游荡性河道“揭河底”机理及防治对策

武建虎

（运城市水文水资源勘测分局，山西 运城 044000）

1 “揭河底”现象

“揭河底”现象是黄河上独有的一种泥沙运动现象，主要发生在黄河小北干流的龙门及支流渭河河段，其表现是当高含沙洪峰通过时，短期内河床遭受剧烈的冲刷，将河底成块、成片的淤积物像地毯一样卷起，然后被水流冲散带走。这样强烈的冲刷，在几小时至几十小时内能将该段河床冲深几米至十几米。“揭河底”现象形成条件比较特殊，因此被称为黄河奇观。

“揭河底”现象表现为河床在短时间内剧烈冲刷。冲刷期间，在河床的一定宽度内（百余米或数百米）泥浪滔天，大块的河床淤积物被洪水掀起，露出水面高达1～5 m，垂直于水流线，形成一道道泥墙，随即又被冲散，时间长达1～3 h。忽然间，泥墙不再出现，漫滩洪水归于一个数百米宽的深槽，滩面裸露，水位很低，水流很急，但不再咆哮，水面平静，如同黄河壶口以下的龙槽。据统计，1950年以来，黄河小北干流河段共发生过9次“揭河底”冲刷，1977年7月6日21时，黄河小北干流发生“揭河底”，许多人目睹了全过程。2002年7月初，黄河中游吴堡—龙门区间支流普降暴雨，洪水挟带大量泥沙汹涌而下。7月4日晚，龙门水文站洪峰流量达4 600 m3/s，最大含沙量700 kg/m3，从而具备了局部“揭河底”现象的形成条件。

2 “揭河底”被揭起物质分析

被揭物是什么？弄清楚这个问题对研究“揭河底”现象至关重要。很显然，粗沙结构松散，不会被洪水掀起数米高，揭起物应该是强度较大的整体块状物，也就是说，河床中应该有淤泥块体存在。黄河小北干流是黄河干流一段典型的游荡性河道，枯水季节，当地群众经常在河床选料挖沙，留下许多沙包、沙坑，这些沙包、沙坑内部土壤颗粒细微，手捏成团，可塑性强，群众称为“胶泥”，形状如同核体。另据黄河禹门口地质勘测结果，这一带河床淤泥核体较多，且愈接近中弘线，淤泥核体愈发育，所以，“揭河底”掀出水面数米高的块状物质就是这些淤泥核体。

3 淤泥核体形成原因分析

根据研究资料，淤泥核体中黏土的含量平均为40%～50%，化学成分CaCO3和CaO含量较高，也含有部分粗沙，或者层黏层沙结构，一般核体厚度为1.0～2.0 m，部分达到3 m以上，长宽数米至数十米不等。淤泥核体的抗冲流速与土的密度及黏土含量、含水量及干容重有关，在最优含水量及最大密度时，抗冲击流速可达到2～3 m/s。一般洪水和枯水季节，河道流速低于3 m/s，对淤泥核体起不到破坏作用。比较稳定的沙洲和鸡心滩，都有大量淤泥核体存在，起抗冲作用。当发生高浓度洪水时，淤泥核体周围粗沙被水流携带，淤泥核体成为一个个孤立的潜体，这时洪水流速较大（达 4～8 m/s），1964 年“揭河底”发生时，龙门水文站实测最大流速达11.2 m/s，急速高含沙浓度洪水不仅能启动淤泥核体，还能使之冲散，成为悬移质泥沙，水流中细颗粒泥沙的增多，进一步提高了洪水中含沙量浓度，进而又继续携带粗沙和启动淤泥核体。所以“揭河底”现象的发生往往是从上游向下游持续发展，直到河床比降减小、流速降低，或者后续水流含沙量浓度降低达到新的动力平衡，“揭河底”现象才停止。

4 “揭河底”冲刷机理分析

从河流动力学方面分析，水流与河床的相互作用是通过泥沙运动来完成的，在一定水流、泥沙和河床边界条件下，水流具有一定的输沙能力，输沙能力与水力条件和泥沙因素有关。水流运动总是存在着流速梯度，使水流内部不断产生尺度不同的涡漩，这些涡漩不断旋转，并向四周扩散。在高含沙水流中，由于大尺度涡漩具有不稳定性，因此在混掺过程中，会不断分解成中尺度涡漩，即载能涡漩，涡漩使紊动增强，流速略有降低，水深有所加大，水体能量向底部传递和转移。由于床面流层内低频大中尺度紊动的增强，使得脉动流速和压强增强，产生双方面的结果，即一方面脉动压力满足了启动的边界条件，淤积物块体被掀起；另一方面，紊动增强后提高了水流挟沙能力，使掀起的淤积物块体被冲散带走，这将使“揭河底”过程持续下去。由此可知，低频大中尺度紊动能量增加是引起“揭河底”现象的主要原因。在高含沙水流条件下，“揭河底”时的泥沙群体组合（片体、块体）启动方式为脉动压力启动。因此，初步认为：当河床不断淤积，使纵比降和横断面形态调整到一定程度并发生“晾河底”等现象后，为河床成层成块淤积物的形成以及块体边界剪应力及层间黏合力的削弱或消失创造了条件。高含沙洪水出现后，使水流可能掀起或悬浮的成块淤积物有效重力减小，悬浮功变小。若受河床边界条件影响出现大中尺度涡漩，水体动能向底层传递，底层紊动、脉动增强，底层切应力加大，在忽略层间黏合力和块体间的边界垂向剪应力条件下，水体可能掀动的河床淤积物块体最大厚度，与淤积物密度、浑水体密度、糙率系数、底层流速或平均流速等有关。当河床淤积物块体厚度小于这一最大厚度时，涡漩引起的垂向脉动增强，即可促使“揭河底”现象发生。

5 “揭河底”冲刷的影响

“揭河底”冲刷后，形成高滩深槽，过洪能力增大，对稳定河势、降低河道洪水位作用显著，对滩区农业生产也是有利的。但“揭河底”实际上是河床再造，再造床过程中不走原河道，而是走直线，使河势在平面上产生大的摆动，淘刷严重，容易对防洪工程造成威胁，甚至冲垮坝基，危及工程安全，严重时导致工程毁灭性破坏。另外，由于河槽大幅度冲刷，河道下切，会造成机电灌站引水困难等。

6 防御措施

“揭河底”冲刷包含着许多人们尚未认识到的河流泥沙运动特性，需要深入研究，分析成因，做好预报，使可能产生的危害降到最低程度。因此，水文测报是关键，具有举足轻重的作用，水文部门要不断提高测报水平，完善监测设施，加强对河势、水情的监测巡查，及时掌握各种汛情动态。发生“揭河底”冲刷后，应充分利用观测设施设备、摄像、录像等设施器材，及时跟踪监测洪水、河势和“揭河底”变化的全过程，并采集水样、分析含沙量，实地调查出险受灾等情况，为进一步研究探索“揭河底”冲刷规律提供依据。同时加强水文预报，增长预见期，为领导决策提供及时准确可靠的依据，为防洪避险赢得宝贵的时间。

7 结语

“揭河底”是自然动力对游荡性河道的调整过程，“揭河底”现象形成原因复杂，影响因素较多，加强对“揭河底”现象的研究意义重大，研究和探索“揭河底”现象的发生条件、变化规律，将会对治理和保护河道起到积极作用。游荡性河流“揭河底”现象已经引起很多专家关注，“揭河底”现象的发生规律必将被人们所掌握并加以控制和利用。