河流取水工程Word格式文档下载.docx
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由于比降大，流速高，挟沙能力强。
含沙量常处在非饱和状态，有利于河流向冲刷方向发展。
2平原河道：
平原河道按其平面形态，可分为四种基本类型，即顺直型，弯曲型，分叉型和游荡型。
①顺直型河段，该类河流在中水时，水流顺直微弯，枯水时则两岸呈现犬牙交错的边滩，主流在边滩侧旁弯曲流动并形成深槽。
两深槽间距约为5~7倍的河宽，在洪水时，边滩又受水流冲刷而下移，图（2-2-1）是俄罗斯维斯纳河顺直河段的边滩分布图，这种河型在我国长江以及松花江上都有分布，在顺直河段设置取水构筑物时，应探求边滩的发展趋势，以防取水口淤塞。
图2-2-1俄罗斯维斯纳河顺直河段的边滩分布图
②弯曲型河段：
该型河段是平原河道最常见的河型，其特点是中水河槽具有弯曲的外形，深槽紧靠凹岸，边滩依附凸岸。
弯道上的水流受重力和离心力的作用，表层水流向凹岸，底层水流向凸岸，形成螺旋向前的螺旋流。
受螺旋流的作用，表层低含沙水冲刷凹岸，使凹岸崩塌并不断后退。
携带着崩塌泥沙的底层水流向凸岸，使凸岸边滩不断淤塞延伸，从而使整个河身处于向下游蜿蜒蛇行状态，陕西渭河下游，长江荆江河段（如图2-2-2）都是这种河段的代表。
图2-2-2长江下荆江弯曲型河段
从图2-2-2可看到，在长期水流作用下。
弯曲凹岸的不断崩塌后退，凸岸的不断延伸，会使河弯形成U字型的改变。
进而使两个弯顶之间距离不断缩短而形成河环，河环形成后，一旦遭遇洪水漫滩，就会在河弯发生“自然裁弯”从而使河弯处的取水构筑淤塞报废。
老河湾成为与新河隔离的“牛轭湖”不过“自然裁弯”是个逐渐发展的漫长过程，像上图所示的荆江黄泥套河湾发生于100年前的1906年，而且像上述弯道的发展与消亡也不是弯曲性河道唯一的演变过程。
地质条件较好的地段，河弯可长期维持稳定。
③分汊型河道
分汊型河道亦称江心洲型河道，如南京长江八卦洲河段（图2-2-3），其特点是中水河槽分汊，两股河道周期性的消长，在分汊河道的尾部，两股水流的汇合处，其表流指向河心，底流指向两岸，有利于边滩形成。
在分汊河段建取水工程，应分析其分流分沙影响与进一步河床的演变发展。
图2-2-3南京长江八卦洲河段
④游荡型河段
其特点是中水河槽宽浅，河滩密布，汊道交织，水流散乱，主流摆动不定。
河床变化迅速。
像黄河花园口河段就是一个游荡型河段的示例（图2-2-4），该河段平均水深仅1~3m.河道很不稳定，一般不宜在该河建设取水工程，如必须在此引水，应置引水口于较狭窄的河段，或采用多个引水口的方案。
图2-2-4黄河花园口河段
2.3平原河道的水文特性
1、河床纵坡平缓，水面比降较小。
多在1‰~1‰0以下，如长江荆江段比降J=0.42~0.56‰0，汉江下游J=0.39~0.56‰0（山区河流多在1‰以上）
2、流速相对较低，因比降小按谢才公式：
v=
，v与J
成正比，其流速较小，一般都在2~3m/s以下。
3、含沙量较低，其悬浮质主要为细砂或粘土，推移质泥沙与悬浮质泥沙的比重较低，据长江统计资料一般为1%~1‰。
4、洪枯水量与水位变化较小，如长江荆江段，洪水流量仅为枯水流量的13倍，水位变幅为13m，汉江下游洪水流量为枯水的74倍，水位变幅为14m。
而山区河流洪枯流量常常达到100倍，较大的山区河流甚至达到1000倍。
由于洪水来自于降水，我国北方地区降水的时程分布不均衡，洪枯流量变幅也比南方大，如黄河下游地区，最大洪枯流量可达400倍，水位变幅仅数米。
5、河道断面形式：
断面形式因河道型式而异，这是在特定条件下水流与河床相互作用的结果，具有一定的规律性，如图2-2-5所示
图2-2-5平原河流不同河段横断面图
2.4平原河道的相关关系
河流是水流与河床相互作用的产物，水流作用于河床，使河床发生变化；
河床又反过来作用于水流，影响水流结构，二者互相影响，互相制衡。
能够自由发展的平原河流，在水流长期作用下，有可能形成与河段相适应的均衡状态，在水流长期作用下，有关河深h,河宽B,比降J，和流量Q等因素常存在一定的函数关系。
这就是所谓的河相关系，亦称河相相关。
前苏联根据相关资料，求得的河相关资料系为：
（2-1）
我国对于以上公式研究表明，
与河型有关，弯曲河型
较小，游荡河型较大，具体如下表2-3,因而可将
称为稳定河宽系数.
长江与黄河某些河段的
表
河流
河段河壁
长江
荆江弯曲河段
2.2~4.45
黄河下游
高村至陶城埠过渡性河流
8.6~12.4
桃花峪至高村游荡性河段
19~32
2.5河床稳定性指标
河床稳定性对取水建筑物十分重要，河床稳定包括河床底部的稳定性和和河岸的稳定性，即纵向稳定和横向稳定两个方面。
综合
考虑各种因素，并在前人研究的基础上，黄河水利委员会认为可用下式计算河流的稳定指标Zw.
（2-4）
式中：
、
分别为泥沙及水的比重
H为平均水深J为河道比降
D50为床沙中值粒径B为平均河宽
公式描述了不同河型在均衡条件下河宽B，水深H，比降J及泥沙粒径D等河道特征量之间的关系，是冲积河流的综合河相关系。
经过大量天然河流数据论证ZW<
5时，为游荡性河道。
ZW>
15时，为弯曲性河道，ZW介于5~15之间为分汊型河道。
公式（2-4）量纲和谐，不仅能确定河型特性，还能用作河流模拟的相似准数。
一般来说，游荡性河道的ZW值为2.2，弯曲河流为25，稳定分汊河道为13，亚稳定分汊河道为8.
3.0河弯的水流结构
3.1天然河道的平面形态：
天然河道多处于弯弯相连的状态，据调查，天然河流的直段部分只占全河长的10%~20%，，弯道部分占河长的80%~90%以上，所以天然河道基本上是弯曲的，在弯曲河道上布置取水工程应充分了解弯道的水流结构。
3.2弯道的水流运动：
水流进入弯道后，在离心力的作用下表层水流向凹岸，弯道水流离心力F可近似表达为：
（3-2）
式中：
v为平均流速
R为弯道半径
g为重力加速度
为河水容重
由于离心力和水流速度的平方成正比，而河道流速分布是表层大，底层小，离心力的方向是弯道凹岸的方向，因此表层水流向凹岸，使凹岸水面雍高，从而形成横比降。
受横比降作用，在断面内形成横向环流。
如图3-2所示。
前已述及，在环流和河流的共同作用下。
弯道水流的表流是指向凹岸，底流指向凸岸的螺旋流运动。
螺旋流的表层水流以较大的流速对凹岸形成由上向下的掏冲力，使凹岸受到冲刷而流向凸岸的底流，因挟带大量泥沙，致使凸岸淤积。
这种发展的结果便使凹岸成为水深流急的主槽，凸岸则为水浅流缓的边滩。
3.3弯曲河道的水流动力轴线：
水流动力轴线又称主流线。
在弯道上游主流线稍偏凸岸，进入弯道后主流线逐渐向凹岸过渡，到弯顶附近距凹岸最近成为主流的顶冲点。
严格讲：
主流线和顶冲点都因流量不同而有所变化。
由于离心力因流速流量而异。
水流对凹岸的顶冲点也会因枯水而上提。
受洪水而下挫。
常水位则处在弯顶左右。
高浊度水设计规范中常以深泓线形式表达河道水流的动力轴线。
深泓线是沿水流方向河床最大切深点的连线。
也是水流动力轴线的直观表述。
为了解河势变化，常对各不同年代的深泓线绘制成套绘图，深泓线紧密的地方均可作为取水口的备选位置。
图3-3-1和图3-3-2分别为包头河流中心线的变化图和河床横断套绘图。
图3-3-1包头河流中心线的变化图
图3-3-2河床横断套绘图
3.4弯曲河道的最佳引水点
北方河道的洪枯水量相差悬殊，枯水期引水保证率较低，一般只能够引取河道来流的25%~30%，为了保证取水安全，并免于剧烈掏冲，引水口最好选在顶冲点以下距凹岸起点下游4~5倍河宽的地段。
或在顶冲点以下1/4河弯处。
另据达涅利亚研究，理想取水点的位置从弯道起点算起，其距离由下式确定：
（式3-4）
3.5格氏加速度
造成水面横比降的离心力系为惯性力，是维持水流运动不变的力量，地球由西向东自转，迫使整个水流作旋转运动，其向心力指向地轴，而惯性力恰好与其相反，作用在受迫旋转的物体上。
在我们的北半球，如果江河沿纬线东流，向心力指向地轴，而水流的惯性力则指向南岸，换言之，正是河流南岸的约束，迫使水流逥绕地轴作旋转运动。
学者们总结格氏加速度的结论是：
在北半球，水流总是冲压右岸，在南半球，水流则紧压左岸。
格氏加速度提示我们，由地球自转所产生的惯性力使水流向右岸偏离，主流线一般偏向右岸，右岸引水会靠近主流。
4.0河流取水的洪枯分析概要
4.1河流洪枯分析的必要性
现行室外给水设计规范明确指出：
江、河取水构筑物的防洪标准，不应低于城市防洪标准，其设计洪水重现期不得低于100年。
要求枯水位的保证率采用90%~99%。
而且该条文为强制性条文，必须严格执行。
这样，我们在进行取水工程设计时，就必须对河流的洪水流量。
枯水流量和相应的水位等参数进行认真的计算和校核，让分析计算成果更加符合未来的水文现象实际。
但江河的洪、枯流量有其自身特点。
上游水库的调蓄、发电运用在很大程度上改变了河流水情。
在进行频率分析计算时，必须考虑其影响。
另外河流多年来的开发建设也为我们提供了许多水文特征数据，应充分利用这些数据来充实和校验我们的频率分析成果。
4.2频率分析样本的选用
取水工程频率分析计算的任务，是根据已有的水文测验数据运用数理统计原理来推断未来若干年水文特征的出现情况。
这是一种由样本（水文测验数据）推算总体的预测方法。
按照数理统计原理，径流成因分析和大量的水文实践验证，我国河流的枯、洪流量变化统计地符合皮尔逊Ⅲ型曲线所表达的变化规律。
因此，用这种方法计算河流的洪水和枯水设计参数是适宜和合理的。
给排水设计手册以较大篇幅对频率分析方法进行了详细介绍（见给排水设计手册第三册），这里不再重复。
但需要指出的是，统计时所使用的样本数据必须前后一致，江河上游水库的调蓄运用，改变了流量和水位的天然时程分配，使实测水文资料的一致性遭到破坏。
统计分析时，不能不加区别的笼统采用，一般情况下，要将建库后的资料如水位、流量等还原为天然情况下产生的水位和流量，使前后一致起来。
才能一并进行频率分析计算。
因为我们的频率分析，是由‘部分’推断‘全局’，由‘样本’推断总体的一种预测。
由于水文资料年限较短，样本较少，而预测的目标值却要达到百年或千年一遇，预期很长。
因此样本的选择就会十分重要，应严格坚持前后一致的原则，否则就会因样本失真而造成失之毫厘差之千里的错误。
坚持样本条件前后一致的原则，还会遇到另一种情况，即人工调控后的水文资料年限较长，如20年到30年，可以基本满足频率分析对样本的数量要求。
这时，还应当对样本的统计规律进行分析判断。
上世纪九十年代，我公司承接包头供水工程时，对该河段洪枯分析做了大量分析计算，图4-1为水文要素统计表，图4-2、图4-3、图4-4为洪、枯流量和水位统计曲线图。
图4-1为水文要素统计表
图4-2图4-3图4-4
还应强调指出，频率分析并不能十分理想的解决设计洪水和枯水的一切问题，为使设计数据更加稳妥，应首先进行该河段暴雨洪水基本特性分析，了解洪水的成因、来源、组成等特性和规律，为计算成果提供依据。
其次还要参照相关工程进行分析验证，使成果更加接近未来的水文实际。
为此，大量搜集相关水文计算成果，进行反复参照验证也属十分必要。
4.3洪水统计参数的沿程变化
水文特征值的变化符合皮尔逊Ⅲ型曲线的变化规律，皮尔逊Ⅲ型曲线是不对称的概率分配曲线，如图4-3-1
图4-3-1皮尔逊
型曲线为不对称机率分配曲线
皮尔逊曲线由如下方程表达。
式中yd为众值坐标，r=
，d为偏差半径，a为众值与曲线左端的距离。
经过积分换算得到频率p是Cv、Cs与X值的函数，即：
Cv、Cs均为统计参数，其中X为均值，是个统计系列的算术的平均数，流量统计中它代表着该河段的平均水量。
Cv为变差系数，是均方差与均值的比值，表达着随机变量系列对均值的离散变化。
流量统计中Cv表征着河段流量的稳定情况。
Cv越大，表明历年变化的不均匀性越大，Cv的变化与流域大小和流量有关，一般河流上游Cv值大，下游Cv值小。
内陆地区Cv值大，沿海则小。
Cs为偏差系数，表达着系列中出现频率最高的众值对均值的偏差情况，我国大部分河流洪峰流量的Cs值在（2-4）Cv之间变化。
下表是贵德（青海省）、兰州和河口镇洪峰流量Qm（m3/s）及15日（15d）洪水流量W15（亿m3）与Cv、Cs的变化情况。
黄河上游洪水统计参数的沿程变化表
站区
流域面积
项目
均值
Cv
Cs/Cv
贵德
133650
Qm
W15
2470
26.2
0.36
0.32
4
兰州
222551
3900
40.8
0.34
0.33
河口镇
367898
2790
25.5
0.40
0.41
3
2.5
现将黄河上游兰州等地洪水频率特征值列表如下，以供分析计算和校验参考。
表中亦将黄河中游的龙门站列入，原因是河口镇至龙门间已建成万家寨水库。
万家寨水库建设在山西偏关和内蒙古准格尔间的黄河干流上，总库容9亿m，有效库容4.5亿m，最大坝高90m，正常蓄水位980m，库区距鄂尔多斯较近，可以考虑作为准格尔和鄂尔多斯的引水水源。
5.0取水构筑物位置的合理选择
在平原型，特别是多沙平原型河道上选择取水构筑物，常有河床变迁，主流脱流之虞。
黄河上的许多取水口，都因对河床变迁预测不足而淤塞废弃。
因此，在给水工程实践中，合理的选择取水构筑物位置，除遵循设计规范和设计手册所列的各项一般原则外，还要结合取水河段的泥沙运动规律和河道演变特点，从洪枯变化、河道走向，冲淤状况和地质地貌等方面进行综合分析判断，必要时，通过水工模型实验来最后确定。
图5.0就是我院对包头取水口选择的方案汇总图。
图5.0我院对包头取水口选择的方案汇总图
5.1选择取水构筑物位置需收集的资料
取水构筑物的位置选择，是建立在对河段水文状况，河势变化，河相条件及工程地质资料充分分析的基础之上。
为此，必须在现场勘查的基础上，搜集和占有大量的相关资料。
一般来说，需搜集的资料包括下列几个方面：
1）水文资料
1历年洪、枯水位及相应流量，含沙量；
2洪水、中水、枯水及p=1%，p=50%p=75%及p=99%保证率下的相关流量、水位及其水、沙过程资料；
3历年逐日平均含沙量及沙峰过程资料；
4泥沙颗粒分析和级配资料；
5水位流量的相关曲线；
6各种流量状态（高、中、低）的水面比降记载资料；
7河段附近的水利工程情况（已建在建和规划）；
8大型水利设施建设后对河道的运用影响；
9历年的水温变化及冰情；
10历年洪、枯水位时的水质分析资料。
和相关资料；
2）河相资料
①水深、河宽、比降以及河道纵坡；
②平滩流量，相应水深和河宽；
③河床纵断和横断图；
④历年河势变化图，中弘线变迁图；
⑤历年河道平面图；
⑥河床质中粒经及其变化；
⑦河道冲淤变化的记载及相应流量、水位资料。
3）地质资料
①河道地质纵断面；
②河道地质横断面；
③取水点上下游1000m左右有无基岩露头或防冲控制点；
4）其他资料
①河段的水利工程规划，航运规划；
②城市和河段的洪水设防标准及防洪工程运用情况；
③河道险情及其工程应对措施；
④附近的取水工程运用情况。
5.2取水河段的冲淤变化分析
河道的冲淤变化，即河道演变是极其复杂的水、沙过程，影响因素很多。
实践中通常采用以下4种方法进行分析研究
1）对天然河道的实测资料进行分析。
2）运用泥沙运动理论和河道演变原理进行计算。
3）通过河工模型试验，对河道演变和取水构筑物工作状况进行预测。
4）用条件相似河段的实测资料进行类比分析。
以上几种方法中，分析其天然河道资料，是最重要的方法。
5.3天然河道实测资料分析
河道冲淤变化是挟沙水流与河床相互作用的结果，影响河道演变的主要因素有来水来沙，河道比降，河床形态和地质情况等。
要紧紧抓住以上因素，找出其互相联系的内在规律，并预测其冲淤发展趋势。
1）河道平面变化：
为找出其平面变化规律，应大量搜集、历年的河道地形图，河势图，根据坐标系统或控制点位置（如固定断面、永久性水准点、永久性的地形地标志等），分别加以套绘。
除套绘平面图外，还可绘制横断图。
这样就可分析了解河道纵、横断面形态及其冲淤变化情况。
2）河道纵向变化：
为了解河段的冲淤变化，可将河段历年测得的深泓线（或河床平均高程）绘制在同一坐标图上，便可得到其纵向冲淤变化情况。
根据历年水位、流量实测资料，做同一流量的水位过程线，可以得到历年河床的冲淤变化。
特别是对枯水期历年的水位变化分析。
一般来说，枯水期河床是比较稳定的，如果在相同枯水流量下水位发生变化，说明河床必有所变化。
3）来水来沙情况分析：
来水来沙条件是影响河道变形演变的主要因素，应进行详细分析以寻求冲淤变化的原因和规律。
4）河床地质资料分析：
河床地质资料是影响冲淤变化的又一重要因素。
当河床由松散沙质组成时，河床不太稳定，其变化会比较剧烈；
当河床由较难冲刷的土质构成时，河道演变就比较缓慢，河床比较稳定。
在分析河床地质情况时，要依据地质钻探资料绘制地质剖面图。
在分析了以上4方面资料后，再根据河道演变的基本原理进行由此及彼的综合分析，便可基本预测出其演变的发展趋势，从而为取水构筑物的选择提供依据。
5.4黄河取水位置选择的几个条件
新版室外给水工程设计规范对取水构筑物的位置的选择做了比较详细的规定，除遵守这些规定外，鉴于黄河主流摆动，水、沙危害，河道冰情以及冲刷强烈的特点，取水工程建设还要重点考虑以下七项条件：
1）取水河段应主流稳定，取水口位置要靠近主流。
而且取水口水位的洪枯变化都不应对水质水量产生明显影响。
2）河段有支流汇入时，取水口应选择在支流汇入的影响范围之外，黄河宁蒙河段的水、沙特点是水少沙多，汛期支流常有高含沙水洪水发生，挟带大量泥沙的支流洪水汇入黄河后，会因水面开阔，流速突然降低而发生泥沙的大量沉积，形成洪积扇形沙坝而堵塞取水口，甚至堵塞整个河道。
1963年和1989年内蒙古包钢取水口附近，都有以上情况发生。
1989年黄河支流的西柳沟的一次高含沙水流，在西柳沟河口的黄河河床上形成了1km长，4m高的沙坝，坝体堆积泥沙3000万吨，使昭君坟水位抬升2.18m，比1981年洪峰流量为5450m³
/s时的水位还高出0.52m，回水影响70km，历时25天，沙坝才逐渐冲开。
这次的沙坝使包钢水源地的两个取水口全部淤堵，严重影响了包钢生产和包头市供水。
据记载，西柳沟在有资料记录的30年间已发生过7次类似沙坝，对取水构筑物危害严重。
因此，在选择取水口必须避免支流汇入对取水口的影响。
3）取水口应选在冰水分层且浮冰能顺流而下的河段。
宁蒙河段均有流凌情况发生，取水口合理的选择，应是流冰能自行顺流而下，取水而不取冰的位置。
在水流湍急的河段，大量冰花杂于水中，常在取水口栅栏上结成冰障，甚至阻塞取水窗口。
给运行带来不利影响，为此，取水口应选在水流平稳，冰水可自然分层，浮冰可自行排除的河段。
一般流速v>
1.8m/s时，水花可在水层中上下跃移，当v<
0.7m/s时则可游出水面下游。
4）取水口应选在工程地质条件良好的河段：
黄河含有大量泥沙，其冲刷能力很强，冲刷深度较大，在沙质和沙卵石河床上，一般冲刷深度约为15m~20m，如石嘴山电厂取水口附近，其冲刷深度为19.6m，郑州铝厂取水口，冲深为21m。
如果取水口设在抗冲能力较强的基岩上，取水口的埋深就可大大降低。
5）取水口可选在河道比较顺直没有分叉的河段。
一般顺直而没有分叉的河段，其演变规律是宽——窄——宽，不致发生主流绕过取水点另辟新河的河势变化，因此，把取水构筑物设置在河宽较窄，流速较大，主流靠近岸边的一侧，其主流脱流一般不会发生。
至于该河道是否相对稳定，则可根据河流稳定性指标ZW来判定，如前所述Zw值越小，河道越不稳定，当z>
15时，河道则相对稳定。
6）尽量选在弯曲河段凹岸的下游，河流在弯道处会形成明显的横向环流，在主导流行和横向环流作用下，水流将以螺旋流的形式向下游推进。
从弯道起点开，在4~5倍于河宽的弯道下游螺旋流的强度最大，这里水流集中，水深也最大。
由于环流的作用，含沙量较低的表层水向凹岸集中，而含沙量较大的深层水则流向凸岸，其分沙效果也十分明显，黄河上的许多取水构筑物，包扩下游的大型引水口，都充分利用了这一特点，收到较好的引水和防沙效果。
如山东打渔张引水口。
图5-5山东打渔张引水口河势图
打渔张引水口闸位于博兴王旺庄。
该处河宽400~500mm。
引水闸建在弯道顶点下游的500~700m处，引水闸中线和低水位时的水流方向夹角（引水角）为40度，该闸自1956年建成以来，河势稳定，主流近岸。
在洪、中、枯各种流量状况下，都能顺利引水。
闸前也未曾发生严重淤积。
弯道凹岸的顶冲点常随河水流量的减少增大而‘上提下
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