黄河下游斜河现象成因及研究进展

摘要: 在回顾黄河下游斜河研究进展的基础上，对斜河产生的原因及斜河研究中应注意的问题进行了分析，结果表明:黄河下游河床边界土质松散、二级悬河的存在、洪水骤变、整治工程与来水来沙不匹配是斜河产生的主要原因; 当前应着重对斜河多发河段水沙输移特性、斜河现象与水沙条件变异之间的链式响应机理及斜河数值模拟进行研究。

关键词: 成因; 斜河; 河势; 防洪; 黄河下游

中图分类号: TV147; TV882．1 文献标识码: A doi: 10．3969 /j．issn．1000-1379．2011．08．003

斜河是黄河下游常见的一种自然现象，它主要是指河势剧烈调整、主流角度急转而产生的相对稳定的河势状况，通常表现为主流顶冲点发生较大的变化［1］。黄河下游斜河的产生由来已久，早在清嘉庆八年(公元1803 年) 封丘衡家楼即出现过斜河。据记载，该段堤防为平工段，因河势忽移南岸，逼溜北移，河身挤窄，更值九月西南风暴，塌滩甚疾。因抢护不及，故造成一次严重决口，现在封丘大功一带所谓“大沙河”，就是这次决口遗留的故道［2］。近30 a来，在河南郑州—开封河段曾发生多次斜河出险，险情相当严重。有关资料显示，1950—1994年黄河下游铁谢—高村河段斜河现象共出现259 次，主要发生部位在裴屿—洛河口、秦厂—花园口、黑石关—围城、柳园口—古城、油房寨—马寨。除几个节点河道较窄处外，宽浅河段平均每年发生6 次斜河现象，严重威胁着黄河防洪安全［3］。周景芍［4］对1986—1995 年间黄河下游河势变化特点进行了统计研究，发现黄河下游游荡型河段主流转向严重，摆幅较大，斜河现象发生频繁。由于斜河顶冲点的改变，因此原有的部分护滩、护岸工程会出现脱河现象，有的甚至产生负作用。原本作为护岸、导流的丁坝也可能因河势的改变直接挑流到对岸，顶冲大堤，给河道的防洪带来不利影响。我国的多沙河流多属于浅水河流，当发生大洪水时，尤其是洪水后期的落水阶段，河道水深下降，河势也随之改变，水流冲刷堤岸导致决口，形成斜河。这类决口因河床地形急变，故险情发展迅速，产生的危害非常大。

因此，研究斜河产生的机理，探讨斜河发生河段的水沙运动规律，对合理布置控导工程、调控水流、防治斜河的产生有重要的意义。

1 斜河现象产生的影响因素

1．1 河床边界条件

黄河下游斜河现象发生频繁与其边界固有的特性密切相关。河床边界条件一般是指容纳和约束水流运动的河床，河床边界的主要特征和参数包括平面形态、断面剖面形态、纵比降大小、横比降大小、河床物质组成、抗冲性以及滩槽高差等。自然条件下河道上的卡口、节点对河势的变化有较大的控导作用，但卡口上下游河段则常常是河势突变的河段。由于黄河下游河道泥沙颗粒较小、土质松散，因此抗冲能力差，当河道弯曲段存在抗冲刷性能较好的土质时，在横向环流的作用下，弯道向纵深发展，迫使水流急转，易形成斜河［5］。另一方面，滩槽高差的大小是反映河势稳定的一个重要指标，平滩流量大，河势较为稳定，反之则多变。例如高村以上游荡型河道，宽浅散乱，汊道众多，但其中有一股或二股为主要流路，在大河流量急剧变化的过程中，由于水沙情况与河床边界不相适应，因此主河迅速淤塞，主溜转向支汊并形成斜河。

1．2 二级悬河

黄河下游河道为典型的复式断面，水流含沙量大，汛期和非汛期的滩槽淤积速度不平衡，在滩地形成横比降，甚至出现二级悬河，增大斜河发生的几率。近年来，在黄河主河槽严重淤积的同时，二级悬河的不利形势亦更加突出。靠近主河槽处的滩唇淤积抬高加快，而远离河槽处的淤积减缓，滩地形成了很大的横比降。如东坝头—高村河段左滩横比降平均为0．7‰，右滩为0．8‰［6］。

二级悬河的存在增大了黄河下游不同河段斜河发生的几率，尤其是东坝头—高村河段，其中杨小寨断面滩槽高差1．67m，左岸滩唇高于堤脚6．04 m，滩面横比降为0．97‰，是河道主槽纵比降的5．7 倍; 长垣油坊寨断面左岸滩唇高于堤脚4．42m，滩面横比降为1．16‰，是河道主槽纵比降的6．8 倍。洪水一旦冲出河槽，极易通过串沟过流而发生顺堤行洪，威胁堤防安全。

1．3 洪水骤变

洪水暴落期，河道的冲淤变化也能引起主槽位置的骤变，产生斜河［7］。吴腾等［8］采用深度平均的二维水流计算模型计算了不同水深条件下，断面的横向流速分布和挟沙力分布，结果表明水深越小，滩槽的流速差越大; 水深越大，滩槽的流速差越小，挟沙力的变化规律与流速的变化规律相似。由此可见，当发生洪水时，断面泄流量较大，水位较高，滩槽的挟沙能力差别不大，河道断面各点的冲淤趋于同步，河道的断面形态变化不大; 当洪水消落时，水位逐渐降低，滩槽的流速差异增大，断面各点的挟沙力差别较大，在断面横向含沙量变化不大时，横向断面的冲淤量不同，使断面的形态发生较大变化，滩槽的高差进一步增大，从而水流更加集中。

1．4 整治工程与来水来沙不匹配

近年来，随着黄河来水来沙量的减少，加上小浪底水库的控制运用，黄河下游河道的水沙条件发生了较大的变化，甚至引起河型的缓慢改变。原有的部分整治工程渐渐失去了功效，靠溜几率较小，难以形成稳定窄深的中水河槽，使得黄河下游游荡型河段发生斜河的次数增多［9 － 10］，甚至整治工程与来水来沙条件不匹配，引起河势上提，使河道向斜河发展，危及堤防安全［11-12］。程怡萱等［12］提出了整治对策，认为应相机新修河道整治工程，完善河段内工程布局，在现有工程基础上适时修建河道整治上延工程。有学者认为，以控导主流、缩小游荡范围，防止发生斜河顶冲大堤为目标的河道整治是当前河道治理的中心任务，同时，坚持稳定河势、护滩保堤的治理目标，使冲刷主要向纵深方向发展［10］。虽然斜河整治措施的思路不同，但都说明当前整治工程与来水来沙不匹配加剧了斜河现象的产生，是斜河现象产生的原因之一。

2 斜河现象的研究方法

水沙数学模型是研究和预测河床演变的重要途径，在黄河流域得到了大量的应用。尤其是近年来，黄河水沙数学模型的研究不仅仅局限于河道的纵向变形，模拟河道横向变化的研究也越来越多［13］，对模拟河道斜河的产生发展过程有重要的意义。但是，这些模型对河床演变过程细节的刻画尚不全面，模型尚需解决水流横向输沙模拟、滩岸在水力冲刷与重力坍塌作用下的变形计算及其数值计算等问题［14-15］。因此，反映河道河势变化的数学模型的完善有待于输水输沙理论和河岸坍塌理论的进一步发展，这也是斜河数值模拟的关键。从斜河的定义可知，斜河的实质是在一定条件下河势的剧烈变化，因此有些学者从河势演变规律角度探讨斜河产生的机理，建立了河湾流路方程［6］，从流路方程出发解释了畸形河湾和斜河产生的原因，为斜河的研究提供了新思路; 也有学者通过河工模型试验模拟斜河产生、发展的过程［16］，为斜河的研究积累了一定试验资料。

3 斜河研究存在的问题和发展趋势

斜河产生的影响因素多且复杂，目前关于斜河产生原因的分析多基于实测资料的定性分析，对斜河产生的内在机理以及产生条件的定量判别研究较少，致使人们对斜河的认识多停留于对现象的描述，对于斜河的防治更处于摸索阶段。若要对斜河进行有效的调控，尽可能减少斜河带来的危害，就需要对斜河的产生机理有明确的认识，需对如下3 个方面的问题进行研究。

(1) 斜河多发河段水沙输移特性的研究。黄河下游河道断面形态多为具有滩和槽的复式断面，斜河多发生于弯曲河道过渡段附近、窄束段上游的宽槽上以及窄束段下游附近［7］，因此研究弯曲河段复式断面水沙输移特性是斜河产生机理研究的基础。复式断面不同于一般的单一断面，当水流漫滩时，过水断面突然展宽，各种水力要素发生突变，且在滩槽交界处存在水流和泥沙的交互作用，使水流结构异常复杂。该方面的研究是水力学与河流动力学的传统课题之一，受到国内外许多学者的关注，已取得了许多成果，包括复式断面深度平均的水流运动方程［17］、复式断面的动量修正系数特性［18］、复式断面的水流泥沙特性［19］、复式断面的流速分布［20-21］等。然而，现有的成果多局限于对水力特性的相关研究，而对复式断面水流输沙特性的研究尚少，对弯曲河段的研究则更少。通过对不同条件下弯曲河段复式断面水沙输移特性的研究，对解释黄河下游河道横比降、二级悬河的形成有重要的意义，是研究黄河下游河道斜河产生机理的一项重要内容。

(2) 斜河现象与水沙条件变异之间的链式响应机理研究。自20 世纪80 年代以来，黄河的来水来沙量呈减小趋势，小浪底水库运用后进一步改变了来水来沙的时空分布，引起河型的缓慢改变，河型的逐渐变化引起河势的改变，进而增大了斜河发生的几率。黄河下游河道整治参数多基于20 世纪70—80年代的来水来沙资料确定，对应的整治工程具有一定的适用范围，在当前来水来沙条件变异的条件下，部分整治工程失效甚至产生负效应，斜河发生的几率增大。弄清斜河现象与水沙条件变异之间的链式响应机理，对于如何判别水沙条件与整治工程的适应性、利用水库进行联合调度、调节下游河道的来水来沙条件及提高防治效果具有重要的意义。

(3) 斜河数值模拟的研究。洪水暴落时，由于水沙情况与河床边界不相适应，加之河道土质疏松，因此易引起主槽边岸坍塌，使主河槽迅速淤塞，主溜转向，形成斜河。主槽边岸坍塌是斜河模拟的重要内容之一，目前水流引起的河岸坍塌的研究多集中于河岸变形和岸线的变化，主要的模拟方法有经验法、极值假说方法［22］和水动力学－土力学方法［23-24］。尽管如此，河岸崩塌距离的确定、崩塌后泥沙的分布等问题并没有得到很好的解决，许多模型研究也只是处于初步阶段。洪水暴落期主槽的崩塌与河岸的崩塌也存在一定的差异，岸线崩塌前并未浸入水中，受水流影响较小，而主槽岸的坍塌则受水流影响较大，甚至是由水流的流动所引起的，较河岸岸线的崩塌更为复杂。钟德钰等［15］对水流的基本方程进行了修正，并对实际河势的变化进行了模拟，其成果对斜河数值模拟具有较大的应用价值。由于实际问题的复杂性，这方面的研究只是初步的，因此进一步研究水流作用下主槽边滩的坍塌模式，建立斜河模拟数学模型是十分必要的。通过斜河水沙数学模型，可以较方便地优化整治工程的平面布局、优化调控黄河下游的来水来沙条件，减小斜河的发生几率。

综上所述，斜河产生机理研究是防治黄河水沙灾害迫切需要解决的问题，在已有研究成果的基础上，可通过水槽试验和数值模拟相结合的方式，研究斜河现象与水沙条件变异之间的链式响应机理，研究不同条件下断面水流和泥沙的运动规律，从水流和泥沙的相互关系探讨斜河发生的内在机理，并提出斜河产生的判别条件。同时，可通过建立斜河水沙数学模型研究不同控导工程对斜河防治的影响，提出防治斜河的优化水沙条件，为黄河下游斜河的防治提供参考。

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作者简介: 李秀霞(1979-) ，女，山东即墨人，博士，主要从事水沙环境研究工作。