刘 涛

（陕西省江河水库管理局 陕西 西安 710018）

1 渭河下游基本情况

渭河发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，流经甘肃、宁夏、陕西三省，在陕西省潼关县港口镇汇入黄河，流域面积13.48万km2，干流全长818km，是黄河最大的支流，陕西咸阳陇海铁路桥以下至河口208km为渭河下游，河道蜿蜒曲折，滩槽分析。黄河三门峡水库建库前为一条冲淤相对平衡的河流，三门峡水库建成运用后，水库溯源淤积迅速发展，渭河下游泥沙淤积严重，同流量洪水位不断抬升，往往出现高水位洪水，洪水灾害频繁，给渭河下游的防洪带来较大影响。

华县站1973年、2003年洪水、临潼站2005年洪水出现流量小水位高的现象。1973年洪水流量3030m3/s,水位340.95m。1970年洪水流量4290m3/s,水位340.54m。1975年洪水流量4070m3/s,水位340.82m。1973年洪水流量比1970、1975年流量小，水位比1970、1975年水位高。2003年华县站洪水流量3540m3/s,水位342.76m。2005年洪水流量4240m3/s,水位342.28m。2003年洪水流量比2005年洪水流量小，水位比2005年高。2005年临潼站洪水流量4750m3/s,水位358.56m。临潼站2003年洪水流量5090m3/s,水位358.34m。临潼站2005年洪水流量比2003年小，水位比2003年高。

2 漫滩洪水的水流运动特性

2.1 主槽过水能力降低

前苏联学者热列兹拿柯夫在他的实验中发现：水流漫滩后，主槽过水能力降低。即主槽断面平均流速比临界漫滩时的断面平均流速小。随着滩面水深的增加主槽断面平均流速达到最小值，之后随着滩面水深的增加恢复到临界漫滩时的值，再随着滩面水深的增加主槽断面平均流速超过临界漫滩时的值。前苏联学者史皮岑用实验证实了这一发现。之后，世界各国学者的实验都证实了这一现象。用渭河临潼站2005年5次实测漫滩洪水、华县站2005年6次实测漫滩洪水，点绘主槽断面平均流速与主槽水深关系图，见图1。

图中，主槽相对流速为：主槽断面平均流速与临界漫滩水流断面平均流速的比值；主槽相对水深为：主槽水深与临界漫滩水深的比值。从图1可以看到，水流漫滩以后，渭河下游主槽过水能力降低的现象。

2.2 河道壅水抬高水位

前苏联学者史皮岑在滩槽交界面处设计了一道完全不透水的隔墙，把复式断面划分成两个单一河槽，和没有隔墙的漫滩洪水进行比较。重新整理他的实验资料发现，当河道通过相同的流量时，复式断面洪水的水位比有隔墙的两个单一河槽总过水断面的水位要高，见图2。

这个实验揭示出：洪水漫滩后，上游来水形成河道壅水、抬高水位增加势能的现象。众所周知，洪水流量等于断面平均流速乘以过水面积。流量不变，断面平均流速变小，过水面积就要加大，固体边界不变，只有提高水位来增加过水面积。这就是河道形成壅水的基本原理。在天然河道中，1998年长江洪水、1973年和2003年渭河华县洪水、2005年渭河临潼洪水出现流量小水位高就属于这一现象。

3 河流洪水能量耗散理论

学者们对漫滩洪水进行了大量的研究，积累了丰富的研究成果。庞炳东教授在其本人实验和前人实验大量成果的基础上用流体力学的基本理论建立了河流洪水的能量耗散理论。这一理论的要点是：

（1）水流漫滩后，主槽过水能力降低的物理原因是：主槽内水流在运动过程中耗散了大量的有效机械能。河流洪水是实际流体，研究河流洪水，不能忽略水流的粘性。河流洪水漫滩之后，在水流粘性的作用下，形成漫滩洪水的水流结构特性：在滩槽交界面附近存在流速间断面；滩槽交界面附近产生大大小小的漩涡；存在复杂的次生流；紊流强度倍增；主槽内流速梯度沿横向、垂向、流向都比漫滩前明显变大。另一方面，粘性又对漩涡的运动产生阻尼作用，最终将大漩涡分解成小漩涡，小漩涡分解成微漩涡，微漩涡在粘性的作用下消失，变成热量耗散掉了。

（2）由于主槽过水能力降低，上游来水形成壅水，抬高水位，增加势能。河流壅水抬高水位现象，即通常媒体所谓的“异常高水位”，是河流洪水运动的属性。

4 渭河下游高水位洪水的机理分析

图1 渭河下游2005年洪水主槽断面平均流速与主槽水深关系图

图2 史皮岑实验资料

4.1 洪水资料情况

本次分析，选用渭河下游上世纪70年代以来华县站五次洪水，包括华县站1973年、2003年洪水，平均流量3902m3/s、最大流量4800m3/s，平均水位341.81m、最高水位342.65m，平均滩面水深1.44m、最大滩面水深2m，平均临界漫滩流量1866m3/s、最大临界漫滩流量2230m3/s。临潼站七次洪水，包括临潼站2005年洪水。平均流量5350m3/s、最大流量7320m3/s，平均水位357.74m、最高水位358.89m，平均滩面水深0.75m、最大滩面水深1.4m，平均临界漫滩流量4191m3/s、最大临界漫滩流量5123m3/s。

4.2 滩槽流量分配

根据华县站和临潼站的实测洪水资料，其滩槽的流量分配华县站主槽流量占总流量的67%，临潼站主槽流量占总流量的95%。华县站和临潼站漫滩的断面形态不同。临潼站的过水流量集中在主槽，即临潼站的七次洪水都不是大漫滩洪水。

图3 渭河下游主槽耗散动能和滩面水流势能之比与相对滩面水深关系图

图4 渭河下游主槽相对动能与滩面相对水深关系

图5 渭河华县站2003年水位流量关系曲线

4.3 能量场分布

依流体力学动能方程为：

式中，ui，Fi，τij和 ρ分别为速度矢量、质量力、应力张量（包括雷诺应力张量）和流体的密度。可依（1）式估算洪水能量场的分布。

水流中，单位水体的动能为：

假设质量力仅为重力，单位水体的势能为：

单位水体耗散的有效机械能为：

其中μ为水流粘性系数，包括湍流粘性系数。依中国学者刘炳义博士的研究，洪水漫滩以后湍流粘性系数要考虑滩槽交界面的影响。用以上基本方程和刘炳义公式计算渭河下游能量场分布。

从渭河华县、临潼站各次洪水能量场分布的计算成果中可以看出，洪水耗散的动能主要在主槽水流部分。主槽内水流耗散的动能与临界漫滩水流动能之比，平均值为3.29，最大值为8.3；主槽能量耗散的数量远远大于临界漫滩水流的水流动能。而滩地耗散的动能与主槽耗散的动能之比，平均值为0.026，最大值为0.218，滩地水流耗散的动能远远小于主槽水流耗散的动能。用主槽耗散动能和滩面水流势能之比与滩面相对水深（漫滩水深/临界漫滩水深）建立关系，见图3。从图3可以看出，两者有良好的相关关系。

点绘华县站、临潼站洪水主槽相对动能（主槽水流动能/临界漫滩水流动能）与滩面相对水深（滩面水深/临界漫滩水深）的关系，见图4。

从图中可以看出，渭河洪水资料的点子分布在实验室资料曲线的附近。说明渭河洪水和实验室中的洪水遵循相同的运动规律。

4.4 估算河道壅水值

由于主槽损失了大量的有效机械能，主槽过水能力降低，上游来水形成壅水，抬高水位增加势能。需要增加的势能值即为主槽耗散的动能值。可以用公式（3）估算河道的壅水值。

估算结果表明，河道雍水值占滩面水深的百分比的平均值为46.7%，最小值为10.7%（临潼1977年7月7日）。临潼1977年洪水是7场洪水中漫滩最小的一场洪水，漫滩水深仅0.1m；是主槽水流耗散动能最小的一场洪水，仅105焦耳，是临界漫滩水流动能的0.03倍；也是河道雍水最小的一场洪水，仅8mm。

4.5 讨论

古言道，水往低处流。人类很早就认识到，江河流动的动因是地球的重力。水流势能一部分转化为大江大河流动的动能，一部分提供给流层传输动量，一部分在流动过程中耗散掉了。这就是洪水的能量场。不同的边界条件，不同的漫滩型态，水流耗散不同的能量。水面线就是河流的势能线。相同流量，出现不同的水位，就意味着相同流量具有不同的势能。

点绘渭河华县站2003年水位流量关系曲线，见图5。

图5中水位流量关系曲线呈绳套形态，通常人们解释为洪水的涨冲落淤。其实质是水流具有不同的势能。渭河华县站2003年出现1450m3/s流量时的水位不同。最高水位为342.76m，最低水位为341.28m，相差1.48m，势能差为14504焦耳。相同流量的洪水具有不同的势能。渭河下游洪水出现高水位。从洪水运动角度分析，其原因是：“河道比降变缓”、“主槽萎缩”和“演变缓慢”。其机理分析如下：

（1）河道比降变缓

单位水体、单位时间内重力所作的功可以表达为：

式中，g重力加速度，ux为洪水的纵向流速，J为洪水比降。“河道比降J变缓”就意味着地球重力在单位水体、单位时间内单位距离里（例如，1000m）提供给洪水的势能变小。

（2）主槽萎缩”

2003年华县河段出现“主槽萎缩”。2003年临界漫滩水流的过水断面面积华县站为1006m2，小于华县站5次洪水平均值(1284m2)，为5次洪水中的最小值。从渭河华县站、临潼站洪水主槽能量场分布表（表3）可以看到，2003年华县段洪水滩面水深2m，主槽单位水体耗散的动能为8263焦耳，壅水0.84m，主槽耗散的动能为临界漫滩水流动能的8.10倍。而2005年华县段洪水漫滩水深1.04m，耗散水流动能5175焦耳，壅水0.53m，主槽耗散的动能为临界漫滩水流动能的3.68倍。2003年洪水主槽水流耗散的能量大，河道壅水高。这就不难理解华县站2003年流量比2005年小，水位比2005年高的物理机制了。

2005年临潼河段出现“主槽萎缩”。2005年临潼站临界漫滩水流的过水断面面积华县站为1530m2，小于临潼站7次洪水平均值(1624m2)，为7次洪水中的最小值。2005年临潼段洪水漫滩水深1m，主槽内耗散水流动能5230焦耳，壅水0.525m，主槽水流耗散的动能为临界漫滩水流动能的2.17倍。而2003年临潼段洪水漫滩水深0.53m，主槽内耗散水流动能2400焦耳，壅水0.244m，主槽耗散的动能为临界漫滩水流动能的0.96倍。2005年主槽水流耗散的能量比2003年大，河道壅水比2003年高。

渭河华县河段1973年洪水也是一个实例。1973年华县站临界漫滩水流的过水断面面积为1362m2，小于1970年的2280 m2和1975年的2461m2。1973年洪水漫滩水深0.73m，主槽单位水体耗散的动能为3749焦耳，是临界漫滩水流动能的4.33倍。1970年洪水漫滩水深0m，由漫滩引起的水流耗散的动能为0焦耳，1975年洪水漫滩水深0.13m，主槽单位水体耗散的动能估算为64焦耳。1973年华县段洪水，主槽内水流耗散了大量的水流动能是发生高水位的动因。

同一场洪水在不同河段水流耗散的能量不同，水位流量关系也不同。如前分析，2003年洪水，华县站出现流量小，水位高的现象；而2005年洪水，临潼站出现流量小，水位高的现象。

（3）演变缓慢

即洪水漫滩后主槽断面平均流速变小，是主槽水流能量耗散的结果，是洪水运动的属性。

1973年华县站出现“演变缓慢”：1973年华县站主槽断面平均流速1.29m/s，小于1970年的1.30m/s和1975年的1.60m/s。2003年华县站出现“演变缓慢”：2003年华县站主槽断面平均流速1.14m/s，为5次洪水中的最小值。（华县站5次洪水平均值为1.37m/s。）

2005年临潼站出现“演变缓慢”：临潼站主槽断面平均流速2.10m/s，为7次洪水中的最小值。（临潼站7次洪水平均值为2.89m/s。）

5 结论

分析渭河华县站、临潼站12次洪水资料，洪水漫滩后，渭河下游主槽过水能力降低，其原因是主槽内耗散了大量的有效机械能。由于主槽过水能力降低，渭河上游来水形成壅水，抬高水位增加势能。1973、2003年华县洪水、2005年临潼洪水就是实例。不同的边界条件，不同的漫滩型态，水流耗散不同的能量。水面线就是河流的势能线。由于每场洪水耗散的能量不同，不同流量的洪水具有不同的势能，相同流量的洪水具有不同的势能，同一场洪水上、下游河段也具有不同的势能。陕西水利