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黄河2017年“揭河底”现象原因剖析

责任编辑:范江涛 来源:

  “揭河底”现象是指在黄河小北干流河段,当高含沙洪水通过时,河床淤积物从河底被揭掀而起,成块、成片地露出水面,面积可达几平方米甚至几十平方米,然后在短时间内破碎、坍落,被水流冲散带走,河床在短时间内被冲刷几米甚至近十米。

  由于“揭河底”现象的形成条件比较特殊,能真正目睹的人很少,素有“黄河百年奇观”之称。据统计,1950年以来黄河小北干流共发生了13次“揭河底”现象,均为在高含沙洪水下发生的。与之前龙门水文站的水沙对比情况表明,1985年以来,小北干流汛期来水量和来沙量都减少过半,特别是汛期的水量、沙量发生锐减。一定程度上表明黄河中游洪水量级有所减弱,高含沙洪水发生的概率大幅减少。可以预见小北干流“揭河底”发生的频率也会大幅度减少,这一现象或将真正成为黄河百年奇观。因此,此次获得的“揭河底”影像资料以及围绕这一问题开展的研究就显得弥足珍贵。

“揭河底”现象发生的前提条件

  通过对黄河及其支流发生“揭河底”现象的实测资料研究,认为“揭河底”现象发生应具备两个前提条件:其一是河床呈明显的层理淤积结构特征,存在着具有一定强度的成块(成层)的胶泥层沉积,且下面有胶结强度极低的散粒体淤积物;其二是揭底河段发生一定的洪水过程,水流能量达到揭掀条件。

  河床层理淤积特征形成原因:与黄河中游地区特殊的气象水文、暴雨洪水特性以及黄土高原特殊的下垫面条件相关。即细泥沙来源区的洪水历时长,极细沙颗粒含量较高。相反,粗泥沙支流来的洪水峰型尖瘦,历时短、泥沙粒径粗,相应的极细沙颗粒含量较低。细泥沙来源区的洪水,由于极细沙的存在,增强了泥沙在沿程淤积过程中的絮凝作用,使得在泥沙沉降过程中,细泥沙颗粒在絮凝作用下首先连结成絮团,絮团与絮团再逐步连结成集合体,集合体甚至还会搭接而形成网架,形成一个高蜂窝状结构,进而在逐步沉淀、压密过程中形成不同尺度的胶泥块;而粗泥沙来源区的洪水,由于极细沙含量少,形成絮凝沉降的概率低,而相应的粗泥沙在沉降过程中,包围或覆盖在胶泥块(层)上,形成人们常言说的“透镜体”淤积形态。正是在不同粗细泥沙来源区洪水交替淤积作用下,逐步形成了河床层理淤积分布特征。

  胶泥块“揭而不散”的力学原因:基于小北干流“揭河底”河段多点多组次的河床淤积物取样,对土样重塑后进行了系统的土力学实验,发现胶泥块的抗剪强度随含水率的增大呈减小趋势,减小的速率随泥沙粒径的增大而逐渐放缓。对于极细沙组成的胶泥块,在一定的含水率下,其胶结强度大部分位于临界破坏线以上,胶泥块就以整块的形式被揭起。

  综合不同河段“揭河底”发生的条件,其流量变化范围为564~14500立方米每秒,含沙量变化范围为98.6~933千克每立方米,小北干流引洪放淤输沙渠和小浪底库区的“揭河底”现象表明,河床底部的胶泥层沉积并不需要太长时间,只要其沉积强度达到一定量级即可。由于形成的河底胶泥块有大有小,厚薄不一,形态各异;“揭河底”冲刷既不等同于高含沙洪水作用下河床的一般冲刷,也不能仅限于我们常见的典型表现形式。因此,可将“揭河底”现象的概念予以拓展:认为在一定水流和河床边界条件下,河床上沉积的淤积物只要以成块的形式被水流揭起,脱离河底的现象都称之为“揭河底”现象,并在此基础上,将其分为三种形式,即一般表现形式(揭底并露出水面)、潜移表现形式(揭底未露出水面)、极端表现形式(全断面大规模揭底)。

  基于大量的“揭河底”观测资料分析,构建了“揭河底”冲刷的物理图形,可以将其概括为4个动态过程,即胶泥块沉积形成过程、胶泥块底部逐渐淘刷过程、胶泥块失稳揭出过程、胶泥块翻出水面后跌落过程。研究认为,在胶泥块底部遭受水流淘刷的过程中,胶泥块周围泥沙颗粒逐步进入水流、胶泥块发生悬空现象;进而,胶泥块表面、底面脉动压力波的传播速度出现明显的差异,胶泥块的表面与底面的脉动压力波传播会出现一个最大一个最小的对称现象,对胶泥块形成巨大的瞬时上举力,当上举力达到一定程度时,胶泥块将失稳从河底揭起。黄河水利科学研究院江恩慧、李军华基于瞬变流模型,建立了“揭河底”发生的临界判别条件,根据这一条件可知,“揭河底”位置处断面、平均流速越大、含沙量越大、河道比降越大越容易发生“揭河底”。

2017年洪水形成“揭河底”的原因剖析

  本次“揭河底”发生的原因有两点,一是洪水的含沙量大,二是揭底位置处的河道突然缩窄,河道断面流速增大。

  洪水前,榆林工程上游河势宽浅散乱,流速减小,为泥沙在该河段的落淤提供了天然的条件,而“揭河底”处河道突然缩窄,河道断面平均流速得到增加。洪水期间,河道的主流由榆林工程侧向河心滩摆动,造成“揭河底”位置处的流速较大,为“揭河底”现象的发生提供了前提条件。

  “揭河底”处上游2千米处还为宽浅散乱的游荡型河道,河宽约2~3千米,而“揭河底”发生的位置处河道突然缩窄,宽度约1千米,并且在“揭河底”发生的位置左侧的河道内存在一个河心滩,河心滩右侧河宽约500米,相当把“揭河底”断面处的河宽又缩窄了一半,河心滩左侧河宽约100米。“揭河底”发生时主流靠右边流的左侧,即河心滩附近;“揭河底”发生前,河面出现剧烈波动,沿着河道的长度约为100米,随后河道内出现多出泥块露出水面,时长约2分钟。

  由于合阳榆林工程河段缺少实测水沙资料,为此参考其上游龙门水位站和下游潼关水文站水沙资料进行内插。根据水位表现推求出的洪水传播时间,推测榆林工程发生“揭河底”冲刷的流量约为3800立方米每秒,含沙量约为110千克每立方米左右。我们统计了小北干流发生“揭河底”现象的河道比降都在万分之五以上,本次“揭河底”靠近黄淤59断面,该河段河道比降万分之五点一。利用近期(2003年、2010年)断面资料,结合今年汛期合阳榆林控导下延工程处险工水位(接近黄淤59断面),估算本次洪水最高水位(354.29米)时河道过洪面积为761平方米,可以推算出该河段洪水期断面流速为2.64米每秒。经验证,达到了“揭河底”现象发生临界条件。

“揭河底”冲刷应对对策

  近年来,随着黄河水沙的变化,“揭河底”现象发生的概率较以往有所降低,最近两次发生“揭河底”现象的时间就间隔了15年,也说明这一问题。然而,黄河中游仍有极端降雨发生的可能性,一旦在小北干流形成高含沙洪水,该河道仍有可能发生“揭河底”现象。

  “揭河底”冲刷后,淤滩刷槽,形成高滩深槽,有利于河道泄洪排沙,对河床调整起着重要作用,这是小北干流“揭河底”冲刷有利的一面。不过它更有两方面的不利影响,一是它容易造成河道主槽的摆动,增加了对河道整治工程的威胁,甚至坍塌或者垮坝,使防洪抢险的压力增大;二是河床携带的粗泥沙,进入了水库和下游河道,增加其泥沙淤积。

  “揭河底”洪水对库区和下游河道的减淤都非常不利。对“揭河底”险情,要坚持防备为先,防抢并举,工程措施和非工程措施相结合,有效防御和抢护险情,尽力减少灾害损失,保证工程安全。结合现有高含沙洪水水库调度模式,从减小黄河下游滩区淹没损失和泥沙资源利用角度,我们提出了“揭河底”洪水期三门峡与小浪底水库联合调度模式,即4000立方米每秒流量级以下和超过10000立方米每秒流量的大洪水,仍采用现行运用方式;对于4000~10000立方米每秒量级的中常高含沙洪水,则考虑下游滩区的安全需要,以不漫滩或少漫滩为主要目标,水库按控泄模式进行优化运用。通过“1977.8”和“1992.8”两种高含沙洪水的对比计算,该运用模式带来的社会经济效益巨大。这一研究可有效降低高含沙“揭河底”洪水对水库及河道危害,实现“揭河底”冲刷期水库与下游河道综合减淤的双赢。

结论与建议

  (1)2017年小北干流发生“揭河底”的主要原因,第一是洪水的含沙量大,龙门站大于200千克每立方米;第二是“揭河底”位置河道突然缩窄,河道断面平均流速大,达到2.64米每秒;第三是小北干流揭底河道比降前期得到调整,达到万分之五以上。

  (2)通过本次推测“揭河底”断面处的水沙条件,验算了前期提出“揭河底”发生的临界判别条件,结果表明能够较好地对“揭河底”现象进行判别。

  (3)“揭河底”与一般洪水相比,河床短时间内发生剧烈冲刷,若“揭河底”发生的位置正好在工程附近,工程容易发生边坡失稳出险,甚至发生墩蛰险情。因此,汛前应加对工程的巡查,若工程前有胶泥块的可进行提前清除或破坏。同时,在小北干流工程规划和设计时,应适当加大工程的根石边坡坡度。

  (4)“揭河底”洪水一定程度上增加了库区和下游河道淤积,对于4000~10000立方米每秒量级的中常高含沙洪水,从减小黄河下游滩区淹没损失和泥沙资源利用角度,以不漫滩或少漫滩为主要目标,水库按控泄模式进行优化运用。

  (5)随着黄河水沙的变化,小北干流发生“揭河底”的概率也有所减少,获取的“揭河底”资料十分珍贵。建议在小北干流两岸河道工程处适当布置一些摄像设备,在汛期对河道工程险情监控的同时也可以加大“揭河底”的观测。同时,高含沙洪水期间,建议河务部门加大小北干流河道工程巡查密度,加强“揭河底”现象的观测。

  (作者简介:李军华,黄河水利科学研究院高级工程师,主要从事河流泥沙研究


发布时间:2017年09月05日
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