1、三门峡水库淤积上延机理的研究曹如轩 1，雷福州 2，冯普林 2，马雪妍 2（1.西安理工大学，2.陕西省三门峡库区管理局）摘要：本文分析了三门峡水库渭河下游实测资料，认为前期淤积使潼关河段同流量流速降低，使渭河下游主槽过洪能力减小、洪水流速降低。而洪水是维持潼关及渭河下游动态冲淤平衡的动力，因此前期淤积是造成渭河下游淤积上延严重的根本原因。流速降低破坏了渭河干流推移质和支流推移质进入渭河后的输沙平衡，这也是渭河下游淤积上延严重的原因之一。关键词： 淤积上延； 侵蚀基准面作者简介：曹如轩(1933-)，女，西安理工大学教授。1 问题的提出三门峡水库 1960 年 9 月建成投入运用后，针对出现的
2、泥沙淤积问题，工程上经改建、增建，运用上由“蓄洪拦沙”改为“蓄清排浑全年控制”运用，但库区泥沙淤积仍呈发展趋势。据统计 1973 年 10 月1999 年 10 月黄河小北干流淤积 6.3443 亿 m3、渭河淤积 2.7191 亿 m3、洛河淤积 1.525 亿 m3，分别占各河段建库后淤积总量的 29、20.9及 54。潼关以下库区也难达到年内冲淤平衡，特别是潼 河段产生累积性淤积，1973 年 10 月1996 年 10 月淤积0.3267 亿 m3，使潼关河床高程回升到改建前水平。泥沙淤积量的持续增加必然导致淤积上延的不断发展，特别是渭河下游生态环境恶化、防洪形势极其严峻，制约了关中东
3、部的经济发展。因此，研究淤积上延问题对新建工程，对小浪底水库建成后三门峡水库如何运用都有意义，在学术上也有价值。本文只着重探讨渭河下游泥沙淤积上延问题。2 潼关河床的冲淤演变2.1 建库前潼关河床的冲淤演变文献 3根据潼关断面地质剖面图，得出“潼关河床是由冲刷性演变为相对平衡的微淤性河床”的结论，这一论点与文物考证及水文资料得出的结论相符。潼关水文站于 1929 年建站，至 1955 年，洪水位无变化，1935 年流量13000m3/s 的水位 325.0m，1954 年流量 13400m3/s 的水位 324.95m，1939 年流量 7290m3/s 的水位 323.99m，1955 年流
4、量 6900m3/s 的水位 323.99m 便是例证。建库前潼关河床何以能保持动态冲淤平衡呢？依据有三：（1）三门峡坝址河段是岩基河床，它是潼关河段的侵蚀基准面，这样的下边界条件保证了潼关河段既不会持续淤积也不会持续冲刷。陕县站的水位流量关系绳套是重叠的，1954 年 9 月 3 日 21:00 时流量 Q11500m 3/s 的相应水位297.54m，9 月 4 日 21:00 时流量 Q11500m 3/s 的相应水位仍为 297.54m。潼关至陕县河段比降和潼关至三门峡河段比降都很稳定，表明潼关三门峡河段的上段是冲淤平衡的，下段是侵蚀性的。(2)潼关至三门峡河段为峡谷型河段，两岸对水流
5、有约束。(3)干支流洪水特别是渭河高含沙洪水所具有的巨大输沙能力是维持渭河下游及潼关河床冲淤平衡的动力。2.2 建库后潼关河床的冲淤演变建库后潼关河床洪水位及常水位均较建库前抬高 5m 左右，完全改变了原有的动态冲淤平衡状态。三门峡水库蓄水造成潼 河段泥沙淤积和溯源淤积，潼河段比降由建库前的 3 减小到不足 2，使潼关站同流量的流速减小。这导致水流挟沙力的降低，加重了近期来水流量减小的不利影响。3 渭河下游河床的冲淤演变3.1 建库前渭河下游的冲淤演变渭河下游按最小能量消散趋向性规律建立了以潼关高程为侵蚀基准面，与来水来沙相适应的稳定河道。在平面形态上，渭淤 28 断面以上水流分汊生成心滩纵比
6、降 6.2 ，渭淤 28 断面以下河道逐渐过渡为蛇曲蜿蜒的弯曲河道，比降逐渐变缓，华县以下形成最小比降 1.4 。华县以下河道横断面由深槽、嫩滩和高滩组成的复式河槽，华县以上则不是复式河槽，仅由深槽和滩地组成。图1 为渭河下游纵剖面。图 1 渭河下游纵横剖面Fig.1 Longitudinal profiles at lower Weihe River咸阳长陵古井发掘及华县河滩古墓发掘的出土文物考证说明建库前渭河下游主槽处于动态冲淤平衡，滩地是微淤的状态。渭河下游历史上从未修建过堤防，是一条完全的地下河，这是上述结论最有力的佐证。渭河的含沙量比黄河的大、比降比黄河的小，何以能保持冲淤平衡呢，其
7、原因一是作为渭河侵蚀基准面的潼关河床高程是相对稳定的，二是渭河干、支流洪水特别是高含沙大洪水的冲刷是维持渭河下游相对冲淤平衡的动力，三是渭河的悬移质泥沙比黄河的细得多。3.2 建库后渭河下游的冲淤演变1999 年渭河下游的累积淤积量为 13.056 亿 m3，淤积范围延伸到渭淤 36 断面以上。淤积形态在华县以下近乎平行抬高，华县以上为下凹形，横断面呈正态缩小。主槽、滩地抬高 45m，使主槽过洪能力由建库前的 45005500m 3/s减小到 1500m3/s 左右，1995 年仅为 800m3/s。2000 年 10 月渭河发生洪水，临潼流量虽仅有 2230m3/s，但渭河下游全面漫滩，大堤
8、偎水。造成渭河下游泥沙严重淤积的根本原因是作为侵蚀基准面的潼关河床高程持续抬升，引起了溯源淤积、加重了沿程淤积的发展，使主槽淤高、缩窄，过洪能力减小。4 淤积上延机理4.1 淤积上延范围判定渭河下游泥沙淤积范围不断向上延伸，至 1999 年渭河下游淤积范围已上延到渭淤 36 断面咸阳陇海铁路桥以上，这是根据表 1 所列淤积末端上下淤积量对比判定的。淤积末端以下渭淤 2837 断面长 37.57km 河段中的累积淤积量为0.1183 亿 m3，淤积末端以上渭淤 37 断面至林家村河段长 168.9km，陕西省水利水电勘测设计院 1988 年在该河段布设了 98 个断面，进行了大断面测量，1999
9、年又布设了 190 个断面进行大断面测量，这 190 个断面中有 98 个断面与 1988年位置重合，根据两次测量资料可算得 19881999 年 168.9km 河段的累积淤积量为 16 万 m3，见表 2。由表 2 资料判定渭河淤积末端位置目前在渭淤 36 断面以上应该是可以接受的。4.2 渭河下游淤积上延的特殊性冲积河流的相对平衡比降是长期在平均水沙条件下建立的。若侵蚀基准面不变动，则河道只在水沙条件偏离平均的情况下发生由上而下的沿程冲淤。若因前期淤积或人工蓄水抬高了侵蚀基准面，破坏了原有的相对平衡状态，这时若遇水沙条件不利的年份，则由动回水末端起将同时发生向上的溯源淤积和向下的沿程淤积
10、，且远离回水末端的河段也同时发生自上而下的沿程淤积，沿程淤积和溯源淤积相衔接就完全改变了天然的平衡状态。这时若遇水沙条件有利的年份，本该产生的由上而下的沿程冲刷却因侵蚀基准面的抬高而被部份或全部消失，甚至发生淤积。如 1977 年渭河下游发生揭河底冲刷，渭淤 11 断面以上深槽被冲刷至 1960 年河床高程以下，而渭淤 11 断面以下深槽虽有冲刷，但却高于 1960 年的河床高程，见图 1。若侵蚀基准面降低，则由下边界处发生自下而上的溯源冲刷，但冲刷有一个发展过程，溯源冲刷末端以上受前期淤积影响仍会发生溯源淤积和沿程淤积。如 1973 年潼关河床高程降低，渭河口向上产生溯源冲刷，但华县站以上仍
11、产生溯源淤积和沿程淤积。黄河潼关 河段及渭河下游建库前没有富余挟沙力，正是这一特征，华县站以下床沙分选不明显，比降为最小比降，建库后华县站以下河床必然是平行抬高的。图 2 为潼关站 Q1000m 3/s，渭河下游各站 Q250m 3/s 水位变化过程，可以看出近乎平行抬高的现象明显。表 2 为渭河下游各站水位 Zi与潼关水位 Z0的相关方程 Zia i+biZ0。由表可看出，华县站以下各站 bi均接近 1 或等于 1，相关系数大于 0.8 说明近乎平行抬高，华县站以上的詹家站 bi0.53 已不是平行抬高。表 1 1988.91999.10 渭河冲淤量分布Table 1 Scouring si
12、lting quantity for lower Weihe river河段 河段长（km） 淤积量（亿 m3） 所占(%)备注渭拦渭淤 28 2.6695 95.8渭淤 28渭淤37 37.57 0.1183 4.2累计 2.7878 100陕西省三门峡库区管理局测渭淤 37林家 168.9 0.0013 陕西省水利水村 电勘测设计院测表 2 渭河下游各站水位与潼关站水位的相关关系Table 2 Water level relationship between lower Weihe River and Tongguan站名 1960 年1999 年数据 相关系数詹家 Z165.3+0.53
13、Z 0 0.61华县 Z89.3+0.75Z 0 0.82陈村 Z9.1+0.99Z 0 0.82华阴 Z32.0+0.91Z 0 0.92吊桥 Z31.3+0.91Z 0 0.94图 2 潼关站 Q1000m 3/s、渭河 Q250m 3/s 水位过程Fig.2 Process of water levels at a discharge of 1000 m3/s at Tongguan and 250 m3/s at Weihe River上述图表反映的规律可以作为华县站以下河床纵剖面平行抬高的证据。这相当于在华县存在一个与潼关河床抬高值相当的堤坝，华县站以上河道要重新建立新的相对平衡，泥
14、沙淤积不断上延是必然的。纵剖面平行抬高的论点是谢鉴衡院士研究黄河下游纵剖面时提出的，陆中臣、贾绍凤依据水力学理论推导出平均水流条件下黄河下游花园口以下的纵比降( Z/ x)=( z/ xt=0)=f(x)，即与时间无关的平行抬升，这样的推导方法也同样适用于渭河华县站以下河床。此外，尚有一个被忽视的促使渭河下游淤积上延严重的因素，即推移质输沙平衡被破坏的问题。渭河咸阳站至泾河口即渭淤 3728 断面河段比降6.2 ，其间相继有沣河、产河、灞河、泾河等有大量推移质的支流汇入，建库前推移质输沙也处于相对平衡状态，有理由认为有相当多的推移质在泾河高含沙洪水中以悬移质形式输送到潼关以下。作为旁证，可举洛
15、惠渠首的例子，洛惠渠渠首每年岁修时，均在坝左侧的引水口发现卵石甚至大块石，库区床沙为细粉沙、库区河床比降 4 左右，卵石和大块石是不能以推移形式输送到引水口的。高含沙洪水悬移质级配资料中 5mm 左右的泥沙也有一定的含量，这都说明高含沙洪水可以输送粗沙、卵石的事实。目前渭河漫滩流量较小，削弱了高含沙洪水输送卵石的能力，破坏了原有的推移质输沙平衡，这是加剧淤积上延的原因之一。临潼以下南山支流更是产生大量推移质的源地。据李昭淑研究，1556 年华县大地震使南山支流谷地储存了大量散粒体，每遇大水便以水石流形式输出峪口，分别在峪口、二级阶地及河口形成三级串珠式洪积扇。渭河下游床沙粒径变幅很大，就与支流输入推移质有关。综上所述，渭河下游泥沙淤积上延严重的内因是渭河下游没有富余的挟沙力，外因是水库运用造成的前期淤积和潼关河床抬高。参考文献1 钱意颖,叶青超,曾庆华。黄河干流水沙变化与河床演变。中国建材工业出版社，1993 年，P5376.2 沙玉清。泥沙运动学引论。中国工业出版社，1965 年。3 邓贤艺,曹如轩等。水流挟沙力双值关系研究。水利水电技术，第 31 卷，2000,（9）。
