武建虎

（運(yùn)城市水文水資源勘測(cè)分局，山西 運(yùn)城 044000）

1 “揭河底”現(xiàn)象

“揭河底”現(xiàn)象是黃河上獨(dú)有的一種泥沙運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，主要發(fā)生在黃河小北干流的龍門及支流渭河河段，其表現(xiàn)是當(dāng)高含沙洪峰通過(guò)時(shí)，短期內(nèi)河床遭受劇烈的沖刷，將河底成塊、成片的淤積物像地毯一樣卷起，然后被水流沖散帶走。這樣強(qiáng)烈的沖刷，在幾小時(shí)至幾十小時(shí)內(nèi)能將該段河床沖深幾米至十幾米。“揭河底”現(xiàn)象形成條件比較特殊，因此被稱為黃河奇觀。

“揭河底”現(xiàn)象表現(xiàn)為河床在短時(shí)間內(nèi)劇烈沖刷。沖刷期間，在河床的一定寬度內(nèi)（百余米或數(shù)百米）泥浪滔天，大塊的河床淤積物被洪水掀起，露出水面高達(dá)1～5 m，垂直于水流線，形成一道道泥墻，隨即又被沖散，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)1～3 h。忽然間，泥墻不再出現(xiàn)，漫灘洪水歸于一個(gè)數(shù)百米寬的深槽，灘面裸露，水位很低，水流很急，但不再咆哮，水面平靜，如同黃河壺口以下的龍槽。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1950年以來(lái)，黃河小北干流河段共發(fā)生過(guò)9次“揭河底”沖刷，1977年7月6日21時(shí)，黃河小北干流發(fā)生“揭河底”，許多人目睹了全過(guò)程。2002年7月初，黃河中游吳堡—龍門區(qū)間支流普降暴雨，洪水挾帶大量泥沙洶涌而下。7月4日晚，龍門水文站洪峰流量達(dá)4 600 m3/s，最大含沙量700 kg/m3，從而具備了局部“揭河底”現(xiàn)象的形成條件。

2 “揭河底”被揭起物質(zhì)分析

被揭物是什么？弄清楚這個(gè)問(wèn)題對(duì)研究“揭河底”現(xiàn)象至關(guān)重要。很顯然，粗沙結(jié)構(gòu)松散，不會(huì)被洪水掀起數(shù)米高，揭起物應(yīng)該是強(qiáng)度較大的整體塊狀物，也就是說(shuō)，河床中應(yīng)該有淤泥塊體存在。黃河小北干流是黃河干流一段典型的游蕩性河道，枯水季節(jié)，當(dāng)?shù)厝罕娊?jīng)常在河床選料挖沙，留下許多沙包、沙坑，這些沙包、沙坑內(nèi)部土壤顆粒細(xì)微，手捏成團(tuán)，可塑性強(qiáng)，群眾稱為“膠泥”，形狀如同核體。另?yè)?jù)黃河禹門口地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果，這一帶河床淤泥核體較多，且愈接近中弘線，淤泥核體愈發(fā)育，所以，“揭河底”掀出水面數(shù)米高的塊狀物質(zhì)就是這些淤泥核體。

3 淤泥核體形成原因分析

根據(jù)研究資料，淤泥核體中黏土的含量平均為40%～50%，化學(xué)成分CaCO3和CaO含量較高，也含有部分粗沙，或者層黏層沙結(jié)構(gòu)，一般核體厚度為1.0～2.0 m，部分達(dá)到3 m以上，長(zhǎng)寬數(shù)米至數(shù)十米不等。淤泥核體的抗沖流速與土的密度及黏土含量、含水量及干容重有關(guān)，在最優(yōu)含水量及最大密度時(shí)，抗沖擊流速可達(dá)到2～3 m/s。一般洪水和枯水季節(jié)，河道流速低于3 m/s，對(duì)淤泥核體起不到破壞作用。比較穩(wěn)定的沙洲和雞心灘，都有大量淤泥核體存在，起抗沖作用。當(dāng)發(fā)生高濃度洪水時(shí)，淤泥核體周圍粗沙被水流攜帶，淤泥核體成為一個(gè)個(gè)孤立的潛體，這時(shí)洪水流速較大（達(dá) 4～8 m/s），1964 年“揭河底”發(fā)生時(shí)，龍門水文站實(shí)測(cè)最大流速達(dá)11.2 m/s，急速高含沙濃度洪水不僅能啟動(dòng)淤泥核體，還能使之沖散，成為懸移質(zhì)泥沙，水流中細(xì)顆粒泥沙的增多，進(jìn)一步提高了洪水中含沙量濃度，進(jìn)而又繼續(xù)攜帶粗沙和啟動(dòng)淤泥核體。所以“揭河底”現(xiàn)象的發(fā)生往往是從上游向下游持續(xù)發(fā)展，直到河床比降減小、流速降低，或者后續(xù)水流含沙量濃度降低達(dá)到新的動(dòng)力平衡，“揭河底”現(xiàn)象才停止。

4 “揭河底”沖刷機(jī)理分析

從河流動(dòng)力學(xué)方面分析，水流與河床的相互作用是通過(guò)泥沙運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的，在一定水流、泥沙和河床邊界條件下，水流具有一定的輸沙能力，輸沙能力與水力條件和泥沙因素有關(guān)。水流運(yùn)動(dòng)總是存在著流速梯度，使水流內(nèi)部不斷產(chǎn)生尺度不同的渦漩，這些渦漩不斷旋轉(zhuǎn)，并向四周擴(kuò)散。在高含沙水流中，由于大尺度渦漩具有不穩(wěn)定性，因此在混摻過(guò)程中，會(huì)不斷分解成中尺度渦漩，即載能渦漩，渦漩使紊動(dòng)增強(qiáng)，流速略有降低，水深有所加大，水體能量向底部傳遞和轉(zhuǎn)移。由于床面流層內(nèi)低頻大中尺度紊動(dòng)的增強(qiáng)，使得脈動(dòng)流速和壓強(qiáng)增強(qiáng)，產(chǎn)生雙方面的結(jié)果，即一方面脈動(dòng)壓力滿足了啟動(dòng)的邊界條件，淤積物塊體被掀起；另一方面，紊動(dòng)增強(qiáng)后提高了水流挾沙能力，使掀起的淤積物塊體被沖散帶走，這將使“揭河底”過(guò)程持續(xù)下去。由此可知，低頻大中尺度紊動(dòng)能量增加是引起“揭河底”現(xiàn)象的主要原因。在高含沙水流條件下，“揭河底”時(shí)的泥沙群體組合（片體、塊體）啟動(dòng)方式為脈動(dòng)壓力啟動(dòng)。因此，初步認(rèn)為：當(dāng)河床不斷淤積，使縱比降和橫斷面形態(tài)調(diào)整到一定程度并發(fā)生“晾河底”等現(xiàn)象后，為河床成層成塊淤積物的形成以及塊體邊界剪應(yīng)力及層間黏合力的削弱或消失創(chuàng)造了條件。高含沙洪水出現(xiàn)后，使水流可能掀起或懸浮的成塊淤積物有效重力減小，懸浮功變小。若受河床邊界條件影響出現(xiàn)大中尺度渦漩，水體動(dòng)能向底層傳遞，底層紊動(dòng)、脈動(dòng)增強(qiáng)，底層切應(yīng)力加大，在忽略層間黏合力和塊體間的邊界垂向剪應(yīng)力條件下，水體可能掀動(dòng)的河床淤積物塊體最大厚度，與淤積物密度、渾水體密度、糙率系數(shù)、底層流速或平均流速等有關(guān)。當(dāng)河床淤積物塊體厚度小于這一最大厚度時(shí)，渦漩引起的垂向脈動(dòng)增強(qiáng)，即可促使“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生。

5 “揭河底”沖刷的影響

“揭河底”沖刷后，形成高灘深槽，過(guò)洪能力增大，對(duì)穩(wěn)定河勢(shì)、降低河道洪水位作用顯著，對(duì)灘區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也是有利的。但“揭河底”實(shí)際上是河床再造，再造床過(guò)程中不走原河道，而是走直線，使河勢(shì)在平面上產(chǎn)生大的擺動(dòng)，淘刷嚴(yán)重，容易對(duì)防洪工程造成威脅，甚至沖垮壩基，危及工程安全，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致工程毀滅性破壞。另外，由于河槽大幅度沖刷，河道下切，會(huì)造成機(jī)電灌站引水困難等。

6 防御措施

“揭河底”沖刷包含著許多人們尚未認(rèn)識(shí)到的河流泥沙運(yùn)動(dòng)特性，需要深入研究，分析成因，做好預(yù)報(bào)，使可能產(chǎn)生的危害降到最低程度。因此，水文測(cè)報(bào)是關(guān)鍵，具有舉足輕重的作用，水文部門要不斷提高測(cè)報(bào)水平，完善監(jiān)測(cè)設(shè)施，加強(qiáng)對(duì)河勢(shì)、水情的監(jiān)測(cè)巡查，及時(shí)掌握各種汛情動(dòng)態(tài)。發(fā)生“揭河底”沖刷后，應(yīng)充分利用觀測(cè)設(shè)施設(shè)備、攝像、錄像等設(shè)施器材，及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)洪水、河勢(shì)和“揭河底”變化的全過(guò)程，并采集水樣、分析含沙量，實(shí)地調(diào)查出險(xiǎn)受災(zāi)等情況，為進(jìn)一步研究探索“揭河底”沖刷規(guī)律提供依據(jù)。同時(shí)加強(qiáng)水文預(yù)報(bào)，增長(zhǎng)預(yù)見(jiàn)期，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供及時(shí)準(zhǔn)確可靠的依據(jù)，為防洪避險(xiǎn)贏得寶貴的時(shí)間。

7 結(jié)語(yǔ)

“揭河底”是自然動(dòng)力對(duì)游蕩性河道的調(diào)整過(guò)程，“揭河底”現(xiàn)象形成原因復(fù)雜，影響因素較多，加強(qiáng)對(duì)“揭河底”現(xiàn)象的研究意義重大，研究和探索“揭河底”現(xiàn)象的發(fā)生條件、變化規(guī)律，將會(huì)對(duì)治理和保護(hù)河道起到積極作用。游蕩性河流“揭河底”現(xiàn)象已經(jīng)引起很多專家關(guān)注，“揭河底”現(xiàn)象的發(fā)生規(guī)律必將被人們所掌握并加以控制和利用。