隨著河流開發(fā)利用程度的提高，河流從源頭到河口就是不斷匯流到不斷分流（包括引水灌溉等造成的分流）的過程，沿程匯流使河流流量不斷增大，引水分流使河流流量不斷減小。伴隨流量的增減，河流輸沙與河床演變或多或少地發(fā)生變化，了解匯流與分流及其對輸沙與河床演變的影響特性，不僅對河流動力學(xué)是一個重要的補(bǔ)充，而且還有更重要的實(shí)際意義。

　　引水工程的修建為人類的生存和發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，但也或多或少地改變著人們賴以生存的自然環(huán)境，而對上下游附近河道的影響是最直接和最明顯的。水電樞紐雖然改變了天然情況下的水沙過程，減少了下泄沙量，但并不一定大大地減少了水量；灌溉供水或發(fā)電引水雖然有時也有一定的壅水作用，引走了水留下了沙，造成下游河道的淤積。如圖2所示。

　　1、有壩引水工程下游的河床演變

　　1.1 下游河道的沖刷與淤積

　　有壩引水工程運(yùn)行使用后，上游因壩前水位壅高發(fā)生淤積，類似于水庫淤積；下游因下泄沙量減少而發(fā)生沖刷，尤其是壩后局部沖刷。隨著上游壩前河段淤積的平衡，泥沙輸往下游，因大量引水使下泄流量降低和相應(yīng)的輸沙能力降低，導(dǎo)致下游河段淤積。

　　我國多沙河流上引水工程的引水率很高，排沙用水很少，加上多沙河流來沙量大，河道寬淺散亂，河床淤積普遍[1].如新疆的奎屯河舊渠渠首下游淤積4～5m，八音溝渠首下游淤積3～6m，瑪納斯河渠首下游淤積2.5m.又如陜西的織女渠首、榆惠渠首、李家溝渠首等。由于淤積而造成閘門無法使用的現(xiàn)象很多。且多年使用后下游河床抬高，原來的攔河溢流壩都被泥沙淤埋，不得不加高壩頂。

　　國外類似的渠首引水后給下游河道同樣帶來的淤積問題。如美國的阿肯撒斯河約翰馬丁壩下游5英里處修建一引水分流工程后，雖然使河道停止了沖刷但卻開始了淤積等[1～2]］。據(jù)分析造成下游河道的淤積的原因還有引水工程建設(shè)過程中產(chǎn)生的泥沙、上游的沖刷、河岸侵蝕與河道淤積物的重新分布、風(fēng)沙、支流來沙和引水分流。

　　1.2 下游淤積量的估算

　　由于壩前水位壅高等水流條件的改變，引水工程下游會產(chǎn)生淤積，斷面形態(tài)和縱比降也會調(diào)整，這種調(diào)整有時甚至影響到引水工程效益和壽命。因此有必要對河道斷面形態(tài)和縱比降變化作出估算。

　　1.2.1 沖刷平衡計算方法

　　當(dāng)河床經(jīng)過較長時期的沖刷后，河床縱剖面將達(dá)到河床泥沙停止起動的狀態(tài)。在河床組成為均勻的中細(xì)沙及下泄水流基本上為清水的條件下，當(dāng)沖刷后流速降至起動流速時，河床沖刷便將停止，河相關(guān)系可采用，Bα/H=ζ，取α=0.5，可以得到?jīng)_刷終止?fàn)顟B(tài)下的比降、河寬和水深分別為

　　J=50ζ0.60n2d0.64Q-0.33（1）

　　B=0.34Q0.64ζ0.72d-0.23（2）

　　H=0.58Q0.32d-0.11ζ-0.64（3）

　　在實(shí)際計算中，流量Q常選取為造床流量，床沙粒徑d根據(jù)床沙級配確定，對于覆蓋層較厚的沙質(zhì)河床，考慮到?jīng)_刷停止時床沙組成將要邊粗，因此作為略估可選用d80～d85.

　　1.2.2 淤積平衡計算方法[1]

　　當(dāng)下游河道處于淤積狀態(tài)時，應(yīng)采用極限淤積縱剖面進(jìn)行估算。此時河道各處泥沙交換已經(jīng)進(jìn)入平衡狀態(tài)，各處的輸沙率相等，輸沙率沿程不變。下泄流量減少后，排到下游的沙量減少甚微，粒徑也無大變化，河床糙率變化不大。故可假定n、d等值均為常數(shù)，但河相系數(shù)則有較大變化，下游河道可能由單一的寬槽變?yōu)榇疁�，下游河道在流量減少前后的縱剖面關(guān)系可簡化為

　　J2=J1（φ2/φ1）0.63（Q1/Q2）0.31（4）

　　式中 J1、J2為淤積前后的河床比降；Q1、Q2為引水前后進(jìn)入下游河道的流量；φ1、φ2為淤積前后的河相系數(shù)。河相系數(shù)相差較大，一般為0.3～1.0.由此，下游河道的淤積厚度、淤積量、淤積長度分別為

　　ΔZ=J1 [（φ2/φ1）0.63（Q1/Q2）0.31-1]L（5）

　　W1=ΔZLBγ'/2（6）

　　L=（2QsT）0.5/[ρ′gBJ1（φ2/φ1）0.63（Q1/Q2）0.31-1]0.5（7）

　　式中 Qs為河道輸沙率；T為輸沙歷時；B為河寬；ρ'為淤積體干密度。

　　2 無壩引水工程附近河床演變

　　有壩引水工程所造成的上下游的水沙運(yùn)動類似于水庫，而無壩引水工程則有所不同，其差異主要表現(xiàn)在前者造成了壅水或上下游水流的某種不連續(xù)性，而后者則不一定是壅水甚至是降水，另外水流也總是連續(xù)的；前者因壅水而引起上游河流的泥沙淤積，后者則有可能產(chǎn)生沖刷。但在引水分流造成泥沙淤積方面，二者是相似的。

　　2.1 分水口流態(tài)分區(qū)[3]

　　根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，引水口前流態(tài)可分為：

　　1.加速區(qū)：分水口上游，是方向一致的兩種水流即等速均勻流與分水口自由出流合成的彎曲水流。

　　2.穩(wěn)速區(qū)：臨近加速區(qū)一側(cè)的為穩(wěn)速區(qū)。

　　3.擴(kuò)散減速區(qū)：穩(wěn)速區(qū)水流下行成為分散水流，形成擴(kuò)散減速區(qū)。

　　4.分離減速區(qū)：擴(kuò)散減速區(qū)水流同時又是彎曲水流，在這股水流的凸邊部分，即分水口對岸主槽邊墻附近水流流速較低，且流速隨距邊墻距離的增加而增大。

　　5.潛流加速區(qū)：位于分水口下唇內(nèi)緣，加速區(qū)水流集中流入本區(qū)。

　　6.潛流減速區(qū)：位于分水口下唇外緣。

　　7.滯流區(qū)：位于下唇外緣，是加速區(qū)、擴(kuò)散減速區(qū)、潛流加速區(qū)和潛流減速區(qū)四股水流相持的地方。

　　8.回流區(qū)：在分水口上唇內(nèi)緣，因水流分離而形成。

　　2.2 引水口附近河床的沖刷與淤積

　　從黃河下游的實(shí)際情況來看，引水后引水口門處水位降低，因而在附近河段會產(chǎn)生以下現(xiàn)象：

　　口門以上河段水面比降加大，流速增加，水流輸送泥沙的能力勢必增大，從而引起上游河段的溯源沖刷；口門下游則正好相反，因流量減少，比降減小，再加上上游來沙增多，可能會引起口門以下河段的淤積。對河道而言，引水口口門以上河段的沖刷是有利的一面，但以下河段的淤積將是不利的一面。

　　無壩引水口附近的河床沖淤現(xiàn)象顯然與有壩情況下的不同。有壩情況下壩上游的河床變化類似與水庫淤積，但淤積的數(shù)量一般要小于水庫；而無壩情況下上游的河床變化則類似于水位突然降低后的溯源沖刷現(xiàn)象，雖然沖刷的影響范圍有限。有壩與無壩引水分流對下游河道的影響基本是一致的，都將造成下游的淤積，雖然在壩下局部河段有時仍可能發(fā)生沖刷現(xiàn)象。

　　3、多口引水對河床演變的影響

　　黃河下游是多口引水情況。70年代，黃河下游來沙量較大而來水量較少，相對來沙量明顯偏多，致使黃河下游淤積嚴(yán)重。整體而言，分流將部分泥沙輸送到了河道和河口三角洲以外，減緩了河口的延伸淤積速度；同時，放淤或分流要使清水返回黃河，才能使河道減少淤積。近十年來，兩岸引黃發(fā)展很快，引水對黃河河道的變化是增淤，還是減淤，不少學(xué)者有不同看法。一類是利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行推算，即先用實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證，再推算沒有引水時河道的淤積量，二者相比便可求得增淤量；另一類根據(jù)黃河下游的實(shí)測資料，建立水沙輸移關(guān)系，按照這一關(guān)系推算有無引水河道淤積量的差別。從黃河的情況分析或數(shù)學(xué)模型計算，引黃使黃河下游河道增加的淤積量約占來沙量的2%左右；從水沙輸送關(guān)系分析，引水率較小時引水將使河道增淤；引水率較高時使河道減淤。

　　4、引水工程對河口的影響

　　引水工程不僅對工程上下游產(chǎn)生一定影響，對河口也會產(chǎn)生相當(dāng)?shù)挠绊�。河口是徑流與潮流作用相互抗衡的地區(qū)。如徑流與潮流的相互關(guān)系發(fā)生了變化，河口地區(qū)將必然作出調(diào)整以適應(yīng)這一變化。

　　加拿大的東干河流域面積5萬km²，東西長約500km.引水前該河25年的年均流量900m³/s，最小流量140m³/s，洪峰流量為最小流量的35倍。在河口以上160km處的引水工程于1980年7月19日運(yùn)用后，流量下調(diào)至50～510m3/s，平均流量90m³/s左右，僅為天然流量的10%.由于引水工程的啟用，下游平均流量減少90%.經(jīng)過4年的觀測，認(rèn)為河口主要發(fā)生了如下變化[3].

　　引水前夏季大潮汛鹽水入侵河口內(nèi)僅2km，冬季冰層下向上游入侵5km；引水后工程下游的流速8天內(nèi)從0.35m/s減至0.05m/s，河口2m和4m水深的平均速度從0.45m/s和0.26m/s降至0.10m/s和0.044m/s，一個月后降到0.06m/s和0.018m/s.口門處的平均水位也下降了0.41m，M2潮差增加約30%.后來，過去很少進(jìn)入河道下游的鹽水，進(jìn)入內(nèi)陸，引水?dāng)?shù)周后鹽水入侵口門以上8km.由于西風(fēng)導(dǎo)致潮差增大及較大的壅水作用，流量減小使余潮流速降低95%，平均潮流流速增大30%.

　　引水工程開始啟用后，下游河道的含沙量驟然增加，比常年全年的正常值要大許多。河口口門以上32km處河道含沙量的變化。造成含沙量增大的原因可能是引水工程下游水位下降而使兩岸坍塌以及下泄水流含沙量較高所致。最大渾濁帶的含沙量分布及確切位置不穩(wěn)定。天然或人為造成的河流流量的波動將周期性地使鹽水和懸浮泥沙沖向口門及其以外。引水后河口的淤積物覆蓋在引水前的河床上，每年的凈淤積率為2～5cm.對引水3年后的測量資料進(jìn)行了含沙量與含鹽度關(guān)系分析，證明底部含沙量在1981年以后增大了。引水后進(jìn)入河口的年輸沙量減少了十分之九。

　　5、其他水電樞紐對引水工程的影響

　　水電樞紐的修建和運(yùn)用不僅改變了庫區(qū)的水沙狀況，也改變了下游的水沙過程，而水沙條件影響河槽幾何形態(tài)，使河床受到?jīng)_刷，甚至粗化等，如影響下游防護(hù)工程、橋墩和引水工程，沖刷河岸等。

　　水流過程的變化主要表現(xiàn)是枯水流量時期縮短或增大，洪峰減小，中水流量持續(xù)時間增加，流量過程均勻化。電站水頭越高，庫容越大，這種作用就越加明顯。另外還取決于電站的運(yùn)用方式。電站水位的壅高在蓄水發(fā)電的同時，也攔截了部分來自上游的泥沙，使下泄沙量減少，下泄泥沙組成變細(xì)。黃河的情況不僅如此，而且由于上游水庫群的聯(lián)合運(yùn)用，下游水量也受到了影響。

　　在黃河上修建了鹽鍋峽和八盤峽水庫后，下游也發(fā)生了一定的變化。如分析蘭州水文站在此期間水位和流量關(guān)系，建庫初期若干年內(nèi)下游河道同流量下水位降低，說明下游處于沖刷狀態(tài)；當(dāng)水庫淤積基本達(dá)到平衡后，下游河道同流量下水位開始上升，說明下游不再沖刷或開始回淤。1962年鹽鍋峽水庫開始運(yùn)用至1968年，蘭州站河道同流量下水位下降了20cm；1976年八盤峽水庫開始運(yùn)用至1983年該河段同流量下的水位又下降了20cm左右；1983年以后變化不大[3].

　　水電樞紐下游的沖刷不僅受下泄含沙量的影響，還隨河床組成會有所變化，且沖刷的發(fā)展也有一定距離，超過這一距離河床就會轉(zhuǎn)而淤積，沖上段淤下段。如美國的科羅拉多河帕克壩下游約160km長的河道沖刷為下游65km河段上的淤積提供了泥沙來源。

　　6、結(jié)語

　　引水工程對河流或多或少地產(chǎn)生著影響。在科研生產(chǎn)實(shí)踐中，要充分考慮河流演變對引水工程的影響，還要注意到引水對河流的可能影響，以及其他已建與在建水電工程對引水的影響。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 羅福安，徐永年等。寬淺河流高引水率樞紐的防沙布置和運(yùn)用。泥沙研究，1990，（2）。

　　[2] Petts， Geoffrey E.， Impounded Rivers， Published by John Wiley and Sons Ltd.， 1984。

　　[3] 梁志勇，徐永年，羅福安等。引水防沙與河床演變。建材工業(yè)出版社，1999年。