黄河位山枢纽于1959年12月8日截流，1960年7月拦河闸开始壅水，正式投入运用。当前黄河仍应充分利用并设法加大下游河道的排洪及输沙能力。此次工作为根据位山水文总站1960～1964年10月实测资料及枢纽修建前的河道测验资料进行对比分析，希望能对有关问题取得进一步认识。低水头枢纽泥沙问题十分复杂，位山枢纽有关问题的研究又受到资料、水平及时间的限制，错误及欠妥之处欢迎各方指正。......
2023-06-24
黄河位山段河道特性简介
【摘要】：（一）电力测功机电力测功机为利用电机测量各种动力机械轴上输出的转矩，并结合转速、转矩测量以确定功率的设备。为探求河段的冲淤特点，又将位山枢纽修建前受东平湖影响较小的历年各次洪峰过程的水沙特性及河段的冲淤情况进行对比，如表6。
位山枢纽位于黄河下游中部，上距三门峡590km，下距黄河河口365km。杨集至孙口间堤距约6～7km，孙口以下堤距约4km，再向下到十里铺附近已束窄在1km左右。平滩水位下主槽宽度在孙口附近为920m，陶城埠为420m。河床比降在孙口以上至杨集约为1.3‱～1.39‱，孙口以下至位山则在1.2‱。位山以下至官庄比降为1.01‱。枢纽修建前，当黄河流量超过7000～8000m3/s时，在十里铺以下至位山间水流漫滩入东平湖。在枢纽下游有大清河经东平湖调节后于清河口流入黄河。黄河位山河段的有关特性如下。
（一）水文泥沙概况
位山河段的水文泥沙特性取决于上游的来水来沙情况。河段内以孙口流量站记载较久，位山枢纽修建前后1952～1964年水量沙量统计如表1。
因为1960年以后来沙情况受三门峡水库运用的影响，所以就1959年以前资料求得历年平均情况，注明于表1中。根据以往研究黄河下游的输沙率同流量成二次方关系，所以可用平均含沙量与平均流量之比值称作来沙系数，其涵义为单位流量中的含沙量，代表来水来沙的一种特性，也在表1中给出。
表1 孙口（杨集）站历年水量沙量统计
由于黄河流域降雨集中于汛期，致使黄河水沙量在年内的分配很不均匀。由孙口站1952～1958年资料统计，年内各月的水沙量分配如表2。
表2 孙口站水量沙量年内各月分配
位山河段上游高村及下游艾山站的泥沙组成在年内也有一定的变化，有关特征值如表3。
表3 高村和艾山站泥沙特征值的年内变化
位山河段的泥沙组成应介于高村和艾山站之间，年内的变化趋势一般是汛期洪水时泥沙组成较细，非汛期较粗。河段内弯直段相间，从杨集至枢纽拦河闸计有杨集、伟那里等河弯。
（二）直河段与弯河段的水流泥沙特性
应用河段内伟那里河弯1958年观测资料，以了解弯道不同特性河段的水流泥沙特性。选择弯道及直段典型断面，点绘水流泥沙因子沿断面及沿水深的变化，如图1的典型代表资料可以看出直段断面的流速、水深及含沙量，悬移质泥沙中值粒径等水流泥沙因素沿断面分布都比较均匀；而沿弯道断面则呈不均匀分布。在凹岸流速及水深较大，泥沙较细且沿水深分布均匀，而在凸岸则相反。如伟那里弯道在1958年10月测验资料，日平均流量2500～3000m3/s，日平均含沙量25kg/m3，主流曲率半径800～1000m时，弯道断面的泥沙不均匀分布特征如表4。
表4 伟那里弯段凹凸岸泥沙特征值对比
根据位山段伟那里及其下游八里庄，土城子河弯的弯、直段水流泥沙测验资料，点绘造床质泥沙（d＞0.03mm）含量与V3/gHω之关系如图2。在测验资料范围内弯道的点群高于直河段的点群，其表达式可以似取为
式中：V为断面平均流速，m/s；H为断面平均水深，m；g为重力加速度，m/s2；ω为造床质平均沉速，cm/s。
图1（一） 1958年10月30日伟那里的流速分布和含水量分布
（a）伟那里39号弯断面流速分布及中值粒径分布；（b）伟那里39号断面含沙量分布；（c）伟那里河弯过渡段30号断面流速分布；（d）伟那里河弯过渡段30号断面含沙量分布；（e）伟那里河弯39断面悬沙垂线泥沙组成比较；（f）伟那里河弯39号断面各垂线含沙量分布比较
图1（二） 1958年10月30日伟那里的流速分布和含水量分布
（g）伟那里河弯段30号直断面悬沙垂线泥沙组成比较；（h）伟那里河弯过渡段30号断面垂线含沙量分布
由图2看出：当V3/gHω＞3时，弯直段的挟沙能力相接近，探讨其原因可能与断面形态及相应之水深，流速的变化特性有关。图3为弯、直段流量同断面面积及平均流速之关系，弯直段V3/gHω相接近的测点，流量均大于3000m3/s，与此相应弯道测验段的过水断面面积已大于直河段的过水断面面积，平均流速则为弯道断面小于直道断面。
又经过点绘V3/gHω与来水流量之间的关系见图4，弯段和直段点群的变化趋势与图2相反，即直河段的点群高于弯河段的点群。这也就意味着在同一流量下，以断面平均水流泥沙因素计算的V3/gHω值为直河段大于弯河段。
但是，经过我们进一步统计弯、直不同河段造床质泥沙含量与流量之关系，见图5。可以看出在通过相同流量时，弯河段和直河段的实测造床质含沙量相接近。
图2 黄河下游弯直段断面造床质含沙量—V3/gHω关系
图3 弯直段断面面积、流速与流量的关系
（a）弯直段断面面积与流量的关系；（b）弯直段断面流速与流量的关系
由于弯河段的水流泥沙因素沿断面的分布较直河段断面更不均匀，以断面平均值计算的V3/gHω值并未反映上述影响。经以伟那里河段测验资料验算弯道断面和直道断面的流速分布不均匀系数α（又称水流运动能量系数），弯道断面的α值均较直道断面的α值为大。α依下式计算：
式中：A、V为断面的面积和平均流速；ΔA为分部面积；u为分部面积中的流速。
图4 黄河下游弯直段V3/gHω—Q关系
图5 黄河下游弯直段ρ—Q关系
如果在V3/gHω中引入流速分布不均匀系数α值，得αV3/gHω。如以αV3/gHω与造床质泥沙含量及流量点绘关系时，弯河段及直河段之点群趋于相互接近。
以上分析说明若仅以断面平均水流泥沙因素来表征弯道河段的挟沙特性，常会引起一定的误差。
（三）位山河段的挟沙能力
黄河下游河南、山东河段的挟沙能力，经验证对造床质泥沙含量，可以用下式代表〔2〕。
图6 孙口站挟沙能力计算值与造床质含沙量的比较
今用位山河段孙口站1956年、1958年、1959年资料代入上式，计算造床质的挟沙能力，其与实测造床质含量间的关系如图6。二者间点群有一定离散，但尚分布于45°线的两侧，考虑影响水流挟沙能力的因素很多，且测点未经鉴别，含沙饱和程度不完全相同，所以可以认为上式尚能近似表达位山河段枢纽修建前的水流挟沙能力。
图7 孙口站流量、含沙量、流速与水深等的关系图
（a）流量—流速关系（1958年）；（b）水深—流量关系（1958年）；（c）漫滩前后Q—V3/h关系比较（1958年）；（d）Q—ζ关系（1957年）；（e）流量—实测含沙量关系（1958年）
为具体了解位山河段的挟沙特性，在图7中点绘了孙口站水流因子V，H及V3/H随流量之变化。图7中资料说明在水流漫滩以前，水深及流速随流量之增加而增大，漫滩后则不再能保持原上涨趋势；主槽部分之V3/H关系同样在漫滩前随流量增加而加大，漫滩后流量虽继续上涨，V3/H值反而呈降低的趋势。而断面含沙量与流量的关系并不全反映上述趋向，而有时为随流量之增加含沙量也加大。由此对河段的挟沙特性得出初步印象为：河段各断面的含沙量除受本河段水流漫滩的影响而调整其水流含沙量的作用外，尚受上游河段的来沙条件所影响。
这里需要强调指出，由于河段内以往水流漫滩后的水流泥沙因素实测资料很少，对于深入了解河段的挟沙特性受到一定的限制。
（四）河段的冲淤特性
根据位山枢纽修建前1952～1959年孙口、艾山间的输沙量资料，按汛前、汛期和汛后统计河段的冲淤情况如表5。
由表5统计，1952～1959年孙口—艾山间总趋势为淤积，共淤积3.63亿t，其中汛期淤积3.01亿t，汛后回淤0.65亿t，汛前则冲刷0.027亿t。在图8中绘制了杨集至艾山河段部分断面标准水位下主槽面积历年变化过程，其中杨集、孙口断面1951～1959年的输沙量变化趋势相应为有冲有淤，总的趋势为淤积，又以孙口断面比较明显，陶城埠以下至艾山各断面历年变化不大。位山枢纽修建前河段内孙口等站1952～1959年水位—流量关系的变化情况同样说明河床逐年为淤积抬高的趋势。
表5 以输沙率求得的孙口、艾山间年内冲淤分配及冲淤总量
为探求河段的冲淤特点，又将位山枢纽修建前受东平湖影响较小的历年各次洪峰过程的水沙特性及河段的冲淤情况进行对比，如表6。从表中统计成果可以看出：位山河段之冲淤同反映来水来沙特性的来沙系数间有一定联系，当来沙系数小于0.010时各次洪峰在河段内均发生冲刷，大于0.015时发生淤积，在0.010～0.015之间时河段呈现时冲时淤，估计可能与来沙的造床质含沙量及其他影响因素有关。
图8 标准水位下主槽面积历年变化
表6 建枢纽前洪峰过程孙口至艾山河道冲淤和来沙系数关系
续表
注“+”表示淤积；“-”表示冲刷。
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