[科普中国]-河床形态断面

河床形态断面为计算河床流量所依据的河流横断面。形态断面应选在近似于均匀流的河段上,一般要求河道顺直水流畅通,河床稳定,河滩较小,河滩与河槽的洪水流向一致,并且无河湾、河汊、沙洲等阻塞水流的现象。一般在桥位的上、下游各选一个,并于桥位断面之间,应无支流汇入,又无分流或水现象。符合条件的桥位断面,也可作为形态断面使用,形态断面必须垂直于洪水流向进行断面测量,绘制河流横断面图。1

河床形态要素对河床演变有影响的各种河床形态的统称。包括平面放宽、束窄、弯曲、洲滩冲淤和移动、河岸崩塌;局部形态如凸嘴、矶头、倒套、人工建筑物;地质条件、河岸、河底的相对可动性等。研究河床形态要素及其变化规律,是河床演变分析的重要方面。2

河床变形计算运用数学模式对河床变形的过程进行的计算。如水库淤积、裁弯取直、坝下冲刷、引河冲刷、整治后变化等的计算。有纵向变形计算、细部变形计算、变形极限状态估算等几方面。一般根据水流连续方程、水流运动方程和泥沙连续方程等,求得河床时空变化的数值。2

河床形体断面分类良好的河床形态,至少应包括4层含义:良好的主槽断面形态,足够大的河床横断面面积,可接受的滩地横比降和动态稳定的河口海岸线。

河床横断采用最大排蓄洪水能力作为反映河道横断面形态的综合参数。黄河下游洪水具有洪峰高、历时短、含沙量大、陡涨陡落的特点,因此,要保障防洪安全,必须有足够大的洪水调蓄空间与之相适应。有实测资料以来,花园口出现的最大洪水洪峰流量为22300立方米每秒,12日洪量为8.85亿立方米(1958年);另据史料推算,花园口历史最大洪水的洪峰流量为330m方米每秒,12日洪量136亿立方米(1843年)。几十年来,黄河下游堤防一直按“防御花园口洪峰流量22000立方米每秒堤防不决口”设防,经新中国成立以来4次大规模加固加高,下游堤防已基本满足要求。近30多年来,黄河中游的水土保持工程和水库等使中游的中常洪水发生频率降低,但大洪水和特大洪水的发生频率并没有变化。综合考虑未来洪水形势、防洪安澜对社会稳定和国民经济发展的极端重要性、21世纪经济社会奔小康对防洪提出的更高要求等,应继续将“防御花园口2200立方米每秒洪水”作为下游堤防的防洪标准。黄河宁蒙河段按20~50年一遇设防,相应的洪峰流量为5600~5900立方米每秒,此即可作为该河段洪水排蓄能力的要求。3

主槽横断采用平滩流量作为反映主槽横断面形态的综合参数。流量是决定水流输沙或冲刷效率的主要因素,故需论证在非漫滩情况下具有最优输沙或冲刷效率的洪水量级,并以此作为选择目标平滩流量的依据。关于最优输沙效率的洪水量级,通过分析1974~1990年168场洪水的输沙效率,认为流量3500立方米每秒左右、含沙量75公斤每立方米左右的非漫滩洪水是最适宜的高输沙效率洪水。考虑1986年以来的水沙情况变化,本书进一步分析流量与输沙效率(排沙比)的关系可见:随流量的增加,输沙效率呈增加之势,但平滩流量3500立方米每秒时,水流在基本平槽状态运行时输沙效率和冲刷效率都基本达到较优值,之后效率随流量増加而增加的趋势不明显。在水资源紧缺、而未来平滩流量的可能恢复目标与该流量级相差不大的情况下,取该流量级作为平滩流量的低限目标是较优选择。3

河床纵横比降多沙河流一般都存在一定程度的河床横比降。但因历史上黄河下游主流频繁摆动,故横比降不明显。近30多年来,由于主流摆动范围被限制、滩区糙率加大、洪水漫滩几率和程度减少、洪水含沙量增大等因素,使主槽和滩唇落淤比例加大,导致滩地横比降增加。未来,由于控导主流仍十分必要、滩区群众生存和发展条件必须兼顾,人们只能接受定程度的滩地横比降。可接受的滩地横比降不仅与堤防的抗冲能力有关,也与滩地糙率有关。下游主槽糙率一般为0.012-0.016,滩区(不包括嫩滩)糙率一般为0.03-0.035,据谢才公式推算,滩地的临界横比降一般可达其纵比降69倍。然而,下游发生横河和斜河往往因滩地串沟所致,串沟糙率远小于滩地平均糙率,一般为主槽糙率的2倍以内,故其临界横比降小于其纵比降的4倍。因此,要保障防洪安全,滩地横比降应控制在相应河段纵比降的4倍以内。河床纵比降变缓将降低水流速度、减少其塑槽和挟沙能力,因此要维持下游主槽不萎缩,必须通过控制河口流路延伸减缓纵比降变缓速度。在小浪底水库拦沙初期,进入下游的年来沙量仅5亿~6亿吨,进入河口的泥沙量仅4亿5亿吨,因此控制河口流路延伸的速度是可能的。但如果下游年来沙量重新恢复到7亿-10亿吨水平,遏制流路延伸将十分困难,只能通过改变入海流路减缓延伸速度。3

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学