枢纽壅水和卡水特性及其对河道冲淤演变的影响

位山枢纽拦河闸共16孔，每孔净宽10m，高8m，闸底槛建于大沽高程36m。宣泄设计流量6000m3/s时，上游水位壅高1.6m。枢纽建成后于1960～1961年初期曾抬高上游水位进行灌溉引水。从上节分析中可以看出：枢纽拦河闸的壅水及卡水对于上游壅水河段冲淤变化影响很大。以下分别探讨与拦河闸壅水、卡水有关的几个问题。

（一）枢纽卡水壅高水位数值及其影响范围

位山附近河宽约在300m左右，枢纽拦河闸净宽160m，闸址过水宽度较天然河道减少较多。1956～1958年位山断面平均河底高程随不同流量之变化如图13所示，拦河闸底槛固定于高程36m。从图13可以看出在河道自然泄流情况下，当流量大于4000 m3/s时，平均河底高程在35m以下。说明枢纽拦河闸在宣泄洪水时的过流面积较河道自然泄流时减少较多，加以拦河闸前引河过水断面开挖又不足，枢纽运用后即发现卡水。所谓卡水，意味着过水断面束窄，而河床冲深又受闸槛之控制，过流时水位壅高。为校验枢纽拦河闸卡水壅高水位的数值，点绘了1961～1963年不同流量下拦河闸上下游水尺的水位差（水尺间距800m）如图14，采用中间偏低点群，若减去水尺间河道自然落差0.10m（原河道比降近似以1.2‱计），当流量为5000m3/s及6000 m3/s时，则水位差为1.35m及1.65m。当流量为4000～6000m3/s时，引河之卡水值在1961年约为0.4～0.5m，1962年引河冲刷后卡水值降至0.2～0.3m。这样，在陶城埠断面拦河闸及引河的卡水壅高水位数值可近似取为：

图13　位山站平均河底高程—流量关系

此外，并曾点绘位山建闸前后之水位—流量关系，并据水尺间距离加以校正后，所得枢纽各级流量下卡水数值与上法求得结果十分接近。

估计卡水壅高水位的影响范围，在卡水值确定后可以进行回水水面曲线计算，在多沙河流低水头枢纽上游进行回水计算时，因为水流挟沙和河床变形，在计算中常须进行一些假定和简化，所以回水计算方法应经过实测资料的验证，否则计算成果常不尽可靠。

图14　拦河闸上下游水位差与出库流量关系

位山枢纽破除拦河土坝初期，口门过流能力不足，即有卡水壅高水位的作用。我们在口门卡水壅高水位期间（1963年12月6～9日）对上游各站逐日的水位流量关系同卡水前的水位流量关系作了比较，结果如表14。由所附实测成果可以清楚看出：陶城埠壅高水位为2.95～0.98m，均影响到孙口以上至杨集。当破坝后第三日（12月8日）陶城埠因口门卡水壅高水位1.55m时，孙口水位也有显著壅高，影响可及杨集。1963年12月8日流量为2850m3/s，杨集至陶城埠壅水后的水面比降为0.75‱，1963年9月11日流量为2080m3/s，基本上不受卡水壅水影响，其水面比降为1.02‱，采用下式近似核算卡水影响长度L：

式中：ΔH为卡水壅高水位值；J0及J分别为无卡水影响及有卡水影响时的水面比降。1963年12月8日卡水壅高值1.55m，得其影响长度约57km，与实测资料相接近。

表14　陶城埠至杨集破坝期间壅水卡水实测数值表（基面：大沽）

续表

枢纽拦河闸及引河泄流面积小及口门过流卡水壅高水位的机理是彼此相似的。1962年流量为5000 m3/s时，枢纽卡水1.6m，与破坝后第三日口门卡水1.55m相接近，1963年5月29日流量为5100 m3/s，陶城埠至杨集受枢纽卡水壅水的比降为0.83‱，该河段无枢纽卡水影响时同流量的比降应小于1.15‱（因为枢纽修建前1959年8月10日流量为6130 m3/s时，其实测水面比降为1.15‱）。同理按上式核算，得到流量为5000m3/s，陶城埠由于卡水壅高水位1.6m时，影响长度在50km以上，所以参照破坝期间的实测资料，可以认为流量大于5000 m3/s时，枢纽拦河闸及引河的卡水范围即可超过孙口。

至于1960年枢纽壅水运用时期，随着拦河闸上水位及来流量的变化，回水范围常变化于孙口以上及杨集之间，当进库流量大时，回水影响可以达到杨集以上。

（二）枢纽的壅水及卡水同上游壅水河段水位上升的关系

位山枢纽建成后，1960年枢纽壅水运用，1961年改变运用方式，拦河闸闸门全部敞开后，经连续冲刷，至破坝前各站水位虽然有不同程度回落，但壅水段孙口及以下各站水位同建闸前比较，尤其当流量较大时仍有较大幅度的抬高。各站不同流量的水位升高值见图15及表15。

壅水段水位升高标志着河槽的行洪能力降低，保持和提高黄河河槽的行洪能力，是关系重大的问题。孙口段处于黄河堤距由宽入窄的过渡地段。枢纽上游河段之行洪能力，每以孙口之水位升降为指标。所以研究孙口水位升高的原因是生产上十分需要解决的问题。以往研究均感问题复杂，多只列举可能的影响水位上升的因素，而难以区分各种因素影响的主次。我们试图根据位山枢纽壅水段实测资料，对孙口及枢纽壅水段水位上升的原因取得一些进一步的认识。

1.孙口水位上升过程

图15（二）　各站水位—流量关系图

（e）陶城埠历年数据；（f）苏泗庄；（g）艾山站

表15　位山枢纽壅水段水位增高值表

图16　孙口站水位—流量关系

探讨孙口水位升高的原因，我们先从了解孙口水位升高和回落的具体过程入手。为此点绘了孙口站自1959年汛前至1960年逐月的水位—流量关系如图16。由按月分期的孙口水位流量关系曲线，各级流量各时段的水位增高值如表16。得知1959年10月及汛后（11～12月）仅影响小水河床，流量为200 m3/s、500 m3/s、1000 m3/s时，水位累计升高不过分别为0.4m、0.65m及0.60m。1960年1～6月流量较枯，故影响水位升高更为微小，仅影响200m3/s及500m3/s继续上升0.10m及0.28m，1960年7～9月自流量500～4000m3/s水位普遍均有大幅度升高，如流量1000m3/s较1959年汛后又上升0.95m，2000m3/s、3000m3/s、4000m3/s水位分别上升1.44m、1.46m及1.33m。考虑到此时段内曾控制拦河闸有壅高水位的影响在内，进而比较闸门全开泄流后的1961年水位流量关系线，发现除了在1000m3/s及2000m3/s由于关闸壅高水位，而1960年（7～9月）水位～流量线高出1961年线0.50m及0.10m外，当流量在3000m3/s以上时，均为1961年线高出1960年线，未因开闸自由泄流而水位回落，说明枢纽壅水时期已发生相应的淤积。由上述资料说明孙口水位的大幅度上升主要发生在枢纽正式壅水运用的1960年7～9月以后，至1961年达到最大。

2.孙口断面的淤积变化与水位升高之关系

利用壅水段历次综合测验资料统计孙口断面主槽的冲淤面积变化如表17。从表17中成果可以看出，孙口站断面淤积过程与水位抬高过程相应，在1960年7月枢纽正式壅水运用后，水位大幅度抬高，断面即连续发生淤积，断面最大淤积强度也发生在此期间，再则与壅水段淤积特点相应，也是在汛期淤积较多，水位升高最大的1961年断面累计淤积量也最大。1962年后随着断面冲刷，水位也是不断回落的。说明孙口水位的升高同断面淤积的关系十分密切。从综合测验资料可知，建闸后孙口断面所淤泥沙至破坝前未能全部冲去，并且以往讨论孙口水位之升降均引用建闸前1959年的水位流量关系线作为比较之基础。补充应用位山水文总站整理的资料〔7〕，若取1959年枢纽截流前11月断面测量资料同建枢纽后第一次统一性测验断面相比较，则孙口断面淤积49m2，所以，在破坝前水位尚未回落到1959年水平，与河槽仍有一定的淤积有关。

3.壅水段水位上升原因的分析

通过以上分析可以看出枢纽壅水段水位上升的原因如下：

（1）比较枢纽壅水段各站建闸后历年水位高出枢纽修建前的情况及分析孙口站按月分期的水位上升幅度后，可以看出位山枢纽1960年7月～1961年壅水运用时，由于壅高了上游水位，造成拦河闸至孙口以上河段的严重淤积，壅水河段壅水运用期的普遍淤积为枢纽上游壅水段水位升高的主要原因。

（2）分析枢纽修建前后孙口断面面积的冲淤变化，得知位山枢纽拦河闸敞开自由泄流后到破坝前，水位尚未恢复到1959年情况，与在此期间的淤积在各断面尚未完全冲去有关。但是根据孙口断面宽770m，估计1959年汛后至1960年汛前的冲淤厚度约为0.064m，同历年水位升降过程及数值相比较，可以判断此期间的淤积不能作为壅水段水位升高的主要原因。

（3）比较位山枢纽开闸自由泄流后各级流量下水位下降情况，存在小流量水位下降较大，而大流量时则反而水位下降较少，可见枢纽壅水段在大流量时的水位升高及其淤积，尚受拦河闸及引河卡水的影响，当流量大于5000m3/s时，其壅水回水及淤积影响范围约在孙口以上。

（三）枢纽消除卡水后上游河段的变化

位山枢纽由于拦河闸泄洪断面面积较河道自然泄流时减少很多，闸槛又偏高，在壅水回水影响范围内加重了河道的淤积，降低了河道的泄洪能力。枢纽改建破除拦河土坝，经原河道泄流，意图消除拦河闸底槛对洪水河床下切的控制作用，降低侵蚀基准面，并在洪水期加大过流断面，从而减少位山以上河段的淤积，提高河段的泄洪能力。

枢纽改建，拦河闸卡水消除后，原枢纽上游壅水河段相应变化情况如下：(www.xing528.com)

1.原枢纽壅水河段水位普遍下降，泄流能力增大

分析比较位山上游原枢纽壅水段内各测站水位流量关系（见图15），在同流量下破坝后较破坝前（1963年）都有大幅度的连续下降。孙口及陶城埠等站同1959年水位相比较，水位下降情况如表18。陶城埠及孙口等站水位已接近建库前1959年的情况。杨集站于破坝前由于上游河势变化影响，水位已先恢复到建闸前的情况。整理孙口至陶城埠间沿程各站破坝前后的水位下降值，随不同流量在破坝前后具有不同的特点，如图17。从图17中可以清楚地看出：破坝前后的水位下降规律有明显的差别，破坝前当流量为6000m3/s时，大流量的水位下降值反而小，破坝消除卡水后各站的水位降落则随流量的增大而递增。破坝前后水位下降情况的对比分析，同样说明枢纽卡水对上游壅水河段的影响。

图17　位山枢纽上游破坝前后各级流量水位下降值沿程变化图（单位：m3/s）

由表1看出：枢纽修建后上游来水来沙条件适逢淤积系列，枢纽敞开拦河闸自然泄流及破坝后来水来沙条件又适遇冲刷系列，加之破坝时期尚有三门峡水库人造洪峰下泄，为区别位山枢纽修建与上述其他因素对上游壅水河段的影响，我们在图15中对比了位山枢纽壅水段及其上游苏泗庄、高村、下游南桥、艾山等站枢纽修建前后及破坝前后的水位流量关系。从枢纽壅水河段同上下游的历年水位流量关系对比可以清楚地看出：在枢纽壅水段内孙口至陶城埠各站，枢纽修建后1960～1961年水位流量上升的幅度大于1952年以来的固有变化范围；枢纽上游壅水回水影响范围以外各站，即以变化较大的苏泗庄而论，在此期间，虽有水位上升，但其幅度显著小于枢纽壅水段各站，并且小于其本站的历年升降幅度。枢纽下游的南桥、艾山等站，在1960～1961年上游河段发生严重淤积的情况下，水位流量关系变化不大；在枢纽运用初期，由于枢纽壅水上游淤积后下泄水流含沙量较低，水位并略有下降。在1962～1964年的河道冲刷系列中，由于枢纽消除壅水及卡水，壅水段水位的下降速度及幅度，都远远大于枢纽壅水段附近上下游各站。

破坝后同流量下壅水段水位下降，即表示泄流能力的增加。壅水段在河段受壅水及卡水影响消除后，历年过流能力的比较如表18的同流量级历年水位比较表。

2.枢纽壅水段纵剖面调整，横断面及河相关系变化

枢纽壅水运用时期，河道淤积使河床纵向比降减缓，当拦河闸的壅水及卡水消除后，壅水段内河床纵比降逐渐调整加大，枢纽不同运用时期，壅水卡水消除前后河床比降变化已列于表10。为进一步说明拦河闸卡水消除前后的变化，在图18中比较了卡水消除前后陶城埠至孙口的水面线变化，破坝前1963年9月23日流量为5040m3/s，受卡水影响其水面比降为0.83‱，1964年4月31日消除卡水后相近流量5010m3/s，其水面比降加大为0.9‱。

表18　各站同流量级历年水位比较表

为探讨1964年洪水期破坝口门的卡水程度，比较了陶城埠至位山（口门下游），陶城埠至邵庄1958～1959年及1964年洪水期相近流量的水面比降变化，如表19。表19中成果显示：口门上游陶城埠至邵庄间同流量的水面比降，破坝后同枢纽修建前相接近，或破坝后略陡。如破坝后1964年7月29日流量为7050m3/s，水面比降为0.96‱，在1959年流量为7650m3/s，水面比降为0.79‱。陶城埠至位山（口门下）的比降破坝后也不比建枢纽前为大。又口门泄流宽度在1964年7月24日通过流量3950m3/s时，已达309m，已大于其下游位山至解山间的宽度（位山～解山间宽300m），所以总起来看，在1964年汛期洪水通过时，破坝口门已无显著卡水作用。

图18　杨集～陶城埠河段同流量下水面线比较（单位：m3/s）

枢纽不同运用时期的横断面变化，如图12所示。受壅水卡水影响时枢纽壅水段内断面淤积，壅水及卡水消除后，断面发生冲刷调整。为研究壅水及卡水对枢纽上游河段断面形态的影响，统计了枢纽壅水河段及其上下游河段的河相关系。

表19　邵庄至位山水面比降变化

与枢纽壅水段及其上下游水位流量关系变化的趋势相应，枢纽壅水段陶城埠至杨集及其上下游河段在枢纽修建前后的河相关系的变化如表20。

表20　壅水段及上下游河相关系/H值历年变化

注　1.苏泗庄～史楼以苏泗庄、彭楼和史楼为代表断面，杨集～陶城埠以杨集、孙口和陶城埠为代表断面，艾山～泺口以艾山、大义屯、朱圈、官庄、水牛赵和泺口断面为代表。
2.破坝后只有1964年5月一次测验资料，代表性较差。
3.破坝后，杨集断面受上游河势影响展宽较多，与枢纽关系甚小，因此略去杨集后，孙口～陶城埠间/H值为8.76。

由表20可以看出，枢纽壅水段的河相关系值在枢纽修建后，都远较上下游河段的变化为大。这同样说明枢纽壅水及卡水对壅水河段的影响。在此顺便指出：近几年来以1964年水量较大，黄河下游河床断面形态均有一定变化，1964年大水前后自苏泗庄至泺口各断面河相关系统计如表21，从表21中数据可以判断，在苏泗庄至泺口河段经1964年汛期洪水冲刷，沿程断面以冲深为主。

表21　1964年内壅水段及上下游主要断面河相关系/H值变化

（四）枢纽壅水河段挟沙能力及泥沙分布的变化

枢纽壅水段于1960～1963年在杨集、孙口、十里铺、陶城埠断面进行水力泥沙因素的测验。因为1961年后杨集站受枢纽影响较小，故以孙口等三站资料探讨壅水河段的挟沙能力变化。

以孙口、陶城埠二站资料代入河段不受枢纽影响的挟沙能力关系式

结果如图19，验证结果表明上式对孙口站尚比较符合，而用陶城埠资料计算的挟沙能力与实测造床质泥沙含量间存在系统偏离。进而分析了壅水段内受壅水影响后流速和水深随流量的变化，看出距枢纽较近受卡水作用较严重的陶城埠站，随着卡水作用的增大而发生水深加大，流速减小；由于近闸的壅水段因受卡水影响强烈，天然河段的挟沙能力关系式已不能反映壅水段的挟沙特性。利用陶城埠实测资料，如图20得到位山枢纽近闸壅水段的挟沙能力以用下式表示，较能反映实际情况。

图19　孙口、陶城埠ζ造—ζ计关系

图20　陶城埠ζ—关系

在挟沙能力计算过程中看出受壅水影响后，主要通过水力因子的变化来调整其挟沙能力，而泥沙沉速值变化的影响则是第二位的。陶城埠站随拦河闸壅水程度不同，其V3/H的相应变化如图21。

图21　陶城埠ζ—关系（Q的单位：m3/s）

需要说明的是河段挟沙能力及其在壅水后的变化，是一个受多种因素影响的复杂问题，且测验资料很少，精度也不是太高，所以壅水段的挟沙能力变化规律的掌握，尚有待进一步努力积累科学资料。

利用陶城埠弯道1960年资料分析受壅水影响后弯道断面水流泥沙分布情况如图22，由图上可以看出弯道段受壅水后流速及含沙量沿断面都趋于均匀分布，而沿水深泥沙分布的不均匀性则加大，底层含沙量集中，粗颗粒含量加大。陶城埠弯道曲率半径4000m，受壅水影响后，其沿断面及沿水深泥沙的分布特征如表22。

图22　流速、含沙量断面分布

表22　陶城埠弯道段泥沙特征