system: [SYSTEM]

user: 3. 平原冲积河流的演变与治理 河流的自然属性是输水输沙，把流域降水所产生的水沙径流输送到海洋。河床演变是来水来沙与河床边界相互作用的过程，主要反映在河床的平面形态变化和纵向冲淤变化两方面。 3.1. 河床的平面形态变化 平原河流河床为床沙组成，河床的侧向边界有软硬之分，软边界是可冲动的，由水流的冲积物等松散物质构成；硬边界为不可冲动的，由山脚或防护建筑物等硬物质构成。河床的平面形态变化，取决于来水来沙与河床边界相互作用时的强弱对比关系，来水来沙是造床的主动作用因素，河床边界起被动的反作用，并对水流产生一定程度的约束和导向，侧向硬边界只在河床底部发生冲淤变化，当流量不变时，其对水流的约束导向作用是基本不变的；侧向软边界，当水流的衝击作用强于边界的抵御能力时，边界的形式将发生变化，其对水流的约束导向作用也会相应发生变化 [ 4 ]，当变化的程度超过可适应的范围以后，将引起河势流路和河床平面形态的变化。水流对河床的作用随流量的大小、含沙量的多少以及河床形态等因素而变化。河床水流的一般特性是小水行弯，大水趋直，水流动力轴线的走向取决于惯性动量ρVQ (ρ为水流的密度，V为流速，Q为流量)与边界阻抗的强弱对比关系。平原河流一般是流速随流量的增大而增大，因此，惯性动量随流量的增大而显著增大，惯性动量大则水流克服边界阻力保持水流原有流动方向的能力强，动力轴线的弯曲半径大；流量小则惯性动量明显减小。水流克服边界阻力保持水流原有流动方向的能力弱，容易发生弯曲，加之横向环流的影响，动力轴线的弯曲半径小。在制订河道治导线和整治工程布置中必须考虑水流的此种特性 [ 5 ]。 3.2. 河床的冲淤变化 河床的冲淤变化取决于来水的含沙量与水流挟沙能力的对比关系。挟沙能力(有一定的变化范围)大于含沙量则河床发生冲刷，反之则河床发生淤积。影响水流挟沙能力的因素十分复杂，当前实际应用较多的挟沙能力公式有下列3式： 改进的张瑞瑾公式 [ 6 ] S ∗ = 0.89 ( r m r s − r m v 3 g h ω m ) 0.742 ( h D 50 ) 0.167 (3-1) 韩其为公式 [ 7 ] S ∗ = 0.0803 K J 1.192 Q 0.376 ω 0.92 n 2.38 (3-2) 张红武公式 [ 8 ] S ∗ = 2.5 ( ( 0.0022 + s v ) v 3 k r s − r m r m g h ω m − ln ( h D 50 ) ) 0.62 (3-3) 式中：S * 为挟沙能力；γ s 、γ m 分别为泥沙和浑水的重率；v为流速；g为重力加速度；ω m 为泥沙在浑水中的沉速；n为糙率；J为比降；Q为流量；D 50 为床沙中值粒径；K为系数；ω为悬沙平均沉速。式中的系数指数都是用黄河的实测资料率定的。 由于泥沙的重率远大于水，所以泥沙要下沉。水流能挟带泥沙的根本动力是水流的紊动，因为水流向上向下的紊动流速是相等的，所以悬沙浓度的垂线分布必须是上小下大。只有这样，才能形成向上紊速上举的泥沙多于向下紊速下推的泥沙，其差值是构成水流挟沙能力的基本因素，此差值主要源于水流的紊动强度和悬沙浓度垂线分布梯度。泥沙越粗，沉速越大，要求水流的紊动强度和悬沙浓度垂线分布梯度均大，才能保持悬浮状态。泥沙越细，沉速越小，则要求水流的紊动强度和悬沙浓度垂线分布梯度较小，即可保持悬浮状态。冲泻质泥沙的浓度垂线分布梯度几乎为零。水流的挟沙能力，从某种意义上理解，就是水流挟带床沙质泥沙的数量，在重力、紊动力、浮力、粘滞力和水流冲击力等力的共同作用下，在一个时段内，河床在冲淤交替变化中，总体上冲淤量为零，既悬移质泥沙平均沉速为零。水流运动的基本能率是r m QJ，水流挟带泥沙所消耗的能量也包括其中，若水流挟带了冲泻质泥沙，r m 增大，不但增加了水流的能量，也增加了水流中阻抗泥沙下沉的浮力和粘滞力，冲泻质随水流运动，基本不下沉，几乎不消耗水流的能量，从而较大的增加水流挟带床沙质泥沙的能力。(顺便讨论一下对冲泻质定义的一种观点，认为冲泻质泥沙的沉速ω = vJ，泥沙就不下沉了，这样来定义冲泻质是不妥当的，因为vJ是水流相对于空间，而ω是水中的悬沙相对于水流，如果ω = vJ，在水中的悬沙还是要下沉的，只有ω = 0，悬沙才一直悬浮在水中)。nω m 是水流运动的阻力和负载，是降低挟沙能力的主要因素。n代表河床的综合糙率，是消耗水流能量最重要，最基本的因素 [ 5 ]。因此，可以用下式来定性表示挟沙能力的基本关系： S ∗ = f ( r m Q J n ω m ) (3-4) 式中各因素用什么形式的物理量和什么样的函数关系来表征，各家在公式推导过程中有所区别，但都符合上述基本关系。由于河流形态，泥沙的级配及温度等许多因素均对水流的挟沙能力有影响，故所有公式的部分系数指数都需要用所应用河流本身和同类型河流的实测资料来率定。平衡输沙要求各河段的输沙能力与来沙量一致，也就是来水的含沙量与河道的挟沙能力相等。因此，首先要加强流域地区的水土保持工作，减少进入河流的沙量，减少的程度以维持河口地区海岸线稳定，河道平衡输沙以及有利于改善流域地区的生态环境为基本标准。河道整治的目标就是依据河床演变规律，采取各种措施，形成一个有利于防洪、航运、引水、生态环境、水生物繁殖等各项水利事业的河床形态，并长期基本保持主槽稳定和纵向平衡输沙 [ 9 ]。 3.3. 江河与流域共同治理 江河的治理必须与产生江河水沙的流域一起治理，才能取得更好的成效。流域的水土保持工作，既保护了当地的水土，改善了生态环境，有利于当地人民的生活和发展生产，对江河的开发治理更是非常有利。对于少沙河流，减少了进入长江的泥沙，就减少了三峡等水库的淤积量及对重庆港的影响，对整个长江航道的畅通也是有益的；对于多沙河流，效益更为巨大，由于中上游黄土高原进入黄河沙量的大幅度减少，不仅减轻了小浪底等水库的淤积，而且彻底解决了黄河下游持续淤积的难题，加上小浪底、三门峡等水库的调洪拦沙、调水调沙作用，下游河道已由持续淤积转为冲刷造床并向平衡输沙方向演变，为根治黄河创造了最重要的前提，可以把游荡型河道整治成较稳定的弯曲型河道，实现全面根治黄河的目标 [ 10 ]。 3.4. 修正水沙资料提高预测的准确性 流域治理的成果需要通过修正水沙资料才能在江河治理中体现出来。水沙资料是江河开发治理的基本依据。江河的治理规划主要是根据江河的水沙等自然条件和社会需求等因素，采取各种措施，在保障防洪(防淩)安全的基础上，持续，充分，全面地发挥江河的各种效益。因此，规划所依据的水沙资料必须尽可能接近未来实际出现的情况，否则，规划将发生错误并出现各种问题，造成损失。从流域进入河流的水沙过程是流域内降水与下垫面互相作用的结果，当下垫面发生巨大变化后，遭遇与过去同样的降水，将产生与过去不同的水沙过程，其变化的程度与下垫面的变化程度相对应 [ 11 ] [ 12 ]。 Table 1 Variation of water and sediment quantities on the national main rivers in recent year 河流 代表水文站 1950~2000 2003~2017 2003~2017/1950~2000 W W S S W W S S W W S S 长江 大通 9051 43300 0.478 8635.1 13730.7 0.159 0.954 0.317 0.332 黄河 潼关 364.7 118500 32.49 237.17 21468.7 9.052 0.65 0.181 0.279 淮河 蚌埠 + 临沂 285.4 1241 0.435 287.86 395.84 0.138 1.009 0.319 0.316 海河 4站 + 2站* 16.904 2060 12.19 6.4317 43.322 0.674 0.38 0.021 0.055 珠江 高要 + 石角 + 博罗 2864 7990 0.279 2702.5 2584.93 0.096 0.944 0.324 0.343 松花江 佳木斯 675.2 1270 0.188 526.32 1079.67 0.205 0.78 0.85 1.091 辽河 铁岭 + 新民 35.02 1868 5.334 22.209 144.1 0.649 0.634 0.077 0.122 钱塘江 兰溪 + 诸暨 + 花山 202.7 292.3 0.144 210.58 291.74 0.139 1.039 0.998 0.961 闽江 竹岐 + 永泰 577.1 695.7 0.121 576.47 289.6 0.05 0.999 0.416 0.417 塔里木河 阿拉尔 + 焉耆 72.75 2403.9 3.304 71.111 1475.07 2.074 0.977 0.614 0.628 表1. 全国主要江河近年水沙量变化 注：W为年水量亿m 3 ；W s 为年沙量万t；S为年平均含沙量kg/m 3 。 *4站为石匣里、响水堡、张家坟、下会，2006年以后加观台、元村集2站。 表1列出了全国主要江河近年水沙量的变化，长江大通站沙量减少是流域下垫面的变化和干支流已建水库拦沙共同作用的结果，而黄河潼关站沙量减少的原因主要是流域下垫面的变化。我国已进入绿色发展的新时代，山变青、水变绿是总的变化趋势。因此，前期观测的水沙资料已不再具有可重现的性质，用来预测未来的水沙条件时，必须根据未来下垫面的变化情况并考虑到终期的变化结果，对前期观测的水沙资料进行动态的修正，修正后的水沙资料才能作为江河治理规划，工程设计和管理运用的依据 [ 2 ] [ 3 ]。大江大河的流域面积辽阔广大，情况复杂，已有的观测资料，难以全面描述过去所发生的大暴雨及其降落地区下垫面的状况，不确定的因素较多，修正水沙资料时，在充分考虑各种影响因素的基础上计算出预测值，同时，要给出一个变化范围，采用的方案需对此范围内的变化都能适应。