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黄河下游河床萎缩过程中畸形河湾的形成机理
摘要:80年代中期以来,进入黄河下游河道的流量大幅度减小,河道发生萎缩,并且频繁断流,使游荡河道的一些河段发育了畸形河湾。游荡段的畸湾是冲积性河湾受到节点限制的情况下,由于流量减小导致湾道进行自我调整的过程中出现的一种特殊现象,反映改变了的水流条件与原有人为工程条件不相适应而出现的一种剧烈的河势调整和河床形态调整。畸湾的发育使弯曲系数增大,河段比降减小,故流速减慢,因而在同流量下水位壅高;畸湾还常常导致横河、斜河现象的出现,使防洪面临很大的压力。对于这种现象进行深入研究并进而找到可行的对策,在治黄上具有十分重要的理论意义和工程意义。
关键词:畸形河湾河道萎缩河床调整防洪黄河下游
1 问题的提出
畸形河湾是一种变形的、过渡弯曲的河湾形态,它常常是在某种局部存在的抗冲性边界条件的控制下形成的。例如,当河岸沉积剖面中的粘土透镜体受到冲刷而出露,便会形成这种特殊的节点,一般称为“胶泥嘴”。如果这种节点恰好位于凹岸弯顶受到水流顶冲之处,河湾的自然下移便会受到阻碍。由于此点以上的河湾仍然可以向下移动,整个河湾形态就会发生扭曲,导致畸形河湾的形成。黄河下游依次可以分为游荡段、过渡段和弯曲段。据胡一三等研究,其中的过渡段在1966年开展重点河段河道整治以前,曾经多次形成畸形河弯,并发生自然裁弯现象。通过对4个畸形河湾发育过程的研究,他们认为河道边界中出露的耐冲粘土层(胶泥嘴)在畸形河湾的形成中期起着重要的作用[1]。然而,在游荡段尚未见到过畸形河湾形成的报道。
80年代中期以来,黄河流域气候偏旱,加上随着国民经济的高速增长,人类用水量激增,使进入下游河道的流量大幅度减小(图1)。因而河道发生萎缩,并且频繁断流,使河床演变出现了许多前所未有的新问题。小浪底水库修建后,下游河道维持小流量的问题不会从根本上缓解。因此,除了一般情形下游荡河道水库下游河型的变化之外,还会出现很多特殊的河床调整现象。80年代以来在下游游荡段出现的畸形河湾(即畸湾)现象即是其中之一。小浪底水库修建以后,随着河道游荡性在一定时期内减弱,畸湾现象可能会表现得更为明显,出现的机率也会增高。畸湾是一种对黄河下游的防洪极为不利的河床调整现象,只有在认识其形成机理的前提下才能找到防治对策。因此,我们对河床萎缩过程中畸湾形成的机理进行了分析。
2 畸形河湾发育的一般图形
畸形河湾是在水沙条件变化之后河床形态剧烈调整过程中出现的。在这一过程中,如果河湾形态受到某些特殊边界条件(例如河岸节点)的限制,则可能会发生畸形河湾现象。
流量减小有利于游荡河型向弯曲河型转化
图1 1986~1994年间黄河下游各级流量的年平均历时随时间的变化(图中数字为流量m3/s)
Temporal variation in duration of different discharge in the Lower Yellow River in 1986~1994. The figures besides the curves denote the discharge in m3/s
图2 区分河型的比降-流量关系
Relationship between slope and bankfull discharge (after Leopold and Wolman[2] and Chien and Zhou[3])
黄河下游花园口至高村河段具有典型的游荡河型,但局部河段受人工节点如堤防险工和滩地控导工程的影响,游荡性较弱。80年代中期以来黄河下游水量大幅度减少,中水、小水流量的历时大大增加,大流量出现的频率减小(图1),使游荡段中原来受节点控制而较为稳定的河段有向弯曲河型转化的趋势。这一结论可以由著名Leopod-Wolman关系[2](图2)导出。该图表明,在比降一定而流量减小时,原来位于游荡河型区但却接近游荡-弯曲临界直线的点子,可能向左方平行移动而进入弯曲河型区。这是由于比降的调整需要相当长一段时间中,可以认为比降保持为下移动,仍位于弯曲河型区内。
研究表明,黄河下游游荡段的不少河段,近年来都有向单一弯曲型转化的趋势,其原因就在于此。
河湾的尺度与流量的关系
前人的研究表明,弯曲河流的河湾尺度与流量之间存着某种函数关系[3,4]
Lm=
(1)
Lm=12B
(2)
R=3B
(3)
这里Lm为河湾跨度,R为河湾半径,B为河宽,Qb为平滩流量。Lm和R的定义见图3。
由式(1)、(2)、(3)可得
R=
(4)
前人研究还表明,曲流带的宽度Bm也与平滩流量Qb成正相关[5]
图3 弯道形态指标的定义
Definition of indices d