黃河花園口河段設計水沙系列水位變化試驗研究

顧志剛 趙新建 夏修杰

(黃委會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003)

1 前言

黃河下游花園口河段是黃河防洪的重點河道，隨著小浪底水庫的正常運用，黃河下游的來水來沙發生了相應的系列變化。為科學預測設計水沙過程的河道水位變化，通過河道實體模型試驗的手段，分析水位的變化，進一步判斷和評價現狀河道對今后來水來沙的適應性，對現狀河道工程進一步優化提供科學依據。

2 模型概況

依據黃科院多年動床模型試驗經驗和遵循黃河泥沙模型相似律［1］設計相應模型開展試驗。模型水平比尺λL=600，垂直比尺λH=60，試驗中按河床變形時間比尺控制模型放水歷時，可以避免在開展非恒定流洪水試驗時常遇到的兩個時間比尺相差過多所引起的一系列問題。模擬范圍自鐵謝至開封黑崗口。選取鄭州熱電廠粉煤灰作為模型沙。模型設計和驗證試驗［2～3］最終確定的水流運動時間比尺與河床變形時間比尺基本一致。

3 設計水沙系列

通過對近期水沙變化的分析，綜合考慮各方面的影響，設計小浪底水庫入庫水沙過程;按照擬訂的小浪底水庫運用方式，通過水庫泥沙數學模型模擬計算和實測資料分析，提出小浪底水庫不同運用階段出庫和花園口斷面的水沙過程。水沙過程包括豐、平、枯三種水沙系列，不同運用階段包括水庫運用初期和正常運用期。試驗的設計水沙條件采用“1978～1982 +1987～1989 +1977”設計水沙系列。該設計水沙系列黃河來水量為1130.62 億m3，來沙量為38.69 億t。

4 試驗結果

在現狀地形的基礎上，綜合分析設計來水來沙條件下的試驗結果，可得出以下認識:

(1)設計水沙系列過程中，縱觀整個試驗過程的水位變化，整個河段普遍發生了沖刷下切，水位均出現明顯的沖刷降低。花園口以上河段的沖刷下降幅度較大，花園口以下河段的沖刷下降幅度則較小。鐵謝沖刷值較小是因為該處河床組成為沙卵石，抗沖性強所形成的。

(2)對流量為1000m3/s 時的水位累計降幅進行統計分析，各個測站Q=1000m3/s 流量下水位降幅值變化見表1。由表可見，駕部、花園口、趙口、黑崗口各站的累計水位降幅分別為3.08m、1.62m、1.31m 和0.64m。花園口以上河段的沖刷下降幅度較大，水位降低幅度達1.60m～3.08m，花園口以下河段的沖刷下降幅度較小，水位降低幅度達0.64m～1.34m。

表1 設計水沙系列各測站Q=1000m3/s 流量水位降幅

(3)鐵謝至趙口河段，水流的沖刷作用明顯，水位降幅較大。原因是由于河道整治工程比較配套，而且河勢變化不大;趙口至黑崗口河段，水位降低幅度相對較小。其原因是主流擺動頻繁，河勢變化較大，且水流沖刷不集中。

(4)整個河道的大幅度水位降低，增大了河道過洪能力，減小了河道的防洪壓力。

5 結語

在現狀河道的地形邊界和設計的水沙系列條件下黃河花園口河段水位變化試驗研究結果表明:

(1)整個河段普遍發生了沖刷下切，水位普遍降低。

(2)駕部、花園口、趙口、黑崗口各站的累計水位降幅分別為3.08m、1.62m、1.31m 和0.64m。花園口以上河段的沖刷下降幅度較大，水位降低幅度達1.60m～3.08m，花園口以下河段的沖刷下降幅度較小，水位降低幅度達0.64m～1.34m.。

(3)整個河道的大幅度水位降低，增大了河道過洪能力，減小了河道的防洪壓力，試驗成果為黃河下游河道整治和防洪提供了科學依據。

［1］張紅武，江恩惠等［M］.黃河高含沙洪水模型的相似律.河南科學技術出版社，1994.

［2］張紅武，劉海凌，董年虎等［R］.黃河小浪底至蘇泗莊河段物理模型試驗研究，黃委會水科院，黃科技ZX－1999－26.

［3］董年虎，劉海凌，趙新建，張紅武［R］.小浪底水庫2000年運用方案黃河小浪底至蘇泗莊河段模型試驗研究報告，黃委會水科院，黃科技第ZX－2005－10.