1、河床枯萎疏浚淺論摘要：原有的疏浚概念多是指在淺灘等礙航河段的通航疏浚，或是河道部分清障，而疏浚技術開展到今天，作為長河道防洪減災的一種重要措施，必需賦予新的含義。本文結合近些年來我國北方河流出現的河床枯萎現象，分析了枯萎疏浚的根本原理及幾個關鍵技術問題，對于目前在黃河等枯萎河道上采用疏浚防洪有一定的參考價值。關鍵詞：河床枯萎防洪減災枯萎疏浚枯萎造床流量1前言近年來，隨著流域水資源開發利用程度的進步，河床枯萎現象日漸嚴重。自80年代后期，中國的第二大河黃河下游河道及河口段由于長期小水包括汛期小水淤積，汛期缺乏足夠的水流沖刷恢復，主槽逐漸萎縮，行洪才能銳減，形成了“小水大災的不利場面。尤其是汛期的

2、第一場洪水，往往水位異常高漲，帶來宏大的損失。1996年8月5日花園口站洪峰流量為76803/s，缺乏下游堤防防御流量的1/3，而沿河水位已接近設防標準，防洪形勢一度緊張。1998年7月16日花園口出現第一號洪峰，洪峰流量僅有47003/s，然而最高洪水位竟高達94.38，僅次于“96.8洪水。同處中國北方地區的遼河、海河及新沂河等河流下游尤其河口地區也遇到了類似的枯萎現象，即沒有足夠的水流動力沖槽，致使河道常年萎縮，行洪才能遠低于設計值，因此機械疏浚已作為防洪減災的一項重要措施被提上日程。疏浚作為一門古老的技術，在中國其年代可追溯到公元前數千年，而作為一門新興的科學Dredging，卻是伴隨

3、著歐美的航運事業開展起來的。目前在國外，美、日、德、荷蘭等國對于港口航道的疏浚已普遍采用大型高效挖泥船，我國在清淤固堤的長期理論中也積累了一定的經歷。現今的河道疏浚工程并不少見，所采用的方法也有很多，有水下疏浚，有干河疏浚、有依靠水力疏浚，也有采用爆破等手段疏浚，但這些方法多是限于部分排障，僅限于航道和港口的整治，而對于含沙量較高的河流，如何通過疏浚減緩枯萎，增加河道行洪才能那么缺乏指導性的理論和理論經歷。隨著河床枯萎現象的增多，枯萎疏浚的要求日益增加，這種矛盾就更加突出。2黃河下游河道枯萎特點及疏浚對策黃河下游河段，從鐵謝到河口，一般分成三段，即游蕩型河段、彎曲和過渡型河段及河口段。黃河下游

4、的游蕩型河段，如鐵謝陶城埠河段，主流線變化不定，沖淤變化非常強烈，枯萎后泥沙淤積分布在數千米的嫩灘上。對于這樣的河道，一方面挖槽不容易穩定，另一方面，即使挖槽不回淤，假如與河道主流線不相一致，也起不到增大行洪才能的作用。2000年后，小浪底水庫將在50年內對河南段河道產生沖刷作用，屆時河道形態也將會發生調整，因此在此河段不宜采用較大規模的疏浚，盲目投入，不僅效果甚微，還將會造成人力物力的極大浪費。但是我們同時也應看到，游蕩型河道存在著一些畸形的河灣，也存在“橫河、斜河的產生條件，如能配合上游的調水調沙工程和河道整治工程采用部分疏浚，因勢利導，調整河勢，就能一定程度上減少險情的發生。黃河下游的彎

5、曲和過渡型河道，如陶城埠漁洼河段，原有的斷面比擬窄深，枯萎后泥沙淤積集中在數百米的主槽內，洪水主流線集中，這樣通過一定方式和規模的機械疏浚，減少小水期的淤積，就有可能有效降低汛期行洪水位，增大河道過洪才能。此外，兩個河彎之間的過渡河段，由于環流作用減弱，水流挾沙才能較弱，枯萎最為嚴重。如梁集和大田樓斷面1994年與1986年相比，過水斷面面積分別減少16352和14002，減少比例56%和53%，從縱剖面來看，過渡段河底高程和行洪水位也較高，已起到部分侵蝕基面的作用。考慮到長河道疏浚的現實可操作性，短期內應將上述河段作為疏浚重點河段。黃河漁洼以下河口段的枯萎，主要受來水來沙條件、河口淤積延伸及

6、人工整治措施等因素的制約。人工整治屬于部分影響，淤積延伸屬于溯源影響，這些影響隨水力條件的不同時大時小，都有可能加速河槽枯萎的進程。但河口段的枯萎主要還是由于來水來沙產生的自上而下的萎縮過程。因此，僅僅是口門清淤，雖說在一定程度上降低了侵蝕基面，但并不能有效緩解黃河下游的防洪壓力。3河床枯萎疏浚設計流量枯萎疏浚必須選定某一設計流量，才能進一步確定挖槽尺度和規模。設計流量的選取，應可以保證河道在設計流量下不淤或少淤，從而在一定程度上維持汛前的挖槽尺寸，以減緩枯萎現象。筆者曾論證到，在枯萎的水文條件下，天然河道往往存在著兩種河相關系：一種是形成洪水河槽的河相關系，另一種是由于大洪水出現時機減少，長

7、期對河床起作用的是小水，因此出現的枯萎河相關系。枯萎河相關系致使河寬變孝主槽萎縮，洪水降臨時同流量水位增高，易造成災害。雖然接著河道可能會沖刷，但由于缺乏沖刷造床的持續洪水，枯萎的淤積是不能完全恢復的。因此，枯萎是一種不可逆過程。河道在總趨勢枯萎的過程中不斷重復“枯萎部分恢復再枯萎這個循環。形成枯萎和洪水相間的河相關系，是流域水沙條件發生變化所致。為了數學描繪的需要，我們必須在原有的洪水造床流量之外，再選擇一個代表流量叫作枯萎造床流量。圖1是以黃河艾山站19851994年實測水沙系列推求河道枯萎造床流量的計算成果。其中，Qi是分級流量，Si，Pi是根據實測資料統計的相對于Qi的含沙量和歷時權重

8、。QSP反映著輸沙才能，選擇與QSP極大值相對應的Q，有利于保持河槽不淤或緩淤。圖1出現兩個峰值，第一個在48003/s左右，這是我們常說的洪水造床流量。第二個在80012022/s左右，此時其對應的平均含沙量約為25kg/3。我們認為這就是枯萎造床流量，正是它作為一個有代表性的動力，塑造了艾山河段在枯萎時期的河相關系，故應將其作為艾山段疏浚設計流量。由于黃河下游沿程大量引水，所以流量沿程減小，因此必須對每個河段進展詳細分析，得出當地的疏浚設計流量。圖1黃河艾山站19851994實測系列的枯萎造床流量puteddinantdishargeundershrinkingnditinsusingda

9、taseriesf1985-1994atAishanStatin圖2疏浚河段開挖橫斷面圖DredginglineatatypialrsssetininthelerYellRiver轉貼于論文聯盟.ll.4斷面有效疏浚部位及疏浚角黃河下游過渡段河道斷面形態如圖2所示。經非汛期小水的長期作用，貼邊淤積嚴重，而且形成一個小水河槽。汛期大水過后，斷面近似一矩形河槽。說明汛期非汛期其水流動力軸線并不一致。為充分發揮挖槽在汛期降低行洪水位的作用，斷面有效疏浚部位應盡量與汛期水流最大動力軸線一致。筆者假想的疏浚開挖線如圖2所示。既然挖槽位置盡量與洪水主流位置接近，那么在枯水期必然發生變化，對于象黃河這樣一條

10、主流擺動頻繁顯著的河流來說，挖槽被淤廢的可能性極大。這就要求一方面挖槽必須選擇合理的疏浚時機、設計流量和挖槽尺寸，盡量減少挖槽在枯水期的淤積變形，另一方面，在必要的時候，須根據河道大、中、小水主流線的變化規律，配合必要的整治控導工程措施，以穩定挖槽平面位置。從縱向上來看，挖槽方向應盡量與主流特別是底流方向一致，這有利于泥沙的輸移。也有人主張挖槽方向與底流方向構成一定的交角，在挖槽內形成螺旋流，以利沖沙。原蘇聯學者列亞尼茲經過理論分析，并用某些小河及伏爾加河的實際資料分析證明，最小挖槽回淤發生在底流與挖槽軸線成某角時。BA培什金根據理論論證，也獲得了類似的結果。根據原蘇聯的一些成功挖槽的經歷，挖

11、槽內回淤量最小時=713。5挖槽橫斷面設計挖槽橫斷面一般設計成倒梯形，須確定的尺寸為深度、底寬、邊坡系數及槽底高程。邊坡系數取決于土壤在水下的安息角，對此已形成專門的疏浚土研究方向。至于槽底高程那么由開挖深度確定。所以主要是確定深度和寬度。在設計流量下，設u0、h0、B0、J0為疏浚前主槽內的平均流速、平均水深、水面寬度、水面比降，un、hn、Bn、Jn為疏浚后挖槽內相對應的數值。令hn/h0=a為相對疏浚深度；Bn/B0=b為相對疏浚寬度；un/u0=k為相對疏浚流速。列亞尼茲以曼寧公式和流量連續方程為根底，在一系列假定條件下推導得圖3挖槽示意圖Skethfdredgingk=(a2/3)/

12、(1-b+ba2/3)(1)根據原蘇聯一些成功挖槽的經歷，按下述范圍取值，挖槽內回淤量最校(2)然而，必須指出的是，目前在通航疏浚中現已廣泛應用的列氏公式僅是從進步挖槽內流速出發，對整個主槽的過水和輸沙才能是考慮較少的。因此，對于黃河這樣的多沙河流，公式是否適用尚需詳細分析。設疏浚后挖槽兩側的流速為u0，與u0之比為k。經過簡單推導可得下式k=u0/u0=k/a0.67(3)按列氏公式的取值k=0.790.73，這說明隨著挖槽內流速的增加，挖槽兩側的流速比原值有較大幅度的減少，對進步整個主槽的輸沙才能來說，這就意味著要產生一部分抵消作用。現以章丘屋子為例，根據1996年汛后資料，在設計流量12

13、022/s時，原主槽尺寸為4001.78，原主槽平均流速為1.67/s，輸沙率25kg/3。挖泥尺度設為a=1.8，b=0.2，那么按列氏公式計算結果un=1.86/s，u0=1.25/s。挖槽內流量為4803/s，即僅有大約1/3的流量輸沙才能增加，而剩下2/3的流量其輸沙才能反而有所減少。至于整個主槽的輸沙才能是大是小，還需要通過數學模型甚至河工模型進一步深化研究。文獻7根據一些運河的治理經歷，認為當把疏浚棄土堆放在邊灘位置，那么可以在一定條件下增加斷面輸沙才能。然而對于黃河下游主槽斷面來說，無論如何優化，小水淤積是不可防止的。但如能在汛前維持一定的挖槽尺寸，那么挖槽對于降低汛期第一場洪水

14、位的作用是毋庸置疑的。假如忽略挖槽后糙率和水面比降變化，用章丘屋子同一斷面的灘槽曼寧公式結合求解，按照如上挖槽尺寸，“96.8洪水可降低洪水位0.41，“98.7洪水可降低洪水位0.42。6結語1.對于黃河等枯萎河道來說，汛期已經沒有可造床洪水。同時由于同流量洪水位越來越高，單純靠加高堤防的手段，已不能解決目前的防洪新問題，因此，疏浚作為一項重要措施已被提上日程。2.河床枯萎的根本原因還是流域來水來沙條件的變化。因此，疏浚同樣是“治標不治本的措施。黃河下游主槽斷面，無論如何優化，小水淤積是不可防止的。但汛前疏浚，對于有效降低汛期第一場洪峰水位，即對防洪減災的作用是毋庸置疑的。在同樣的防洪效益下，可以與加高堤防措施進展經濟比擬。3.以前在黃河上的一些零散的疏浚工程，大多效果不佳。這不僅僅是由于工程規模小，其中還存在一個“科學治黃的問題。譬如，以往有些疏浚作業并非選擇汛前，時機不合理，以致疏浚的速度趕不上淤積的速度，可謂“事倍功半。長河道防洪疏浚，與原有的通航疏浚不同，是個嶄新的研究課題。本文僅是淺論，希望起到拋磚引玉的作用，從而最終用科學指導疏浚，緩解黃河下游的防洪壓力。參考文獻1明宗富編。疏浚工程學。武漢水利電力大學教材，1993.12.2費祥俊等