入最小的泥沙颗粒。大、中颗粒形成的河床不会变化，唯有小颗粒的河床还会延伸，见图—3，比如由A延伸到B。b点以上河段阻力不变，最小的颗粒只能在b点以下堆积，形成新的床面。由于河道

河床演变规律--河流运动理论探讨之4

图--3
长度增加，阻力增大，流速降低，比降减小。
上面说，b点以上床面的阻力没有变化，但是，由于最小颗粒相互之间的顶托，它们也能在b，并且仅能在b点附近向上淤积一段，最后形成的床面是从c点到B点。从能量这个角度来分析，正是由于大比降区缩短，减少能量损失，部分补偿小比降区延长造成能量损失的增加，这是自然趋向平衡的一个表现。值得注意的是，这种补偿，不是全部，而是部分。
如果我们再加入中颗粒，中颗粒形成的河床也会抬高，大颗粒形成的河床不会变，阻力也不会变，同理，中颗粒肯定从a点开始淤积，形成如图—4河床，

河床演变规律--河流运动理论探讨之4

图—4
比降下降。此时在b—c点之间的部分小颗粒，受到局部水流流速增大的影响，会被中颗粒挤走，继续向下游移动，按理说小颗粒的比降进一步减小，但减小的量很少，影响不大，不予考虑。
从图----4中可以看出，对于中颗粒来讲，e点相当于小颗粒与海床的交点B点，对于中颗粒来讲，e点可以看成是中颗粒的“河口”。 e点高于A点，是由于在B点的下游，已经堆积了大量的小颗粒，这些小颗粒对大颗粒有“顶托”作用。
如果同时加入中、小颗粒，最终的结果与此基本一样。并且在上述试验还可以看出，河口延伸对河床抬高的影响取决于同类颗粒量的多少，同类颗粒越多，不单所占的堆积区河段长，而且比降下降也快。
由于最大的颗粒已经饱和，试验中无法再加入，也就是说再加入最大的颗粒，唯有抬高注水口，见图—5.。

河床演变规律--河流运动理论探讨之4

图--5
在上面所述的试验中，我们是绝对理想化的分析。实际上，我们做不出完全理想的试验。由于，水流在大小比降区的转变，流速会有一个过渡，河床的曲线不会是折线，在过渡区应该是向下弯曲的曲线。
一般的，在自然的河流中，颗粒越大所占的比例越小，并且颗粒大小是连续不断应有尽有，所以河口延伸对河床抬高的影响是连续不断的平滑曲线，如图—6所示；从以上分析中，我们可以看出，大颗粒泥沙直接在河道中淤积，使河

河床演变规律--河流运动理论探讨之4

图--6
床抬高。小颗粒泥沙能够进入大海，使河口延伸，河口延伸对河道的影响，主要是小颗粒区，即小比降区。在河口段，河口延伸的影响，会使河口附近的河床急剧抬高。
河口延伸会使河道的总阻力加大，流速减慢，比降减小，但这种影响并不是很大，距离河口比较远的地方，比降变化不大，由达西公式可以推理，可用公式；Δh= ha/L近似计算河床由于河口延伸影响产生的抬高量。其中a为河口的延伸量，L为距新河口的距离，h为原河口处的抬高量。
2.1.2泥沙组成的影响
在河流泥沙组成中，部分的泥沙颗粒较大，在流量不变的情况下，这些大颗粒泥沙不会越过自己的饱和比降区，必然在河道中会永久停留下来，成为床构质，使狭义河床抬高。图—7是1960年3000m^3/S流量狭义河床套绘图，（图中是

河床演变规律--河流运动理论探讨之4

图—7
以小浪底水库的坝底高程为注入点），从图中可以看出花园口附近的比降约为2个万分点，陶城埠河床正处于2个万分点的饱和比降线上，当时花园口处的推移质，在3000m^3/S流量下永远也不会移动到陶城埠以下。同样，当时鉄谢的推移质永远也不会推移到花园口。
人们从实际观察中，早已经注意到大颗粒在河床淤积这一现象。比如，尹学良、 陈金荣、刘峡共同编著的《黄河下游河床演变三大基本问题的研究》中就有这样的结论；黄河来沙中有大量的(约一半)冲泻质.除少部分可在滩面低速处淤下之外，（评；只是暂时性的，当主槽摆动过来后，这些小颗粒还会被冲走）大部分均能随水流直泻入海，到滨海才淤积下来.------.而大于0.1mm的粗颗粒在河南段就全淤下，输送不到山东。文中还说；黄河来沙的约1/5输送不过艾山，1/4送不过利津.不管河口淤积延伸与否，这些泥沙总要淤积下来.（评；这个数量虽然包括了覆盖层的泥沙，但覆盖层的增加主要是在河口的延伸部分，量不大，所以上述的数量接近狭义河床的泥沙增加量）其中的道理就在于此。
长江、亚马逊河、渭河它们本身也携带有相当数量的大颗粒泥沙，在上游可能还是悬移质，随着比降的降低，流速的减小，泥沙还没有移动到河口就变成推移质，直至床构质。理论上讲，它们的狭义河床也在淤积抬高。
黄河首先经过汾渭平原，从上游（包括支流）下来的泥沙中的鹅卵石、砾石，基本都在这里沉积为床构质，不能进入潼关，进入潼关的泥沙颗粒相对较小。而潼关至小浪底之间的平均比降在8~9个万分点，比降很大，这些泥沙在此无法淤积。同样由于颗粒较小，在洛阳段的大比降区域也不会淤积，必然进入下游的小比降区。而能在小浪底下游附近淤积的泥沙，（确切的讲应该称为砂石）都是从潼关至小浪底之间流域冲刷下来的泥沙。由于这区间的各个支流比降极大，汇入黄河中的泥沙颗粒很大，但流域面积小，大泥沙颗粒所占的比例很小，这些颗粒在谷口附近基本沉积完了，不会再向下游移动。正是这个原因，谷口附近颗粒变化剧烈，比降变化也大。在谷内还是10个万分点，在洛阳不到100公里的河段上，就下降到了3个万分点以下。从潼关以上下来的泥沙，其中较大的颗粒，在孟津以下河道中淤积，较小的颗粒才能进入大海。
对于潼关以上河道来讲，能够进入潼关并被排走的泥沙颗粒都是细小颗粒，同样的颗粒，在潼关至洛阳河段，都是“悬疑质”，不可能淤积。过了孟津，这些颗粒从大到小，逐渐变成推移质，直至床构质。
黄河的大部分泥沙是从潼关以上下来的，潼关至孟津之间侵蚀下来的泥沙很少，能在孟津以上淤积的泥沙更少，所以，历史上，自然决口大部分发生在孟津以下。那么为什么更下游的山东段决口比较少，却经常发生在花园口附近的呢？原因就是在泥沙组成中，能在河南段淤积的粗沙太多。并非是王渭泾所说的：“由于泥沙输移的惯性影响”。从理论上讲，这些泥沙只能堆积在比降为2附近，不能移动到更小的比降区。
2.1.3其他因素
另外一些人为的因素不得不考虑，由于黄河有厚厚的覆盖层，泥沙混杂，从工程材料上讲，质量很差，加上河道较窄，采砂容易危及大堤，我们必须控制采沙，总的采砂量小。而长江却不同，其本身覆盖层薄，后期中水又能对其充分筛选，优质河砂就在表层。长江上现在有成千上万的挖沙船，这些挖沙船都是真对着粗沙，它们从干流挖到支流，许多地方已经把几百年前淤积的泥沙都给挖走了，加上三峡以及众多支流上水库的拦截，长江中的粗纱已经入不敷出，个别河段河床不但不会抬高，甚至可能要降低。
与黄河相比，长江的泥沙总量也不少，他的河床抬高缓慢其河道宽容沙量大的原因，更有中游大量的湖泊有关。你想想，号称千湖之省的湖北，现在还有多少湖泊？这都是长江的泥沙淤积的结果。其中洞庭湖的作用特别大，现在的它仍处于地质沉降阶段，每年的洪水期，它拦截了大量的泥沙，特别是粗沙，只要从四口（现在剩下3口）排出长江，可能永远也不会再回到长江中来。而长江所携带的粗沙并不多，大部分是细小的颗粒，虽然它的狭义河床也一直在抬高，但它的江面宽，河口延伸效应极小，其抬升速度相当缓慢，与黄河相比，已经不在一个数量级。
狭义河床抬高的2个因素是自然形成的。长期以来，我们把这2个原因归结为泥沙过多这一个原因，虽然不能说是错误的，但没有充分考虑泥沙颗粒大小，使得对问题的分析不够清晰。对于具体问题，可能出现主次不分，甚至得出是错误结论。比如，在黄河的控导工程中，个别工程采取尾部使用暗坝，以期把主流推向对岸，减小控导工程尾部的冲刷，就是一个典型错误。这种暗坝实际上把粗沙推向对岸，工程的下首不能得到粗沙的及时补充，更容易被冲刷，河道的主流不但不会被推向对岸，反而使主流不能离开此岸，很难达到预想的效果。
要解决黄河泥沙造成的危害，我们必须从上述的2个自然因素入手，找出解决问题的方法。我们经过几十年的努力，投入了大量的人力物力，收效甚微，原因就是没有找到问题的关键。现在我们清楚了泥沙各自的特点，有的放矢，针对不同情况加以整治，（落脚点应该是加以合理利用，）会得到事半功倍的效果

举报/Report

我的更多文章

下载客户端阅读体验更佳