黃河口刁口河流路輸沙容量研究

陳雄波，魯 俊，陳松偉

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，450003，鄭州）

中華人民共和國成立后，黃河口地區(qū)生產(chǎn)發(fā)展對防洪要求日益迫切，不允許尾閭河道任意自然改道。1953年改甜水溝、宋春榮溝、神仙溝分流入海為神仙溝獨流入海；1964年1月由于河道淤積使水位抬高，凌汛期在羅家屋子爆破分洪，水由刁口河流路入海。至1976年汛前，刁口河淤積延伸，流量為6500m3/s時西河口水位達到當時預計的計劃改道水位（大沽高程10m），1976年5月在西河口實施了有計劃的人工改道，由清水溝流路入海，行河至今。刁口河故道走向示意圖見圖1。

刁口河故道停用41年，由于河道多年不行大水，受自然因素影響，護灘風化塌落，主槽不斷淤積，主河槽萎縮日趨加?。涣硗?，故道內(nèi)土地肥沃，油氣資源豐富，口門處海洋資源充足，土地使用空間

一、流路輸沙容量概念的提出和意義

根據(jù)1950年7月—2010年6月大，多年來故道內(nèi)相繼開發(fā)建設(shè)了化工廠、農(nóng)場、碼頭等，開發(fā)了耕地、林地，修建了相應(yīng)的輸水建筑物及蓄水工程，人為改變了故道主河槽的自然形態(tài)，目前刁口河故道大部分主河槽已經(jīng)不復存在，水面寬僅20～30m。實測資料統(tǒng)計，利津水文站多年平均來沙量為7.44億t，而黃河口造陸平衡的來沙量為3億t，使得河口演變規(guī)律為“淤積、延伸、擺動、改道”，流路變遷頻繁。由于今后來沙量仍較大，不宜長期使用一條流路?！饵S河河口綜合治理規(guī)劃》規(guī)定的流路安排是：近期優(yōu)先使用清水溝流路，該流路使用結(jié)束后啟用刁口河備用流路，并加強對同時行河等方案的研究；十八戶、馬新河是遠景的備用流路。

圖1 刁口河故道走向示意圖

對于多泥沙河流的河口，本文提出“流路輸沙容量”的概念，用以表征一條流路從開始啟用，到最終被自然或者人為廢棄期間通過流路的泥沙總量。

輸沙容量表示的是在一定來水來沙條件、一定改道控制條件、一定運用方案下流路全壽命使用周期通過的泥沙總量，提出該概念有如下意義：①有利于優(yōu)選入海流路，確定刁口河、馬新河、十八戶等能夠通過的泥沙量；②有利于比選流路的運用方式，提出刁口河等備用流路在不同運用方式下的過沙量；③確定流路的輸沙容量后，可以確定行河年限，分析黃河口生態(tài)環(huán)境情況，以利于地方經(jīng)濟社會發(fā)展和勝利油田開發(fā)。

本文以刁口河為對象，研究該流路的輸沙容量。

二、流路輸沙容量的計算邊界條件和方法

1.設(shè)計水沙條件

2012年通過水利部審查的《黃河水沙調(diào)控體系建設(shè)規(guī)劃》，計算了3個50年系列，時段為2008年7月—2158年6月。采用該規(guī)劃的3個50年系列，其中后2個50年系列的水沙平均值完全相同。該規(guī)劃在2008年7月—2017年6月期間水沙條件處在本次初始地形 （2017年汛前）年份之前，無需計算，故本次計算水沙代表系列長度為141年。黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司一維水沙數(shù)學模型計算結(jié)果表明，有、無古賢水庫時，各方案的行河年限、對下游反饋影響、對經(jīng)濟社會影響等，結(jié)論比較一致，均是有古賢水庫方案較優(yōu)。由于古賢水庫建設(shè)尚未完全確定，出于安全考慮，設(shè)計水沙系列均采用無古賢水庫計算結(jié)果。

經(jīng)計算，141年的水沙系列能滿足清水溝、刁口河各運用方案均達到西河口流量10000m3/s時水位12m（大沽高程，下同）的改道控制標準，在刁口河達到改道控制標準后，計算各方案刁口河通過的泥沙量。

2.河道邊界條件

根據(jù)《黃河河口綜合治理規(guī)劃》，刁口河重新啟用（單一行河）初期，為了使主流歸槽，在部分河段會進行開挖和拖淤，未來河道斷面規(guī)劃底寬為500m，開挖邊坡為1∶3，挖后主槽過流能力為3000m3/s。

刁口河運行方案設(shè)計時，初始地形均采用開挖后的河道邊界條件。具體做法是：在S310省道以南，引河以現(xiàn)河道為西邊界，向東開挖；S310省道以北，引河開挖時考慮規(guī)劃主槽與現(xiàn)有河道平順連接的要求，向西開挖，這樣主流距離規(guī)劃大堤較遠，利于河道管理，也避免了主槽頂沖河堤的風險。刁口河進口在現(xiàn)羅家屋子引黃閘下游3.6km、北大堤樁號13+500處。

3.入海流路運用方案

入海流路改道標準是西河口流量為10000m3/s時水位不超過12m，本次設(shè)定采用清水溝、刁口河兩條流路聯(lián)合運用方案，按改道條件使用清水溝、刁口河，清水溝又分清8汊河、北汊、原河道共3條支汊。2017年汛前西河口流量為10000m3/s時水位為10.37m，距改道標準還有1.63m，還有較大的行河空間，且刁口河再次啟用需興建大量河防工程；刁口河作為分洪通道、同時行河的方案，在2022年7月開始具備可執(zhí)行條件；為比較也設(shè)定在2030年啟用刁口河方案。刁口河采用開挖后的地形邊界條件，清水溝計算初始條件為2017年汛前地形，為了研究方便，對各方案進行編號，并簡短說明，見表1。

4.計算方法

采用黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司開發(fā)的黃河口一維水流泥沙數(shù)學模型，計算各方案的河道沖淤變化。河口泥沙數(shù)學模型是以水流、泥沙運動力學和河床演變基本規(guī)律為基礎(chǔ)建立的一維水動力學模型，基本方程是根據(jù)質(zhì)量守恒定律和動量守恒定律推導出的水流連續(xù)方程、水流運動方程、泥沙連續(xù)方程及河床變形方程。該模型在原有的黃河下游河道泥沙沖淤模型中增加了河口淤積延伸公式：

式中：ΔL為河口淤積延伸長度；ΔWs為同一時段內(nèi)的河口輸沙量；p為海洋輸沙能力百分數(shù)；B為濱海區(qū)容沙寬度；H為濱海區(qū)淤沙深度，一般采用水下三角洲概化范圍內(nèi)最大水深；γ′為濱海區(qū)淤積物干容重。

表1 清水溝、刁口河聯(lián)合運用方案

采用該模型后，計算的分河段累積沖淤量、河口淤積延伸和主要控制斷面水位變化，均與實測資料驗證良好；該模型曾在“黃河入海流路改走北汊時機研究”“黃河河口治理規(guī)劃”“黃河口泥沙問題研究”等項目中得到了廣泛應(yīng)用，均通過審查，說明該模型計算成果可靠。

以2017年汛前河道地形作為初始邊界條件，按照設(shè)計的水沙系列和流路運用方案，進行水流泥沙計算，直到西河口達到改道控制條件，計算終止。這時統(tǒng)計通過刁口河的泥沙總量，各方案的最大值即為刁口河流路輸沙容量。

三、各方案計算結(jié)果及成果合理性分析

2060年以后，清水溝、刁口河兩條流路均陸續(xù)達到改道控制標準，此時通過刁口河的泥沙量見表2。從表中可以看出，刁口河流路輸沙容量為187.3 億 t。

成果合理性分析：①1964年1月—1976年5月刁口河流路行河年限為12年5個月，行河期間流路延長了33km，年平均來沙量為10.99億t，行河期間入?？偵沉考s為132億t。②《黃河河口綜合治理規(guī)劃》中，刁口河在清水溝之后使用，以西河口以下河長不超過80km為控制條件，距岸25km內(nèi)為堆沙范圍，考慮海域淤積不平整容沙體積乘以0.8的系數(shù)，以來沙量的70%淤積在堆沙范圍內(nèi)，算得容沙體積為145億m3，合166億t，見圖2。本次計算的刁口河輸沙容量比①大的原因，主要是改道控制標準提高所致；比②大的原因，主要是方案4行河時間最長，充分利用了海洋輸沙能力，輸往外海的泥沙量較大；但該輸沙容量與《黃河河口綜合治理規(guī)劃》相差不大，說明本次計算結(jié)果還是比較合理的。

表2 各方案泥沙淤積量

圖2 刁口河流路的容沙能力

四、結(jié) 語

對入海流路經(jīng)常擺動的黃河多泥沙河流，提出了“流路輸沙容量”的概念，并說明了其意義；以刁口河流路為例，根據(jù)設(shè)計水沙系列和改道控制條件，計算了清水溝、刁口河聯(lián)合運用各方案刁口河通過的泥沙總量，取其最大值作為刁口河的輸沙容量，為187.3億t，經(jīng)分析該數(shù)值比較合理。 ■

參考文獻：

[1]敬正書，索麗生.解讀《黃河河口管理辦法》《入河排污口監(jiān)督管理辦法》[J].中國水利，2005（2）.

[2]陳雄波，聶根華.刁口河流路再次啟用后河道沖淤分析[J].中國水利，2013（21）.