河床形態要素
對河床演變有影響的各種河床形態的統稱。包括平面放寬、束窄、彎曲、洲灘沖淤和移動、河岸崩塌;局部形態如凸嘴、磯頭、倒套、人工建築物;地質條件、河岸、河底的相對可動性等。研究河床形態要素及其變化規律,是河床演變分析的重要方面。
河床變形計算
運用數學模式對河床變形的過程進行的計算。如水庫淤積、裁彎取直、壩下沖刷、引河沖刷、整治後變化等的計算。有縱向變形計算、細部變形計算、變形極限狀態估算等幾方面。一般根據水流連續方程、水流運動方程和泥沙連續方程等,求得河床時空變化的數值。
河床形體斷面分類
良好的河床形態,至少應包括4層含義:良好的主槽斷面形態,足夠大的河床橫斷面面積,可接受的灘地橫比降和動態穩定的河口海岸線。
河床橫斷
採用最大排蓄洪水能力作為反映河道橫斷面形態的綜合參數。黃河下游洪水具有洪峰高、歷時短、含沙量大、陡漲陡落的特點,因此,要保障防洪安全,必須有足夠大的洪水調蓄空間與之相適應。有實測資料以來,花園口出現的最大洪水洪峰流量為22300立方米每秒,12日洪量為8.85億立方米(1958年);另據史料推算,花園口歷史最大洪水的洪峰流量為330m方米每秒,12日洪量136億立方米(1843年)。幾十年來,黃河下游堤防一直按“防禦花園口洪峰流量22000立方米每秒堤防不決口”設防,經新中國成立以來4次大規模加固加高,下游堤防已基本滿足要求。近30多年來,黃河中游的水土保持工程和水庫等使中游的中常洪水發生頻率降低,但大洪水和特大洪水的發生頻率並沒有變化。綜合考慮未來洪水形勢、防洪安瀾對社會穩定和國民經濟發展的極端重要性、21世紀經濟社會奔小康對防洪提出的更高要求等,應繼續將“防禦花園口2200立方米每秒洪水”作為下游堤防的防洪標準。黃河寧蒙河段按20~50年一遇設防,相應的洪峰流量為5600~5900立方米每秒,此即可作為該河段洪水排蓄能力的要求。
主槽橫斷
採用平灘流量作為反映主槽橫斷面形態的綜合參數。流量是決定水流輸沙或沖刷效率的主要因素,故需論證在非漫灘情況下具有最優輸沙或沖刷效率的洪水量級,並以此作為選擇目標平灘流量的依據。關於最優輸沙效率的洪水量級,通過分析1974~1990年168場洪水的輸沙效率,認為流量3500立方米每秒左右、含沙量75公斤每立方米左右的非漫灘洪水是最適宜的高輸沙效率洪水。考慮1986年以來的水沙情況變化,本書進一步分析流量與輸沙效率(排沙比)的關係可見:隨流量的增加,輸沙效率呈增加之勢,但平灘流量3500立方米每秒時,水流在基本平槽狀態運行時輸沙效率和沖刷效率都基本達到較優值,之後效率隨流量増加而增加的趨勢不明顯。在水資源緊缺、而未來平灘流量的可能恢複目標與該流量級相差不大的情況下,取該流量級作為平灘流量的低限目標是較優選擇。
河床縱橫
比降多沙河流一般都存在一定程度的河床橫比降。但因歷史上黃河下游主流頻繁擺動,故橫比降不明顯。近30多年來,由於主流擺動範圍被限制、灘區糙率加大、洪水漫灘幾率和程度減少、洪水含沙量增大等因素,使主槽和灘唇落淤比例加大,導致灘地橫比降增加。未來,由於控導主流仍十分必要、灘區民眾生存和發展條件必須兼顧,人們只能接受定程度的灘地橫比降。可接受的灘地橫比降不僅與堤防的抗沖能力有關,也與灘地糙率有關。下游主槽糙率一般為0.012-0.016,灘區(不包括嫩灘)糙率一般為0.03-0.035,據謝才公式推算,灘地的臨界橫比降一般可達其縱比降69倍。然而,下游發生橫河和斜河往往因灘地串溝所致,串溝糙率遠小於灘地平均糙率,一般為主槽糙率的2倍以內,故其臨界橫比降小於其縱比降的4倍。因此,要保障防洪安全,灘地橫比降應控制在相應河段縱比降的4倍以內。河床縱比降變緩將降低水流速度、減少其塑槽和挾沙能力,因此要維持下游主槽不萎縮,必須通過控制河口流路延伸減緩縱比降變緩速度。在小浪底水庫攔沙初期,進入下游的年來沙量僅5億~6億噸,進入河口的泥沙量僅4億5億噸,因此控制河口流路延伸的速度是可能的。但如果下游年來沙量重新恢復到7億-10億噸水平,遏制流路延伸將十分困難,只能通過改變入海流路減緩延伸速度。
