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案例研究:航道整治及其对黄河下游河道的影响
Baosheng Wu, M.ASCE; Guangqian Wang; Jiming Ma; and Ren Zhang
摘要
黄河下游50多年的航道整治实践，为河流的快速流动变化、淤积层和活动通道的迁移提供了宝贵的航道整治经验，对于了解高含沙量调节河流的河流过程具有重要意义。黄河下游河道的河道整治规划，通常包括一系列连续的中度弯道，代表着流动的自然趋势。导流工程，即丁坝，是在计划弯曲的凹岸上建造的，以保护河道免受冲刷和迁移，使水流偏离弯道，并进一步引导主气流从一个弯道转向下一个弯道。因此，良好规划的流动指导工作在限制渠道的转移和迁移以及建立一个相对稳定的渠道方面起着至关重要的作用。足够的流量指导工作，在两方面达到了大约80%的通道长度，可以改变过渡和辫状河道模式到一个狭窄的曲流模式。
关键词：航道稳定；航道改进；河道稳定；几何学；河流水力学：中国
1.简介
中国北部和东北部的黄河是中国的第二大河流，流域面积约为795,000平方公里。它源于中国西部的青藏高原山区，流经5464公里至中国东部的渤海。黄河流域被称为中华文明的摇篮，但在中国历史上也被称为“悲伤之河”。它的名字表明，黄河承载着大量的泥沙，源于黄土高原的土壤侵蚀。从1919年到1960年，三门峡平均每年有16亿吨的泥沙，平均浓度为36.8 kg/ m3，所以黄河是世界上泥沙含量最高的地区(YRCC 1998; Wu et al. 2004)。大部分的淤泥沉积在下游（25%）和河口（50%），只有大约25%的泥沙被运送到海里。河床由于沉积物沉积而不断上升，现在比周围的陆地高出10米，图1所示的“陆上河”的情况。当降水增加水位时，就会发生毁灭性的洪水，导致堤坝决堤。这个问题如今更加严重，因为黄河有非常活跃的通道，经常以一种随机的方式移动和快速迁移。在下游，从铁谢到海洋，河流被限制在华北平原上长达876km的防洪堤内(见图2)。纵观历史，许多河流管理工作都致力于改善堤岸河道的防洪能力。在当代，将控制河流的重点集中在改善河流整治是防洪系统的一个重要方面。除此之外，还增加和加固了海峡北部和南部河岸的1300公里堤坝。
黄河下游的治理策略是将洪水限制在河堤之间的冲积平原，利用航道整治工程内河主道来输送高含沙量，引导其远离堤坝，防止冲刷堤坝基础(Li et al. 2002)。最终的目标是逐步将上游从一个活跃辫状河道格局转变成一个封闭蜿蜒的格局。第一是上游流域水土保持项目不断减少下游输沙量，河道对减少泥沙供应的响应是降低河床淤积的速度，并减少由于超载导致的河道分支程度。第二沿河两岸修建的河道整治工程，可以增强河道极为松散的河道阻力，它主要由淤泥沉积物组成，限制了水平方向的渠道调整，并因此稳定了洪泛区中心的通道。
河道失稳不仅是防洪问题，也是水资源开发和环境保护的重点问题(Shields et al. 2003)。美国陆军工程兵团的工程手册（1110-2-1418）中描述到在防洪工程中可以发现潜在的沟道不稳定性和沉降效应。经苏里安和利纳迪（2003）验证，冲积河道对河道工程和管理的形态响应主要是侵蚀和缩小，但在某些情况下，通道图案的变化可能会将通道从辫状改为蜿蜒或单线程。过去的研究主要集中在大坝和其他人为扰动的影响上 (William and Wolman 1984; Collier et al. 2000; Simon et al. 2002)。然而，河道整治工程的效果却很少受到重视。本文描述了黄河下游的近50年来的河道整治实践和相关的河床演变，主要是平面变化。本文旨在总结黄河下游河道整治经验，了解河道整治对河道整治的影响。这对黄河下游河道工程的实际应用，特别是黄河下游河道整治的进一步完善具有重要意义。
图1黄河下游“悬河”示意图
2.航道整治工程
黄河下游通常划分为三个地貌不同的河段(Qian et al. 1993)，如图2。从铁谢到高村，上游有一个典型的辫状河道模式，其弯曲度低达1.15。它延伸了299公里的长度，主通道宽度在1和3.5公里。海峡两岸的泛滥平原非常广阔。堤之间的距离为5—20公里。河床坡度从上游0.000265变化到下游0.000172。渠道深度只有约2米。
从桃城铺到利津，下游长度为300公里，是一个定义良好、稳定的蜿蜒河段，平均弯度为1.21。平均沟道坡度为0.0001，堤间距离为0.45～5 km。与辫状河段相比，主航道窄窄深，宽300～800米，河段位于高村与桃城铺之间，长度165 km，平均断面1.33，呈辫状向蜿蜒过渡通道。平均渠道斜率为0.000115。堤间距离为1.4～8.5 km，主航道宽度为0.5～1.6 km。
黄河下游河道整治已有300多年的历史。最初的河道整治工程主要是在堤防的薄弱部位，在暴露于河道的情况下，进行过度冲刷。他们的主要目的是保护堤坝免于坍塌，而不是控制水流方向。旨在整治河道的河道整治工程，于1950在山东省桃城铺下游蜿蜒河段开始。在1949汛期（七月至十月），在花园口站进行了七次大洪水的测量。洪峰流量超过5000 m3/s（最大洪峰流量12300 m3/s），洪流引起了桃城浦下游河道的严重调整和迁移。水流冲击点在下游堤防河岸堤岸40多堤防防护工程中向下游长距离移动。干流甚至从九个堤防保护工程转移，并在没有历史上暴露于主流的堤坝上移动或直接撞击许多位置。因此，在这些洪灾期间，河道调整产生了许多新的危险点，威胁到堤防的安全。为了保护堤防，进行了约40昼夜（刘1994）的巨大的抗洪努力。为了避免这一被动局面，在1950春季，七个可渗透丁坝和六个防洪平原保护工程被建造，主要使用柳树。这些实验工作被称为流引导工程，证明在控制信道偏移方面起到了很好的作用。还发现，当一些工程作品一起工作时，他们给出了比单个项目更好的结果。
在1950河段河道整治第一次成功后，在1951春季，从土城子到葛家店的9公里河段得到了整治。这些导流工程在防止洪泛平原的退缩和控制河道弯曲的迁移方面更为成功。从那时起，河道整治的大规模河道整治已在蜿蜒河段开始。1958，河道整治基本上是并列的，随后河段成为密闭蜿蜒河段，河道输导、流向（罗、粤1983）控制良好。导流工程在1965—1974年间延伸至Gaocun至桃城铺的过渡段，河段主河道基本稳定。试验导流工程也在1973（刘1994）以后延伸至铁西至高村的辫状河段，并规划了更广泛的导流工程，并将在近期实施。
黄河下游河道整治工程根据结构位置可分为两类（Xu et al. 1987; Zhang and Xie 1993; Hu et al. 1998),如图3a。第一种类型是堤防防护工程，通常在堤防沿线和与堤坝相连的脆弱点上建造。它们的主要功能是保护堤防不被冲刷，它们的次要功能是调节水流。第二类是导流工程，它们是沿着洪泛平原的堤岸建造的。它们的主要功能是引导流经规划的河道排列，其次要功能是保护洪泛平原免受冲刷。为了有效地控制规划河道整治中的洪水流量，河流河段通常包括堤防防护工程和导流工程。如图3所示，已经应用了两种典型的信道对准方式来适应局部形态条件和信道调整趋势。第一个由一系列连续的弯曲半径大致相同的弯曲[图3（b）]组成。第二个弯道有一个笔直的弯道，在两个弯道之间长达5到10公里的直达范围[图3（c）]。
河道整治工程的工程结构由丁坝、高桩、短马刺和护岸组成。如表1所述，黄河下游共修建了9096条丁坝和短马刺（1997）。1998；胡1999）。323条河道整治工程，堤防134条，流量导流189条，全长647公里。几乎所有的河流整治工程都是在1950以后建造的。渡河过渡段已建成大量河道整治工程。其结果是，主通道在通道迁移方面得到了很好的调节。然而，黄河下游辫状河段的整治工作仍需进一步开展。
图2黄河地图：（a）黄河盆地和（下）黄河下游规划图
图3黄河下游河道整治工程的典型布置：（a）布置和概念；（b）连续弯道；（c）长急弯道
3.设计原则
河道整治的目的主要是防洪，适当考虑洪泛区的保护、航运和引水灌溉。河道整治工程的基本功能是稳定河道中洪流量。中等洪水流量的稳定通道不仅是控制正常和模拟洪水流量的必要途径，而且对控制低流量和高洪水流量有积极作用。用弯曲的弯道进行的航道对准与海浪线密切相关，并使流动的水在移动床上的自然趋势得以体现。导流工程通常建造在凹岸或自然或人工弯曲的外部，以保护通道不受进一步的冲刷和迁移，通过将主动电流从弯曲处偏转，并进一步引导主流从一个弯曲到下一个弯曲。黄河下游河道整治实践和理论的关键是“用丁坝来保护弯道，利用弯道导流”。一条稳定的稳定河道，不仅限制了河床冲流产生的新堤防脆弱点的发育，而且集中了主槽内的水流，有利于洪水和泥沙输移，也有利于推广。洪泛平原的沉积和主河道河床冲刷。集中流反过来可以使河床的上升最小，并改善沿横向交汇处泥沙淤积的横向分布，形成具有高洪泛平原和深主水道的横截面。
通道图案表示在水平面上的通道形状调整的模式，该模式是附加的，但与横向和纵向模式（Knighton 1998）连接。渠道形式是流与渠道边界相互作用的结果。当水流的冲刷能力超过堤岸材料的阻力时，可能发生密集的岸滩冲刷和河道移动。河道整治工程实质上改善了河岸的阻力，制约了河道横向调整，稳定了蜿蜒曲折的格局，或将辫状河道格局转变为封闭蜿蜒的格局。
黄河下游河道整治是在实践经验的基础上发展起来的。它自然是从蜿蜒河段开始的，河道相对稳定。河道整治工程是在该河段修建的，通过保护局部凹岸侵蚀，稳定了一系列弯道。过去的经验表明，当导流双方共同作用到河道长度的80%时，河道一般是稳定的。在凹坑或弯道外使用工程的基本原理与教科书和工程手册中的指导原则基本相同。（1987；理查德森等人。1990；Knighton 1998；朱利安2002）。然而，在黄河下游，导流工程从蜿蜒河段延伸到过渡河段，最后延伸到辫状河段，在其他河流中并不常见。
过渡段与曲流河段之间的相似性在于，既有蜿蜒的主航道，又有一系列交替蜿蜒的环路。对于辫状河段，虽然含水槽的总线形遵循或多或少的直线，但通常有一条水道是优势的和蜿蜒的，这可以通过河道整治工程来加强。因此，将曲流河段所采用的河道整治原则延伸到既有河段和辫状河段是合理的。考虑到编织范围的极高可蚀性，其整治更具挑战性。认为合理的导流量可以提高河道水流的固有趋势，从而使航道最终成为一个封闭的蜿蜒河道。
图4洪水泄洪宽度示意图
4.设计程序
河道整治工程设计的主要目的是确定培训工程平面布置。平面布置的设计过程包括三个步骤：（1）通道对齐方案；（2）确定整治结构的位置线；（3）确定整治结构的布置。
5.通道对齐
航道线形是河道整治后设计流量的总体布局。它通常由一系列彼此相邻的弯曲和直的通道段组成，通常由两条平行线表示在地图上。确定通道对准所需的重要设计参数包括设计流量、设计水位、设计通道宽度、泄洪宽度和描述河流弯曲的参数。这些参数主要是根据统计分析和实际经验确定的。
6.设计流量
由于整治工程的主要目的是调节中等洪水流量，因此，在设计河道排量和河道整治结构时，应采用主流量或库满流量作为设计流量QD。这是因为这一排放被假定为具有最高的输送泥沙的水流动力，并且主要负责通道GE测量和整形通道布局（Knighton 1998；朱利安2002）。自20世纪60年代以来，QD值为5000 m3/s，但由于流域内的多种因素（HU 1999），径流和洪水流量都有所减少，目前已减少到约4000 m3/s。
7.设计水位
每一个工程的设计水位ZD被设定为当地的水面标高，对应于设计整治年内的设计排放QD。在堤防防护工程中使用的整治结构的顶部标高设置为与堤顶的顶部高度相同或略低，但应比防洪设计水位高1至2米。对于导流工程，整治结构的最大升力设置为与洪泛平原的地面高度相同或高于其水平，但必须低于设计的洪水水位，以允许大洪水流过整治结构。
8．设计通航宽度
设计通道宽度B是指与设计放电QD相对应的两个弯曲之间的直达通道的宽度。它可以由B和Q的曲线图、主通道宽度的统计结果或根据方程的计算来确定。宽通道的Manning方程和水连续性方程可以表示为
其中u＝平均流速；h＝平均通道深度；S=通道斜率；n＝曼宁粗糙系数；和q=设计流量放电，取Qd。
B和H之间的内在关系可以代表了横断面地貌系数常用于中国和俄罗斯的美元（前等人。1987；张和谢1993）
求解上述方程组，一个得到
Eq.（4）可以用来计算设计通道宽度。
根据以往的经验和现场观测资料分析，对于高寒地区的辫状河段，B为1000米，高村与桃城铺之间的过渡段为600～800米，桃城铺（胡1999）以下的密闭曲流河段为500米。
9.设计泄洪宽度
黄河下游河道整治的主要目的是防洪。因此，河道整治工程的建设不应阻碍洪水的流经。洪水泛滥，河道整治工程将作为河道的主要通道。因此，两岸河道整治工程的最小横向距离必须足够长，才能达到高洪流量。
设计泄洪量宽度BF定义为一侧连接两个整治工程的线与另一侧的整治工作的终点之间的每一个距离，如图4所示。对于黄河下游辫状河段，根据洪水的分析和选线，将BF值设为2～2.5km。
10.河湾参数
曲线环的通道对准通常由两个参数确定：弯曲的平均曲率半径Rc和弯曲波长H，这是两个连续弯曲的顶点之间的距离。其他参数包括如图5所示，曲波振幅A、中心角$、弯曲距离L和两个弯曲部L之间的直线段的长度。
图5弯道几何设计
这些参数通常与主通道宽度有关，并且可以表示为：
图6导流结构的布置示意图，包括上部段、中心段和下部段，以及 两直线段
rc与Phi;的关系可以表示为：
其
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